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INSTITUTOPOLITECNICONACIONALESCUELASUPERIORDEINGENIERIAMECANICAYELECTRICA

UNIDADPROFESIONALADOLFOLOPEZMATEOS

DISEODEUNGABINETEDECONTROLPARAUNSISTEMADECONTROLDISTRIBUIDO

TESIS

QUEPARAOBTENERELTITULODE:

INGENIEROENCOMUNICACIONESYELECTRONICA

PRESENTA:

DULCETRINIDADSALINASLUNA

ASESOR:

ING.FERNANDOL.SNCHEZMARTNEZ

MEXICO,D.F.2009

INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD ZACATENCO

1

INDICE

INTRODUCCIN ...03

1. PANORAMA GENERAL DE UN SISTEMA DE CONTROL .05

1.1 Sistemas de Control ...05

1.1.2 Diferencias entre Control a Lazo Cerrado y Control a Lazo Abierto...06

1.2 Sistemas de Control Moderno ...06

1. Control Centralizado o Control Digital Directo (DDC)07

2. Control Supervisorio ...08

3. Control Distribuido ...11

1.3 Caractersticas Generales y Aspectos Histricos

del Control Distribuido ...12

1.3.1 Descripcin y Caractersticas de la Arquitectura y Anillo de control 14

2. SISTEMAS DE COMUNICACIONES EN UN

SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO 19

2.1 Comunicacin entre los Diferentes Niveles de un

Sistema de Control Distribuido 19

2.1.2 Redes de rea Local en Aplicaciones Industriales ..20

2.1.3 Ethernet TCP/IP ..22

2.2 Entradas y Salidas de un Bus de Campo 23

2.2.1 Field Bus: Definicin y Caractersticas Generales ..26

2.2.2 Modelo OSI/ISO 28

2.2.3 Clasificacin de Field Bus 32

2.2.3.1 Field Bus en el Mercado 34


2

3 Planteamiento 40

3.1 Autocad y Autocad Electrical 40

3.2 Normas NEMA 45

3.2.1 Protecciones NEMA 46

3.3 Planteamiento del Problema ...46

3.4 Diseo de los Gabinetes 53

3.4.1 Gabinete 1: Controlador del Proceso 54

3.4.2 Gabinete 2: Turbo Generador 55

3.4.3 Gabinete 3: Gobernador 55

3.4 Cableado del Gabinete 56

Conclusiones 57

ANEXOS

Fotografas 58

Tablas de Seales 61

Plano 1-Plano 21 65

Bibliografa 86


3

INTRODUCCION

El desarrollo industrial en los ltimos aos ha tenido por lo menos 2 caractersticas particulares:

- El desarrollo de procesos a gran escala. - El uso de procesadores.

Ambos desarrollos estn relacionados con el control de procesos industriales y tanto la complejidad como el tamao de los procesos se han ido incrementando de tal manera que para realizar el control de los procesos se tenido la necesidad del uso de los controladores basados en procesadores.

Los controladores deben de ser capaces de trabajar en tiempo real y responder de manera eficiente a los cambios, alteraciones e interrupciones que se presenten durante el proceso; as mismo deben de contar con entradas y salidas, anlogas y digitales que puedan ser conectadas al sistema.

De acuerdo a las caractersticas y al tamao del proceso, es el tipo de control que se realiza, siendo los Sistemas de control Distribuido el tipo de control ms utilizado. Bajo esta denominacin englobamos aquellos sistemas destinados al control de grandes o pequeas plantas de procesos, fundamentalmente de tipo continuo (papeleras, cementeras, petroqumicas, energa, siderurgia...), con capacidad de llevar a cabo el control integral de la planta. Se caracterizan por un fuerte componente informtico y una estructura jerarquizada.

Al realizar un sistema de control distribuido es necesario que de acuerdo a las caractersticas del proceso y una vez definidas el tipo y la cantidad de seales se pueda establecer el tipo de controladores a utilizar, as como los mdulos esclavos, las fuentes de alimentacin de los mdulos y los controladores, as como el sistema de comunicacin entre dispositivos de campo, mdulos esclavos y controladores; tambin es necesario contar con el espacio en donde sern colocados todos estos elementos.

Para esto hacemos uso de los gabinetes de control. Estos elementos forman una de las partes ms importantes en el control distribuido, pues dicho elemento ser el encargado de albergar a los controladores, esclavos, dispositivos de comunicacin, fuentes de alimentacin y todos y cada uno de los elementos que realicen control y/o adquisicin o envo de informacin.

Es muy importante desarrollar el diseo del gabinete tomando en cuenta las caractersticas del proceso y el lugar en donde se realizar el control, pues es necesario que el gabinete sea capaz de proteger a los elementos que lo conforman de condiciones que lo puedan daar, tales como la humedad, el polvo, las elevadas o bajas temperaturas, el agua, etc. Condiciones que pueden ser derivadas por cuestiones ambientales o por las caractersticas propias del proceso, adems hay que


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considerar que el lugar en donde se coloca el gabinete no siempre responden a las necesidades del proceso y por ello no siempre esta en el lugar ms protegido de las condiciones antes mencionadas.

