• Las redes industriales amplían las funciones de los PLC

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Los tiempos en los que los operarios aportaban su ingenio y su habilidad manual a la fabricación terminaron hace mucho; hoy en día la interacción entre personas y máquinas en la planta es cosa común. El ejemplo más importante en este sentido es el PLC, convertido en el caballo de batalla en los sectores de automatización y fabricación desde hace años. Al interconectarse con todos los elementos, desde sensores y barreras de protección hasta sistemas de control de movimiento y dispositivos de identificación avanzada, los PLC garantizan el correcto desarrollo de las operaciones (ver Figura 1). La flexibilidad que aportan los PLC permite a los fabricantes gestionar varias máquinas a la vez, logrando un mayor grado de integración y automatización de los procesos y mejorando la calidad de la producción y el coste de las operaciones.

Figura 1: Los PLC garantizan el correcto desarrollo de las operaciones mediante la interconexión con sensores, barreras de protección, sistemas de control de movimiento y dispositivos de identificación avanzada. Y esto es solo el principio. Cortesía de: Turck

Las ventajas de los PLC son bien conocidas. Su contribución a la mejora de la eficiencia y el apoyo que brinda en segundo plano a la Ethernet industrial son lo que hace posible este grado de control. Juntas, estas tecnologías convierten la comunicación entre personas y máquinas en una combinación eficiente y rentable. Compuesta por varios protocolos, la Ethernet industrial fue desarrollada con capacidades deterministas con el fin de proporcionar una alternativa asequible a los sistemas de automatización establecidos.

Gracias a sus capacidades avanzadas, sofisticada funcionalidad e instalación simplificada, el PLC es la piedra angular de la fabricación moderna. Para utilizar estos dispositivos de manera eficaz, sin embargo, los usuarios deben conocer el papel crucial que desempeñan las redes y los requisitos individuales que es preciso tener en cuenta para crear una solución efectiva. Todo esto forma una infraestructura unificada que puede ampliarse desde las redes administrativas a las de control y de planta, ofreciendo escalabilidad inherente para continuar respondiendo a las crecientes demandas industriales.

Descripción de la tecnología PLC

Desde su concepción, los PLC se han convertido en la piedra angular de la automatización industrial, ejerciendo con frecuencia como nexo de unión entre personas y máquinas. A medida que la arquitectura de control cambia y la tecnología de red avanza, estos cambios hacen posibles PLC integrados con interfaces de usuario que utilizan un entorno de programación establecido y transportable. Como controladores universales, los PLC pueden programarse para ejecutar diversas tareas, desde el arranque y la parada de motores a operaciones de cálculo matemático. Gracias a la potencia de procesamiento, capacidad de almacenamiento y posibilidades de comunicación de los ordenadores modernos, los PLC pueden ofrecer un control de aplicaciones inteligente y robusto a nivel de campo (ver Figura 2). Los PLC están diseñados para actuar como ordenadores en miniatura capaces de funcionar de manera fiable en entornos difíciles expuestos a temperaturas extremas, ruido eléctrico, vibraciones y golpes.

Figura 2: Su potencia de procesamiento, capacidad de almacenamiento y posibilidades de comunicación convierten a los PLC modernos en la solución idónea para un control de aplicaciones inteligente y robusto a nivel de campo. Cortesía de: Turck

Un PLC interactúa con el entorno que controla a través de sus entradas y salidas (E/S). Las entradas de los PLC aceptan señales de numerosas clases de sensores, conmutadores y otros dispositivos de control. El PLC toma decisiones basándose en los valores de estas señales de entrada en relación con el programa escrito con el fin de aprovechar su potencia para actuar sobre su entorno. Tradicionalmente los programas de los PLC se escribían empleando lógica de escalera, un lenguaje muy parecido a un diagrama de cableado basado en relés. Sin embargo, la programación de los PLC modernos no se reduce a la lógica de escalera. El resultado de estas decisiones se envía a los dispositivos actuadores a través de las salidas de los PLC. En muchos casos, las entradas proporcionan realimentación al PLC con el propósito de permitirle tomar estas decisiones, mientras que las salidas comunican el resultado de las decisiones de una forma capaz de alterar el proceso o el entorno.

Ventajas de los PLC: La implementación de un PLC ofrece numerosas ventajas en términos de rendimiento, como una reducción de los requisitos de hardware, mayor eficiencia y menos derroche. Los PLC modernos son soluciones muy personalizadas y adaptadas a aplicaciones de control específicas, además de necesitar menos superficie en la fábrica (ver Figura 3).

