Fundamentos y Arquitectura de Sistemas de Control Distribuido (DCS)

1. Definición de Sistema de Control Distribuido (DCS)

El Sistema de Control Distribuido (DCS) es una arquitectura de control aplicada a procesos industriales complejos en grandes industrias como petroquímicas, papeleras, metalúrgicas, centrales de generación, plantas de tratamiento de aguas, incineradoras o la industria farmacéutica.

2. Capacidad de Señales en Sistemas Modernos

En la actualidad, estos sistemas pueden llegar a manejar hasta 250.000 señales.

3. Diferencias Clave: DCS vs. SCADA y PLC

Existen diferencias fundamentales en la gestión de datos y programación entre un DCS y una combinación de SCADA y PLCs:

• Base de Datos: Un DCS opera con una única Base de Datos integrada para todas las señales, variables, objetos gráficos, alarmas y eventos del sistema.
• SCADA/PLC: Un sistema SCADA (Supervisión, Control y Adquisición de Datos) más PLCs tienen bases de datos independientes que requieren comunicación mediante protocolos comunes.
• Herramientas de Ingeniería: En un DCS, la herramienta de ingeniería es única y opera de forma centralizada para desarrollar la lógica de los controladores y los objetos gráficos de monitorización. La carga de programas a los equipos es transparente desde este puesto central.
• Entornos Separados: Por el contrario, un SCADA tiene su entorno de programación y los PLCs el suyo, trabajando de forma independiente.

4. Herramientas Integradas en un DCS

Un DCS integra herramientas robustas para la gestión de la información de planta, logrando una integración vertical hacia la cadena de toma de decisiones y otros sistemas jerárquicamente superiores en la producción. Una característica esencial es la sincronización de todos los equipos del sistema (ordenadores, servidores, controladores) contra un mismo reloj patrón, asegurando que todas las medidas, alarmas y eventos posean la misma marca de tiempo.

5. Niveles Jerárquicos de Control en un DCS

Los niveles principales de control en un DCS son:

1. Nivel de Operación
2. Nivel de Control
3. Nivel de Módulos de Entrada/Salida

5.1. Nivel de Operación

Este nivel es el punto de interacción directa con los operadores de la planta. Contiene los sistemas informáticos para la monitorización del proceso y la adquisición de información en tiempo real, la cual se almacena en la base de datos transformándose en datos históricos para análisis posteriores. Además, este nivel gestiona el intercambio de información con otros sistemas de mantenimiento y planificación de la producción.

5.2. Nivel de Control

En un DCS, la responsabilidad del control de las diferentes partes funcionales del proceso se asigna a múltiples controladores locales distribuidos por la instalación, en lugar de centralizar todas las funciones en un único punto. Estos controladores están interconectados entre sí y con las estaciones de operación mediante redes de comunicación.

5.3. Nivel de Entrada/Salida (Periferia Descentralizada)

Los módulos de entradas/salidas para señales cableadas se distribuyen por la instalación, lo que se conoce como "periferia descentralizada". Esto minimiza las tiradas de cables de señal, acercando la electrónica de control a los elementos de campo. Estos módulos se comunican con los controladores mediante protocolos específicos o de bus de campo ("fieldbus") para asegurar tiempos de comunicación mínimos (del orden de milisegundos), adecuados a las exigencias del proceso.

6. El Bus de Campo y su Funcionamiento

Un bus de campo es un sistema de transmisión de información (datos) que simplifica drásticamente la instalación y operación de maquinaria y equipamiento industrial en procesos de producción. Su objetivo principal es reemplazar las conexiones punto a punto tradicionales (como el bucle de corriente de 4-20 mA) entre los elementos de campo y el equipo de control.

Características del Bus de Campo:

• Típicamente son redes digitales, bidireccionales y multipunto, montadas sobre un bus serie.
• Conectan dispositivos de campo como PLCs/PACs, transductores, actuadores y sensores.
• Cada dispositivo de campo incorpora capacidad de proceso, convirtiéndose en un dispositivo inteligente con un costo controlado.
• Estos elementos pueden ejecutar funciones simples de diagnóstico, control o mantenimiento, y comunicarse bidireccionalmente a través del bus.

7. Niveles de Elementos de Campo

Desde el año 2000, ha crecido la necesidad de integrar directamente instrumentos y actuadores en los buses de campo del DCS, considerándolos una extensión natural del nivel anterior. Estos equipos permiten funcionalidades adicionales como la gestión de su mantenimiento o la configuración remota de sus parámetros de comportamiento desde el nivel de operación.

8. Protocolo HART

El Protocolo HART es un protocolo abierto de uso común en sistemas de control, empleado para la configuración remota y la supervisión de datos con instrumentos de campo.

Funcionamiento del Protocolo HART

Los instrumentos se cablean a los módulos de entrada/salida del sistema de control. Este protocolo ofrece una funcionalidad asimilable en cuanto a la gestión y configuración que permite aplicar sobre los equipos.

9. Condiciones Básicas de Supervisión

9.1. Explicar Operación Normal

• Definición: Estado de operación productivo de la máquina o proceso.
• Se realiza en paneles mímicos y con controladores discretos mediante interfaces gráficas sofisticadas.