El diseo de gabinetes, deber estar basado no solo en los componentes que lo integran (mdulos, fuentes, etc.); el diseo deber estar tambin bajo un estricto control de normas y estndares que permitan al cliente encontrar el diseo de gabinetes que se adapte mejor al proceso que el necesita, para este caso se cuentan con los estndares NEMA (Nacional Electrical Manufacturers Association), que son los encargados de regular la fabricacin de los gabinetes de control.

Grficamente el diseo de los gabinetes de control puede ser realizado por software propios de las empresas dedicadas hacer el control distribuido gabinetes de control, o bien por software de propsitos generales como lo es Autocad, que permiten visualizar al cliente no solo el arreglo de los gabinetes, si no tambin las medidas y las configuraciones de los mdulos de control que operan en el sistema.

El esquema general del sistema de control distribuido se ve reflejado en el diseo de los gabinetes de control, de ah la importancia de profundizar en el diseo de los mismos.


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1. PANORAMA GENERAL DE UN SISTEMA DE CONTROL

OBJETIVO: Para realizar un sistema de control de procesos, es necesario conocer los conceptos especficos del tipo de sistema de control que queremos realizar, as como

la parte del proceso del proceso de control, sobre la que vamos a trabajar.

En este captulo se hace un resumen de los distintos sistemas de control que se

pueden implementar en un proceso industrial, con el fin de conocer los elementos que

sern tomados en cuenta para la construccin de un gabinete de control, que es el

objetivo final del presente trabajo.

1.1 Sistemas de Control

Los sistemas de control de procesos se definen como los encargados de vigilar los

procesos de la planta a travs de redes de controladores (computadoras,

microprocesadores, microcontroladores, etc.) interconectados que permiten mantener

las condiciones necesarias para evitar o regular las perturbaciones que puedan

ocurrirle al proceso.

El sistema de control es responsable de tareas tales como el monitoreo y correccin,

de los errores que presenten las seales que conforman el proceso.

Bsicamente existen dos tipos de sistemas de control:

Sistema de control a lazo abierto.

En este tipo de sistemas, el control del proceso, solo acta sobre la seal de

entrada del sistema, dando como resultado una seal de salida independiente en

la cual no hay una forma de verificar si la salida del proceso es correcta.

Fig. 1.1 Diagrama a bloques de un sistema de control en lazo abierto


6

Sistema de control a lazo cerrado.

En este tipo de sistemas, existe una relacin entre la seal de entrada y la seal

de salida, por lo que la accin de control est en funcin de la diferencia de ambas

seales.

Fig.1.2 Diagrama a bloques de un sistema de control en lazo cerrado

1.1.2 Diferencias entre Control a Lazo Cerrado y Control a Lazo Abierto

Una ventaja del sistema de control en lazo cerrado, es que la retroalimentacin,

retorna la respuesta del sistema sensible a las perturbaciones externas y a las

variaciones internas en los parmetros del sistema, ya que la accin de control se

realiza directamente sobre la diferencia que hay entre las seales de entrada y salida,

buscando siempre que esta diferencia tienda a ser cero. Esta diferencia es conocida

como el error.

Desde el punto de vista de la estabilidad, el sistema de control en lazo abierto es ms

fcil de desarrollar, por que la estabilidad del sistema no es un problema importante,

por otra parte, la estabilidad es una funcin principal en el sistema de control en lazo

cerrado, lo cual puede conducir a corregir el exceso de error que producen las

variaciones en las seales del sistema.

1.2 Sistemas de Control Moderno

En la actualidad, se manejan distintas tcnicas de control, que responden a las

necesidades de los procesos industriales que se desarrollan hoy en da. La mayora de

estos sistemas incluyen el uso de procesadores digitales como controladores del

proceso, y el uso de cada modelo de control es elegido de acuerdo a las

caractersticas del proceso y a los costos de implementacin.

Entre los sistemas ms utilizados hoy en da tenemos:


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1. Control Centralizado o Control Digital Directo (DDC): Un sistema basado en este modo de control, est estructurado en torno a un

procesador digital que recibe todas las entradas del proceso (variables), ejecuta los

clculos apropiados y produce salidas que se dirigen hacia los actuadores o

dispositivos finales de control. El procesador digital puede controlar un elevado

nmero de lazos y variables, adems de ejecutar estrategias de control. En la figura

1.3 se muestra un diagrama de control centralizado.