Como controlador integrado, los PLC simplifican la instalación al ocupar menos espacio en el armario. Por otra parte, las pantallas de muchos PLC mejoran la interacción entre la máquina y el operador e incrementan la eficiencia de la producción. Por ejemplo, la combinación de pantallas locales e interfaces sencillas de los PLC puede proporcionar instrucciones simples a los operadores, además de ser un método de introducción de datos que facilita la supervisión de las alarmas o la administración de fórmulas.

Figura 3: La reducción de los requisitos de hardware, una mayor eficiencia y menos derroche son algunas de las muchas ventajas que ofrecen los PLC. Cortesía de: Turck
Diseñados para ser fáciles de mantener y arreglar, las reparaciones simplemente consisten en sustituir componentes modulares enchufables. La probabilidad de fallos y el tiempo necesario para corregirlos son mucho menores, haciendo innecesario volver a cablear paneles y dispositivos. Los errores pueden corregirse reescribiendo la lógica. Además, los circuitos de detección de fallos y los indicadores de diagnóstico que incorporan todos los componentes principales pueden señalar si el componente funciona correctamente. La herramienta de programación permite visualizar la lógica programada para determinar si las entradas y salidas están activadas o desactivadas.

Ampliación de la funcionalidad de los PLC mediante redes

Aunque los PLC abrieron la puerta a la comunicación visual en la planta, fue su integración con los dispositivos de red lo que ofreció a los fabricantes un nuevo grado de visibilidad y control al combinar Ethernet en tiempo real con capacidades de visualización, control y comunicación.

Las redes continúan ampliándose en respuesta a las crecientes necesidades operativas de la automatización industrial, ofreciendo capacidades de supervisión y control en áreas en las que anteriormente no era posible. Las redes de dispositivos utilizan actualmente la integración entre bus de campo y Ethernet para desarrollar redes de control que abarquen toda la empresa. Fusionar la funcionalidad de las redes con los PLC permite a los usuarios liberar de tareas al procesador principal para controlarlas de manera distribuida sobre el terreno, aproximando los dispositivos de control al trabajo realizado. Además, al combinar el control con E/S distribuidas, los fabricantes pueden rebajar el coste total de explotación racionalizando la adquisición de datos, la comunicación y la conectividad de toda la fábrica.

Redes:  Para que los PLC se conviertan en una herramienta de red, los usuarios deben disponer del ancho de banda necesario para utilizar Ethernet industrial en tiempo real. Debido al aumento de los requisitos de conexión y comunicación, los PLC deben ampliar su compatibilidad con múltiples tecnologías de red. Aunque no existe una red industrial válida para todas las soluciones de E/S avanzadas, los PLC pueden conectar la capa empresarial con la planta en la medida necesaria aceptando diferentes protocolos. Debido a que los protocolos de red agregan funcionalidades, los PLC son componentes necesarios para controlar y sustentar estas funciones adicionales.

Mantener estas redes de automatización industrial continúa siendo un componente fundamental para asegurar el funcionamiento continuado de estos sistemas integrados. Es imprescindible que la red sea fiable. Por este motivo resulta crucial mantener su disponibilidad. Para ello es preciso que el sistema admita el ancho de banda y las elevadas velocidades de transmisión de datos que se necesitan para cumplir las especificaciones de la aplicación, además de proteger los datos durante las operaciones de mantenimiento y acelerar su recuperación en caso de fallo de la conexión.

La redundancia es otro factor importante para mantener el rendimiento y la fiabilidad, junto con la rapidez y la disponibilidad. Los periodos de inactividad imprevistos y prolongados pueden amenazar la productividad de la planta. Sin embargo, las tecnologías de redundancia no solo permiten recuperar la red en milisegundos, sino que también reducen en gran medida los costes del despliegue.

Control distribuido:  El uso del control distribuido permite descentralizar y dispersar partes del sistema automatizado por todo el sistema. Esto significa que algunas partes del sistema se controlan mediante controladores independientes situados cerca del área de control directo. De este modo es posible emplear diferentes formatos en respuesta a una amplia variedad de requisitos de aplicación. Además, al distribuir los datos de E/S por toda la aplicación, ya sea en armarios o en la máquina misma, los fabricantes pueden reducir la huella física de la automatización y el control empleando un número menor de componentes.

Gracias al control distribuido los usuarios pueden implementar un diseño modular flexible en el que es posible ampliar las E/S cuando sea preciso, dotándolo de una escalabilidad inherente que agilizará su ampliación en el futuro de manera económica. La inteligencia distribuida reduce la carga adicional impuesta al PLC y facilita que el sistema responda a futuros requisitos de funcionamiento al permitir su ampliación sin dejar de utilizar el mismo PLC para el control de las aplicaciones automatizadas. Esto implica que los usuarios pueden enriquecer sus sistemas ampliando su tamaño y capacidades funcionales sin dejar de estandarizar los sistemas PLC.