9.2. Explicar Alarma

• Es una señal emitida por un equipo o dispositivo cuando la variable controlada se sale de los rangos preestablecidos en el proceso.
• Ocurre ante cualquier anormalidad en el proceso.
• Tipos comunes: Alarma Muy Alta (xAHH), Alarma Baja (xAL), Alarma Muy Baja (xALL).

9.3. Explicar Emergencia

• Una emergencia es una situación de peligro para personas o máquinas, desencadenada por situaciones de extrema anormalidad en la planta.
• Si no se atiende apropiadamente, puede generar graves daños a personas y equipos.
• Es prioritario atender las señales de alarma para evitar situaciones de emergencia.

9.4. Explicar Stand by (En Espera)

• Es una condición de proceso o máquina en espera de funcionamiento.
• En una condición de alarma, es necesario reconocerla; si no se reconoce, parte del proceso, máquinas o equipos involucrados permanecerán inactivos esperando una señal de reconocimiento.

9.5. Explicar Manual / Automático

• Modo Manual: Otorga al operador la capacidad de actuar sobre las variables controladas de forma directa, sin que el control automático incida sobre ellas.
• Modo Automático: Permite al sistema de control actuar sobre las variables controladas, utilizando como lógica el programa previamente definido para el proceso.

9.6. Explicar Online / Offline

• Online: Seguimiento en línea de una máquina o proceso, permitiendo verificar parámetros.
• Offline: Seguimiento fuera de línea de una máquina o proceso, condición en la que se pueden configurar parámetros.

9.7. Explicar Local / Remoto

• Control Local: Operación ejercida sobre una máquina o proceso utilizando un tablero en las cercanías del equipo a controlar.
• Control Remoto: Operación ejercida a distancia sobre la máquina, mediante computadores ubicados en salas de control o a través de internet.

9.8. Explicar Batch / Continuo

• Sistema Batch: Procesa insumos por lotes. Ejemplos: Lavadoras, Hornos industriales, Digestores Batch.
• Sistema Continuo: Procesa insumos de forma continua.

10. El Controlador PID

El control PID es un mecanismo que, a través de un lazo de retroalimentación, permite regular variables de un proceso como velocidad, temperatura, presión y flujo. El controlador PID calcula la diferencia entre la variable real y la variable deseada. El algoritmo de control incluye tres parámetros fundamentales: Proporcional (P), Integral (I) y Derivativo (D).

10.1. Aporte de la Función Proporcional (P)

Genera la señal de mando $m(t)$, que es proporcional al error. La constante de proporcionalidad se denomina ganancia proporcional o banda proporcional (pb), la cual indica cuánto debe variar el error para que la salida alcance el 100%.

10.2. Aporte de la Acción Integral (I)

Este factor indica la rapidez con la que se modificará la salida. Si el tiempo integral ($T_I$) es pequeño, $m(t)$ varía muy rápido y se reduce el tiempo para llevar el error a cero, pero el sistema se vuelve oscilatorio. Si $T_I$ es grande, $m(t)$ varía lentamente, haciendo el sistema menos oscilatorio y el cambio más estable.

10.3. Aporte de la Acción Derivativa (D)

La acción D aporta amortiguamiento al sistema. Posee un parámetro, el tiempo derivativo ($T_D$), que permite dosificar su efecto dentro de la acción global de control. Al incrementarse $T_D$, aumenta el efecto de este control. Para que el control D cumpla su función, la señal de medición debe filtrarse, ya que es muy sensible al ruido.

11. Beneficios de la Inversión en Control Automático de Procesos

La implementación de sistemas de control automático se justifica por:

• Aumento de Productividad.
• Mejora de Calidad.
• Disminución de Costos.
• Aumento de la confiabilidad de la información.
• Reducción de trabajos mal ejecutados.
• Control preciso sobre el producto y los procesos involucrados.
• Reducción de stock.

12. La Mejor Automatización y sus Resultados

La mejor automatización es aquella integrada al sistema de gestión, ya que genera resultados positivos para la organización y optimiza:

• Procesos productivos.
• Volúmenes de producción.
• Costos operativos.
• Calidad del producto.
• Tiempos de respuesta.
• Uso de equipamiento.
• Disponibilidad de información on line.

13. Ventajas y Características del Control de Procesos "On Line"

Características del Control On Line

Es un reporte detallado de cada acción realizada sobre la máquina o hardware, visualizándose en tiempo real a través del software en registros de una base de datos. Por ejemplo, al oprimir un botón en la máquina, este evento se registra en la base de datos. Esto permite un reporte de producción totalmente automatizado sin intervención humana.

Ventajas del Control On Line

Proporciona información en tiempo real sobre:

• Tiempos de ciclo.
• Cantidades producidas.
• Tipologías de producción.
• Configuración actual del equipo.
• Otros parámetros definidos en el input del sistema.

Ventajas en la Implementación

La automatización conlleva la disminución de:

• Costos de implementación y mantenimiento.
• Riesgo de paradas de producción por fallas de componentes difíciles o imposibles de conseguir.
• Integración tecnológica total con los procesos productivos de gestión e información en línea.