Fig. 1.3 Sistema de control digital directo

El manejo de todas las comunicaciones y de las funciones de control para cada uno de

los lazos del proceso, impone unas estrictas condiciones a la capacidad de

procesamiento del procesador, as como a su velocidad. Si lo anterior fuera poco, el

procesador central tambin deber adquirir datos, visualizarlos en pantallas, ejecutar

software que permita optimizar los esquemas y otras tareas ms. Como consecuencia

de todo esto el control centralizado mediante un procesador requiere un equipo

grande que ofrezca el compromiso entre respuesta en tiempo real (velocidad) y

capacidad de almacenamiento.

Si el procesador central falla, la totalidad del proceso falla, de ah la importancia de

que los DDC trabajen con un procesador redundante que opere simultneamente (en

paralelo) con el principal. De este modo, si el principal falla el secundario toma el

control. El costo adicional de este segundo controlador hace que el control

centralizado sea excesivamente caro y no siempre sea la solucin ptima en la

automatizacin de procesos.


8

Finalmente, la ampliacin de un sistema de control DDC suele resultar costosa, de ah

que inicialmente se debe instalar un equipo sobredimensionado, ya que de otro modo

pronto habra que adquirirse un procesador de mayor capacidad. Adems cada una de

las entradas y salidas que se aadan habrn de ser cableadas hasta el procesador

central, o como mnimo hasta un punto prximo a l, a todo ello habra que unir el

hecho de que el software deber reescribirse para incorporar estas

ampliaciones/modificaciones.

2. Control de Supervisorio Para dar a los sistemas de control centralizado un nivel de seguridad adecuado y

evitar que una cada de este paralice todo el sistema, se empezaron a utilizar

controladores analgicos vinculados directamente al proceso, esto es, optimizados

para la variable que deben de controlar. Estos controladores sern los que realmente

controlen el proceso, dejando al procesador central la funcin de los cambios de

puntos de consigna, es decir, el valor de referencia con el que se ha de comparar la

variable controlada para mantenerla siempre optimizada.

Esta combinacin de acciones recibe el nombre de control supervisorio. El estado de

la variable a controlar llega ahora tanto al procesador como al controlador analgico,

que adems recibe la consigna adecuada en cada instante y que ser calculada por el

procesador. Si se presenta cualquier perturbacin en el proceso (especialmente en el

procesador central) el controlador analgico regula la variable del proceso con

respecto al ltimo punto de consigna que recibi del procesador central. Toda esta

actuacin local forma el lazo de control, y proporciona un cierto grado de autonoma al

proceso respecto del control centralizado.


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Fig. 1.4 Componentes de un sistema de control de supervisin

Aunque el control supervisin permite que el control bsico del proceso contine a

pesar del posible fallo del procesador central, sigue siendo necesaria una ampliacin

del cableado y un software adicional en caso de querer ampliar el nmero de entradas

y/o salidas.

En la figura1.4 podemos observar un proceso de control de apertura y cierre de un

vlvula en la que un procesador central, se encarga de realizar la supervisin del

proceso mediante un acondicionador de seal que filtra y amplifica la seal que es

enviada por el transmisor y proporcionada por el sensor, para que sean transmitidas

de forma digital al procesador central que se encargar mediante un software, de


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analizar las seales de entrada y salida del proceso, para as poder enviar la consigna

correspondiente para mantener al proceso en un funcionamiento correcto.

Dado que los sistemas de control de supervisin, pueden estar formado por distintos

sistemas de control, en los que se manejan niveles administrativos, y nuestro objetivo

es solo la parte del proceso industrial, es necesario conocer los sistemas de control

que pueden incluirse dentro del sistema supervisin.

Sistemas SCADA: Viene de las siglas Supervisory Control And Data

Adquisition, es decir adquisicin de datos y control de supervisin. Se trata de

una aplicacin especialmente diseada para funcionar sobre procesadores en

el control de la produccin, proporcionando comunicacin con los dispositivos

de campo y controlando el proceso de forma automtica desde la estacin de

trabajo.

Controlador Lgico Programable (PLC). Se trata de un dispositivo electrnico

que como su nombre lo indica, esta diseado para programar y controlar

procesos secuenciales en tiempo real.

En todo caso, independientemente del tipo de control utilizado, los objetivos del

control de procesos pueden resumirse en:

a) Operar en forma segura y estable.

b) Disear sistemas de control que el operador pueda vigilar, comprender y

cuando sea necesario, manipular.

c) Evitar desviaciones importantes de la seal de salida, respecto a la seal

de entrada, durante las perturbaciones.

d) Permitir que el operador cambie un valor deseado o punto de consigna

(valor de referencia) sin perturbar el proceso.

e) Evitar cambios considerables y rpidos en variables manipuladas que

podran incumplir restricciones de operacin, o perturbar unidades

integradas o situadas en lazos de control inferiores al lazo principal.

f) Controlar el proceso de manera que se maximice su funcionamiento y

minimice el consumo de energa.