Durante el proceso de descarga, algunas de las funciones de control del procesador principal (ya sea un PLC o un PC) destinadas a las E/S distribuidas, que pueden estar situadas en la máquina o en un armario, reducen el tráfico de la red. Esto es así porque, gracias a las E/S distribuidas, el procesador principal no necesita enviar peticiones a estas E/S para conocer el estado de las entradas o para iniciar una salida. El sistema de E/S distribuidas con funcionalidad de control o programable puede ocuparse de ciertas tareas, relegando la comunicación de datos de supervisión o de estado al procesador principal.

Al adoptar configuraciones de E/S remotas, los fabricantes pueden obtener conectividad de alto nivel con tan solo unos pocos puntos de E/S incluso en áreas muy amplias, logrando así una solución de control rentable para diversas industrias y aplicaciones. En grandes instalaciones que necesitan una supervisión y control minuciosos, no resulta práctico ni rentable disponer de un controlador en cada emplazamiento. Esto requeriría un proceso de instalación caro y tedioso para el que sería preciso tender largos tramos de cable conectados a cada punto de E/S. Los sistemas de E/S remotos pueden, por ejemplo, utilizarse para recoger datos de plantas o instalaciones remotas. Datos como el tiempo de los ciclos, recuentos, duración o incidencias pueden remitirse de vuelta al PLC con fines de mantenimiento y gestión de informes. Además, el cableado físico incrementa la probabilidad de que se produzcan errores, durante la conexión, por ejemplo, cuya corrección puede precisar un periodo de inactividad excesivo.

Capacidades de E/S avanzadas:  La tecnología de red va mucho más allá de las funciones que ofrecen las entradas y salidas digitales y analógicas estándar. Las E/S avanzadas pueden incluir, entre otras, tecnología RFID, SSID para entradas de movimiento y serie, registro de datos, códigos de barras y sistemas de identificación mediante matriz 2D. Las E/S inteligentes, aún más avanzadas, generan una mayor cantidad de datos que los PLC integrados han de ser capaces de manejar.

Los entornos industriales típicos buscan modos de controlar más estrechamente sus procesos de fabricación, lo que hace necesario utilizar algo más que E/S discretas. Los PLC están configurados con E/S avanzadas, como las destinadas al procesamiento de señales analógicas, temperatura y RFID, todas las cuales consumen un ancho de banda mucho mayor.

PROFINET, por ejemplo, utiliza tres canales de comunicación diferentes para intercambiar datos con PLC y otros dispositivos. El canal TCP/IP estándar está destinado a operaciones de parametrización, configuración y operaciones de lectura/escritura acíclicas. El canal de tiempo real (RT) se emplea para la transferencia de datos cíclica y alarmas. Las comunicaciones RT omiten la interfaz TCP/IP estándar para acelerar el intercambio de datos con los PLC. El tercer canal, isócrono en tiempo real, es el canal de alta velocidad utilizado en aplicaciones de control de movimiento.

Combinación de redes y PLC a nivel de campo

E/S remotas:  La industria del gas y del petróleo trabaja en entornos peligrosos y necesita hacerlo con precisión y fiabilidad Las soluciones de control tradicionales no son las más adecuadas para aplicaciones que no solo necesitan un rendimiento fiable, sino que también deben adaptarse a requisitos en constante cambio y crecientes demandas y requieren una solución modular que sea desmontable y transportable. En este ámbito es esencial emplear soluciones de conectividad innovadoras que permitan la comunicación a larga distancia sin sacrificar el rendimiento y no sean vulnerables a los elementos del entorno. Estas demandas exigen una combinación segura de dispositivos de control, como PLC, y protocolos de red.

En esta clase de instalaciones, el reto consiste en adaptarse al diseño disperso de la instalación, para lo cual es necesario que la red admita un gran número de señales al tiempo que utiliza menos cableado y mantiene capacidad sobrante. El uso de sistemas de E/S distribuidos equipados con un sistema de desconexión del cableado en zonas peligrosas es una respuesta asequible a un problema complejo. Estos sistemas, fácilmente configurables, proporcionan funciones de E/S remotas para aplicaciones de procesamiento. Un solo cable Ethernet es capaz de manejar un elevado volumen de tráfico, llegando a transferir de regreso al PLC hasta 150 señales provenientes de las secciones más alejadas de la planta.