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3. Control Distribuido (DCS): Es un sistema de control de procesos dinmicos, en los cuales se tiene una serie de

controladores realizando el control a un nivel de rea local (mdulos esclavos), y cuya

informacin es procesada por un controlador central (maestro), colocado en un nivel

jerrquico superior.

El control distribuido es el paso siguiente en la evolucin de los sistemas de control

que se han expuesto en el punto anterior. As en los sistemas centralizados, su

potencial se concentra en un nico elemento (el procesador central), mientras que en

el control distribuido la potencia de tratamiento de la informacin se encuentra

repartida en el espacio. Podramos decir que los sistemas de control distribuido fueron

desarrollados para proporcionar las ventajas del control centralizado pero con ms

seguridad y flexibilidad.

En esencia, la diferencia entre el control distribuido y el control clsico puede

compararse a la existente entre una mquina cuya configuracin se hace mediante el

cambio de cables y otra donde cualquier modificacin se hace por software y a

distancia. En este aspecto un procesador personal (PC) es un elemento fundamental,

tanto a nivel de planta como en niveles superiores y permite la visualizacin de las

seales de mltiples variables, el diagnostico de cada lazo de control, el acceso a los

datos bsicos de calibracin y a los datos de configuracin de los transmisores.

Controlador Maestro (Procesador Digital): es un mdulo estructurado en torno a un

microprocesador que permite realizar controles PID (Proporcional-Integral-Derivativo) y

otros algoritmos de control basados en sumas, multiplicaciones, contadores, etc. Y que

en cada cierto tiempo, segn lo programe el operario intercambia informacin con los

mdulos esclavos leyendo y procesando las seales que envan estos y generando

seales de salidas que de igual manera sern enviadas a los esclavos. Un controlador

maestro puede controlar varios lazos, es decir, puede estar controlando y

monitoreando mltiples variables de forma simultnea. El nmero de variables a

controlar, depender de la capacidad del tipo de controlador que se utilice. Siendo de

2 a 3 variables en los controles de propsito general y de una sola variable para los

controladores dedicados (por ejemplo para controles de flujo).


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Estos algoritmos pueden configurarse y en caso de avera, en las unidades de control

que se encuentran en un nivel jerrquico superior a los esclavos (maestros), el control

que ejercer el regulador digital ser el correspondiente al ltimo algoritmo

configurado: tipo de control (directo, inverso, etc.), tipo de seal de entrada (lineal,

exponencial, etc.), alarmas a generar, sensores a muestrear, etc. Como vemos en este

controlador bsico se establece ya el primer paso en la dotacin de cierta autonoma a

los diferentes elementos de un control distribuido.

La red de comunicacin externa suministra los datos necesarios que definen el

comportamiento del controlador. Estos datos externos junto a los propios de proceso

se optimizan, obtenindose primero los parmetros que se introducen en el algoritmo

de regulacin y en funcin de la seal de referencia, permitirn enviar al proceso la

actualizacin correspondiente.

Normalmente la optimizacin suele ser un acondicionamiento de seal ms o menos

complejo: ADC/DAC, conversin V/F, variacin de nivel, comparacin, etc.

Controlador Esclavo: Es un dispositivo de entradas y salidas utilizado para recolectar y

accionar las seales de proceso de los elementos finales de control

Utiliza en su programacin un lenguaje de alto nivel y permite controlar procesos

complejos. El controlador esclavo suele estar constituido por un procesador digital con

elevada capacidad operativa y de comunicacin.

1.3 Caractersticas Generales y Aspectos Histricos del Control Distribuido

En el pasado un sistema de control era considerado como una caja negra, aislada

fsica y temporalmente de la adquisicin de datos, procesamiento de la informacin, y

del sector de administracin y toma de decisiones de la empresa.

Hoy en da, dados los costos de energa, los veloces cambios que requiere una

produccin para mantenerse en el mercado y la necesidad de conocer toda la

informacin posible sobre el proceso, es necesario contar con un concepto de sistema

de control radicalmente diferente.


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El sistema de control distribuido debe de proponer una arquitectura que permita

integrar el control del proceso con el sector de administracin de la empresa. Esto

facilita la aplicacin de tcnicas avanzadas de gestin (Planificacin-Organizacin y

Control) que implican la adquisicin (en tiempo real) de datos del proceso, la

integracin con otros datos propios de la administracin y la posterior toma de

decisiones en funcin de estos ltimos.

La aplicacin de estndares industriales en el diseo del sistema, debe de facilitar la

creacin de poderosas herramientas en gestin, y la incorporacin de sistemas

existentes.

As mismo el sistema de control distribuido de acuerdo a las necesidades de la

empresa, debe contar con una avanzada tecnologa para la fabricacin de software y

hardware.

Fig. 1.5 Ejemplo de un sistema de control distribuido

Dentro de los esfuerzos de investigacin dedicados a la resolucin del problema de

control, y teniendo en cuenta el desarrollo de los procesadores digitales

(microprocesadores y micro controladores) por un lado y el rpido avance en los

procesos industriales por otro, se ha llegado a las siguientes conclusiones generales:

a) Descartar el empleo de un nico controlador (control DDC) por el inconveniente

de la seguridad y sustituirlo por varios controladores digitales capaces de


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controlar individualmente un cierto nmero de variables, para as distribuir, el

riesgo del control nico.

b) La velocidad en la adquisicin de datos y su salida hacia los actuadores debe

ser en tiempo real, lo que obliga a utilizar la tecnologa ms avanzada en

procesadores digitales.

c) Para comunicar entre si los transmisores de campo (que suministran datos) los

controladores y las interfaces para la comunicacin con el operador de la

planta se han creado distintos protocolos de comunicacin que se utilizan de

acuerdo al tipo de proceso y al presupuesto del proyecto de control.

d) El panel clsico requerido por el control tradicional, se ve reflejado por una o

varias estacione de monitoreo llamadas HMI (Human Machine Interfaz), en los

cuales, el operador con la ayuda de una computadora, podr examinar las

variables de proceso, las caractersticas de control, las alarmas, etc., sin

perturbar el control de la planta y con la opcin de poder cambiar cualquiera de

las caractersticas de control, en las variables de proceso. La norma de ISA

establece que las pantallas deben ser de pantalla tctil y ahora son lo que

llamamos instrumentacin virtual

e) Para albergar a los controladores, esclavos y fuentes de alimentacin que

actan en el control, se cuenta con los gabinetes de control, estos aslan a los

componentes de cualquier perturbacin que pueda daar al proceso o a los

componentes, as mismo se cuenta con protocolos y normas que rigen su

construccin.

Con la combinacin de las caractersticas anteriores, el Primer Sistema de Control

distribuido para la industria, apareci en noviembre de 1975, bajo el nombre de TDC

2000 y perteneca a Honeywell.

1.3.1 Descripcin y Caractersticas de la Arquitectura y Anillo de Control

De acuerdo a las necesidades de control en un proceso, la arquitectura de un DCS,

es bsicamente como la que se muestra en la figura 1.6, en donde un rea es la parte

operativa y otra es la parte de control


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En la parte operativa (Control y Administracin de la Planta) tenemos los dispositivos

de hardware y software que brindan la informacin necesaria para llevar acabo las

operaciones de la planta, con una interfase entendible para el operador.

Fig. 1.6 Arquitectura tpica de un sistema de control distribuido

En la parte de control (Control y Mantenimiento del rea) encontramos a los

dispositivos de control (microprocesadores, sensores, actuadores, PLCs que permiten

el proceso se lleve acabo.

Combinando los conceptos de lazo de control y comunicaciones industriales, un

sistema de control distribuido (DCS) consta de uno o ms niveles de control, los

cuales, estn vinculados con el fin de ejecutar conjuntamente tareas complejas con un

mximo de efectividad y una elevada optimizacin en el uso de recursos.

En los niveles inferiores de un control distribuido estarn aquellos elementos que estn

en contacto con el proceso, y por tanto, ajustados a los parmetros y variables que el

proceso suministra y que el DCS debe controlar. En los niveles superiores


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encontramos a los elementos encargados de controlar y ajustar el proceso, as como

los sistemas de comunicacin entre el proceso y el operador.

Siguiendo esta estructura, podemos dividir la arquitectura de un DCS en los 4 niveles

que mostramos a continuacin. Cada nivel est diseado de forma tal que optimiza las

prestaciones al proceso y asegura la integridad de la informacin procesada.

Fig. 1.7 Niveles, conexiones y elementos que intervienen en un sistema de control distribuido

1. Direccin de la Produccin (Sistemas de Comunicacin e interfase con el

Operador)

2. Mando de Grupos (Controladores maestros, PLC)

3. Control y Regulacin (Mdulos o Controladores Esclavos)

4. Planta o Proceso (Dispositivos de campo)


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NIVEL 1

En este nivel y a travs de una red informtica de comunicacin se realiza el

intercambio de informacin entre los nodos del sistema de control que cumplen con las

diferentes funciones a realizar:

- Nodos donde se encuentran las estrategias de control (Unidad Controladora

del Proceso).

- Nodos de interfase con el operador (Sistema de Interfase con el Operador)

- Nodos de oficina tcnica para configuracin y mantenimiento del sistema

(Estacin de Ingeniera) Nodo de sistemas de terceros

Por ltimo, es necesario destacar que el sistema de comunicaciones deber estar

basado en el modelo de comunicaciones ISO-OSI, con especial nfasis en la

integridad de datos.

NIVEL 2

Suele denominarse generalmente de control y regulacin. En este nivel se encuentra

la interfase de operaciones de cada uno de los procesos controlados.