La utilización de un sofisticado sistema de conectores para la terminación de los instrumentos del proceso sobre el terreno consolida esas señales en una caja de conexiones para incrementar su eficacia. Además, al emplear cables de par trenzado blindados para transferir las señales desde las cajas de conexión al armario del PLC y un solo cable de par trenzado blindado para conectar dicha caja a los instrumentos, ya no es necesario usar cables individuales que lleguen al PLC. Lo que antes precisaba ocho cables, ahora se combina en uno solo. El pequeño tamaño de los receptáculos del cable permite reducir asimismo las dimensiones del armario del PLC donde terminan todas las señales. Esto se traduce en un ahorro de costes adicional.

Por otra parte, y a fin de responder a las necesidades particulares del sector del gas y del petróleo y los riesgos asociados a sus instalaciones, estos dispositivos deben estar correctamente montados. Existen opciones disponibles con protocolos Ethernet con homologación División 2/Zona 2, consolidación de temperatura, 4-20 mA y señales discretas para su envío a alta velocidad al PLC.

Mejora de la automatización:  Una planta de producción de carbón dispone de extensas redes de transporte que recorren toda la instalación para llevar el carbón desde el depósito hasta los molinos de carbón. La red de transporte debe ser fiable en todo momento para que la planta conserve su productividad. La automatización es, por consiguiente, la elección más obvia, pero para ello hay que instalar un número incontable de sensores y accionadores en toda la planta que es preciso gestionar y mantener.

Figura 4: En el caso de esta planta de procesamiento de carbón, cada cinta transportadora dispone de un armario de control que incorpora conectores, interruptores del circuito del motor y E/S distribuidas. Las estaciones de E/S modulares transfieren todas las señales analógicas y digitales a los PLC de nivel superior que reflejan el estado de la red de transporte.
El uso de un sistema de bus de campo moderno para la transmisión de señales entre el PLC y los sensores o accionadores puede proporcionar el grado necesario de automatización, control y durabilidad para responder a estas demandas específicas. Implementar un sistema de bus de campo adecuado, que disponga de un diseño modular y ofrezca protección reforzada, no solo establecerá una comunicación libre de interferencias entre todos los dispositivos, sino también un alto grado de integridad de los datos, protección contra vibraciones y funciones de diagnóstico detalladas.

Tomemos como ejemplo una planta de carbón compuesta por dos estaciones de transporte, dos molinos y una tolva a través de la cual se introduce el carbón pulverizado en los hornos. Entre estas estaciones, el carbón se transporta mediante varias cintas transportadoras, por lo que es fundamental mantener registros detallados del paso del producto por las diversas etapas. En el caso de esta planta de procesamiento de carbón, cada cinta transportadora dispone de un armario de control que incorpora conectores, interruptores del circuito del motor y E/S distribuidas. Las estaciones de E/S modulares transfieren señales analógicas y digitales a los PLC de nivel superior, los cuales reflejan el estado de la red de transporte con parámetros como la velocidad de alimentación, desviación, distensión, grietas o datos sobre el nivel de llenado, por medio de un protocolo de red, como DeviceNet. Después de evaluar los datos obtenidos, el PLC transmite el estado de la planta al sistema de gestión de información. Todo este grado de control puede implementarse con tan solo dos redes de bus de campo.

Los fabricantes pueden confiar en el transporte continuo del carbón gracias a una tecnología de bus de campo fiable, eficiente y versátil que garantiza que la producción estará libre de errores. Utilizando un sistema de bus de campo IP 67, esta solución responde a las estrictas demandas de la producción de carbón con un mantenimiento simple y diagnósticos rápidos, combinados con una instalación sencilla y libre de errores con un coste en cableado reducido, asegurando en última instancia el funcionamiento seguro y eficaz de la planta, incluso en los entornos más difíciles.

Conclusión

No hay dos entornos industriales iguales. Sin embargo, los fabricantes comparten el deseo común de ofrecer productos de alta calidad maximizando simultáneamente la eficiencia, la productividad y la rentabilidad. La integración de dispositivos de control, como PLC y redes empresariales avanzadas, proporciona una estrategia proactiva para la consecución de estos objetivos.

Las tecnologías de red modernas permiten efectuar transferencias de datos de manera rápida, segura y fiable en toda la fábrica. Los PLC disponen de funciones de diagnóstico y comunicación con el fin de establecer un sistema inteligente con escasa necesidad de mantenimiento y grandes ventajas. Con él los fabricantes pueden mejorar la precisión, acelerar la producción y minimizar los errores, además de ahorrar en costes de material y mano de obra.

Randy Durick es director del grupo de Redes e Interfaces y tiene más de 11 años de experiencia en Turck; Chris Vitale es director jefe de productos de Redes y tiene 13 años de experiencia en Turck; Matt Boudjouk es director de productos del grupo de Redes e Interfaces y tiene cinco años de experiencia en Turck.

Este artículo ha sido publicado en el suplemento Applied Automation de Control Engineeringand Plant Engineering.

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