El sistema debe de contar con una gran variedad de mdulos inteligentes, utilizados

para implementar las estrategias de control. Los mdulos pueden ser programados en

diferentes lenguajes tales como bloques de funciones, lenguaje C, Basic, y otros

desarrollados especialmente para aplicaciones particulares.

La mayora de sistemas de control distribuido tienen la posibilidad de realizar

configuraciones redundantes, con lo cual se aumenta la confiabilidad del sistema.

NIVEL 3

Los mdulos esclavos realizan las tareas de conversin analgica/digital y

acondicionamiento de seales, poniendo las mismas a disposicin del nivel superior.

NIVEL 4

Los dispositivos de campo, o tambin llamados dispositivos de control primario son

los encargados directamente de monitorear al proceso y estos debern de mantener

comunicacin con los mdulos esclavos encargados de procesar la informacin para


18

los controladores. La comunicacin entre ellos tambin debe de responder a

estndares y normas ya establecidos para este tipo de dispositivos.

Entre los dispositivos de control ms comunes que se manejan se encuentran

los Termmetro bimetlicos, o termopares, las resistencias termodinmicas, etc., para

medir temperatura. Se cuentan con sensores electrnicos, diafragmas, manmetros,

entre otros, para medir presin. Bombas dosificadoras, Tubos venturi, Placas de

Orificio, etc., para medir flujo.

Estas son consideraciones, que debern de tomarse en cuenta para la planeacin e

implementacin de la arquitectura del gabinete. Bajo estos conceptos entonces se

sabr que instrumentos se colocan y en donde, tipo de fuente, bus de datos, etc.


19

2 SISTEMAS DE COMUNICACIN EN UN DCS OBJETIVO: En la actualidad el diseo de cualquier sistema de control se hace tomando en cuenta los protocolos de comunicacin que se utilizaran en el proceso,

pues estos tambin aaden costos y materiales extras al proyecto. En el presente

capitulo se presentan los protocolos ms utilizados en el diseo de control de procesos

industriales

2.1 Comunicacin entre los Diferentes Niveles de un Sistema de Control Distribuido

Como se ha podido ver a lo largo de los puntos desarrollados hasta aqu, los sistemas

de control distribuido (DCS) dependen de la comunicacin entre los diferentes equipos

y dispositivos, situados en muchos casos en diferentes niveles de control. Cualquier

nivel superior a los esclavos debe ser capaz de interrogar y dirigir dispositivos de

niveles inferiores y comunicarse eficazmente con dispositivos situados al mismo nivel

o superior. Con todo ello, lo que se pretende es dar la certeza de que todos los

componentes de un DCS estn conectados sobre una nica va de comunicacin

aunque en la realidad se haga uso de puertas de enlace a la red (gateways) que

comunican los distintos niveles y elementos.

Un sistema de control distribuido no tiene por que constar siempre de una estructura

de cuatro niveles, como se comento anteriormente, ya que su complejidad depender,

esencialmente, de los procesos a controlar y de la complejidad de estos. El utilizar una

o varias rutas de datos (redes de comunicacin industrial) estar condicionado por los

aspectos comentados anteriormente y por cuestiones como la antigedad de los

equipos que deben coexistir, mbito de cobertura del DCS, grado de automatizacin

de la planta, etc. En todo caso, no debemos olvidar las ventajas de comunicar todos

estos equipos en lo que constituye un DCS y que son, esencialmente, las siguientes:

A) Posibilidad de intercambio de informacin entre equipos y mdulos

electrnicos que controlan fases sucesivas de un mismo proceso global.

B) Facilidad de comunicacin hombre-mquina, a base de terminales

inteligentes (PCs) que permiten programar u observar el proceso en trminos de

lenguaje muy prximo al humano. El sistema admite la observacin y la intervencin


20

del operador humano en forma interactiva a travs de una terminal con teclado y

monitor de pantalla tctil.

C) Adquisicin de datos de sensores y procesamiento de los mismos con

vistas al control de calidad, gestin, estadstica u otros propsitos.

D) Facilidad de cambios, o lo que es lo mismo, flexibilidad en las reas de

fabricacin para adaptarse a la evolucin y a la diversificacin de los productos. Como

ejemplo tpico basta pensar en la industria del automvil, sometida a una continua

evolucin de modelos y variantes.

E) Posibilidad de utilizar lenguajes de alto nivel, que permitan tratar bajo un

mismo entorno todas y cada una de las reas automatizadas, desde la fase de diseo

hasta la fase de explotacin y gestin.

La clave para llegar a obtener todas estas ventajas est en un sistema de

comunicacin poderoso, robusto, y a la vez flexible, que permita integrar en l

dispositivos de cualquier fabricante, siempre que cumpla con alguno de los estndares

abiertos. Aparte de los sistemas de comunicacin especficamente industriales, las

redes de rea local tienen mucho que decir en ste sentido.

2.1.2 Redes de rea Local en Aplicaciones Industriales

En cualquier sistema de automatizacin es necesario un intercambio de datos, la

mayora de las veces este intercambio debe realizarse entre dispositivos de diferentes

fabricantes o de diferente fabricacin por tecnologa.

La tendencia actual de la fabricacin de DCS se encamina hacia una integracin de tal

forma que, en ningn momento, los equipos que la componen sean considerados

como aislados, si no que todos estn capacitados para poder realizar un intercambio

de informacin de tal forma que se pueda realizar un anlisis estadstico de

produccin, horas de funcionamiento de cada una de las mquinas, realizacin de

mantenimientos preventivos, etc. Dicho de otra forma, hoy en da todo sistema de

control por pequeo que sea contiene como elemento adicional una PC o un monitor

en el que es posible observar todos los datos antes mencionados.

Si el nmero de elementos que forman la planta no es muy elevado, probablemente no

sea aconsejable recurrir a una estructura de niveles, y simplemente con una sola va o


21

nivel de jerarqua de comunicacin sea suficiente para conseguir ptimos resultados;

pero si hablamos de sistemas ms complejos y por tanto de plantas extensas, la

tendencia de comunicacin vendrn dada por un sistema de niveles de control.

Pues bien, la redes de rea local industriales (LAN Local rea Network), intentan que

la comunicacin entre todos los niveles sea completa, es decir, que los niveles ms

altos puedan saber en todo momento que es lo que estn realizando los niveles ms

bajos, y en caso necesario poder dar rdenes hacia ellos. Para ello es necesaria una

red nica que recorra todos los niveles implicados.

En la figura 2.1 se muestra la solucin dada en este sentido por la empresa alemana

Siemens mediante su red Ethernet TCP/IP desarrollada para facilitar la interconexin

tanto de equipos propios como de otros fabricantes dentro de los niveles superiores de

un DCS.

Aunque importante, la solucin para las comunicaciones de Siemens no es la nica,

existiendo otras que estn funcionando en plantas tanto desde el punto de vista

productivo como tecnolgico, por lo que tienen su propio sitio en las comunicaciones

industriales. Tal es el caso del protocolo MAP (Manufacturing Automation Protocol).

Este protocolo para la automatizacin, persigue como Ethernet Industrial, la

uniformidad de las comunicaciones en el mximo nmero de niveles posibles.


22

Fig. 2.1 Estructura de comunicaciones entre los niveles de un DCS propuesta por

SIEMENS.

El MAP fue un primer intento de estandarizacin a nivel global impulsado por General

Motors y que a la larga se convirti en un modelo que han ido adoptando mltiples

fabricantes de equipos de control y automatizacin.

El MAP es un protocolo pensado para redes ms o menos grandes, pero sobre todo

usando redes LAN, por lo que resulta excesivamente caro y complejo para

aplicaciones pequeas.

2.1.3 Ethernet TCP/IP

Desde el principio, Ethernet ha visto un crecimiento prcticamente exponencial,

ayudado por la popularizacin de Internet. La necesidad de un protocolo comn al que

pudiera acceder todo el mundo ha sido un importante impulsor, y podemos afirmar que

Ethernet es actualmente la principal tecnologa que sostiene la era moderna de la

informacin.


23

Ethernet TCP/IP se encuentra dentro de los estndares de la IEEE (Instituto de Ingenieros de Electricidad y Electrnica) como la especificacin 802.3.

En el estndar IEEE, los dispositivos de red se definen como equipos terminales de

datos (DTE). Cada terminal de datos conectado a la red Ethernet debe de estar

equipado con una interfaz de red que permita una conexin con el canal de

comunicacin. Esta terminal contiene los componentes electrnicos y el software

necesario para realizar las funciones necesarias para enviar una trama Ethernet a

travs de la red.

Una de las ventajas principales de Ethernet TCP/IP frente a otras redes es que "es

estndar, y no est basado en estndares. Este sistema utiliza hardware estndar

basado en conmutadores estndar con herramientas de administracin estndar.

Otros protocolos emplean tecnologa estandarizada, pero cuanto ms se baja en la

infraestructura, menos estndar es y ms propiedades exclusivas encontramos.

Gracias a esta arquitectura estndar, Ethernet TCP/IP facilita la combinacin de

controles industriales comerciales, empresariales y en tiempo real en la misma red, y

resuelve problemas con componentes estndar cuando otras soluciones imponen

terminales personalizadas.

El medio de transporte para las seales entre los dispositivos que estn conectados es

el cable par trenzado y la fibra ptica dependiendo del tipo de Ethernet al que nos

vamos a conectar. Siendo mediante par trenzado con terminal UTP par Ethernet

10Mbits y fibra ptica con terminal ST o SC para Ethernet de 10Gbits.

Las redes Ethernet deben ser conectadas en topologa de estrella para dar mayor

seguridad al manejo de la informacin y no haya prdida de informacin si falla alguno

de los dispositivos que estn conectados a la red.

2.2 Entradas y Salidas de un Bus de Campo

Las redes LAN resultan un sistema excesivamente complejo y caro para los elementos

de los niveles inferiores, cuyas comunicaciones se centran, en la mayora de los casos

en pequeas tramas o incluso a nivel de bits. Por tanto, para este tipo de elementos se

requiere una red de nivel inferior, con protocolo gil, cableado fcil y barato que


24

permita enlazar perifricos de bajo nivel a un controlador maestro. Este, a su vez,

puede disponer de un interfaz de enlace con una red LAN. Esta red local de nivel

inferior se denomina Bus de Campo (FieldBus).

El bus de campo constituye el nivel ms simple y prximo al proceso dentro de la

estructura de comunicaciones industriales. Est basado en procesadores simples y

utiliza un protocolo mnimo para gestionar el enlace entre ellos. Como veremos a

continuacin, este ltimo hecho no le resta la fiabilidad y posibilidades de expansin

necesarias a este nivel, pues de hecho, los buses propuestos ms recientemente

contemplan la posible integracin del bus a una estructura de comunicaciones

jerrquicamente superior y ms potente, tal como se requiere en los sistemas de

control distribuido.

Con la aparicin de los buses de campo el esquema se simplifica considerablemente y

el aadir un nuevo elemento de campo tan slo supone efectuar una simple conexin

a dicho bus, que normalmente estar prximo al citado elemento. Esto puede

observarse en la figura 2.2.

Fig. 2.2 Topologa de un bus de campo (Nivel de Planta o Proceso)

El bus de campo aporta a la estructura de comunicaciones de cualquier sistema de

control un amplio conjunto de ventajas:


25

* Reparto de la capacidad de proceso a nivel de planta, facilitando la

comunicacin de datos entre dispositivos de elevada funcionalidad (PLCs,

controladores, etc.)

* Un sistema digital de transmisin de seal que incrementa la seguridad y

confiabilidad ante pequeas seales procedentes de transductores y que estn

sometidas al ruido elctrico tpico de los ambientes industriales.

* Una interfase que unifica la heterogeneidad de dispositivos, bien por su

naturaleza, bien por su procedencia. Una especificacin (estndar) de bus soportada

por distintos fabricantes, permitir la interconexin de sus equipos.

A las ventajas anteriores se pueden aadir otras que resultarn ms o menos

tangibles para el usuario, pero que si el bus de campo es seleccionado correctamente

para adecuarse a la aplicacin, se manifestarn siempre de forma positiva, tanto en

trminos productivos como de costos:

* Reduccin de la complejidad del sistema de control en trminos de

necesidades de hardware, ya que el nmero de controladores lgicos, PLCs, mdulos

de E/S, etc. se ver reducido, por lo que el rea requerida para el montaje del

hardware ser menor.

* Instalacin y mantenimiento. Al reducirse los requerimientos de hardware

tambin se reducen los costos y tiempos de instalacin, mantenimiento y mano de

obra. Afrontar nuevas instalaciones es mucho ms rpido, sencillo y seguro, as como

las tareas de diagnstico y verificacin de errores de conexin.

* Proyecto y diseo. Como consecuencia de la disminucin de la complejidad

del sistema de control, el proyecto y diseo resulta mucho ms sencillo, rpido y

barato, reducindose drsticamente el nmero de elementos que aparecen en los

diagramas y esquemas: instrumentos, cajas de conexin y terminales, cableados, etc.

* Posteriores modificaciones, ampliaciones y rediseos se llevan a cabo con

mayor facilidad y economa.

* La seleccin de un bus de extendido reconocimiento y aceptacin, permite

intercambiar equipos de planta entre dispositivos de diferentes fabricantes, sin

necesidad de conocer cuestiones tcnicas de bajo nivel, sobre todo referentes a

conexin y compatibilidad.


26

* Los tiempos de mantenimiento y prdidas de produccin son reducidos,

debido a la existencia de procedimientos y herramientas de alto nivel para diagnstico

y bsqueda de errores.

2.2.1 Field Bus: Definicin y Caractersticas Generales

El field bus (en ingls) es la suma de un protocolo y una tecnologa de comunicacin

cuyo resultado es una red industrial de carcter digital y que transporta informacin. El

protocolo, la corta longitud de los datos y la velocidad de transmisin que alcanza

(1Mbit/s) le hace ideal para comunicar dispositivos y equipos de campo en tiempo real.

As, inicialmente era utilizado como medio de comunicacin entre sensores,

actuadores, controladores digitales bsicos y PLCs de clase baja; pero debido a la

mejora en la velocidad de transmisin y la mnima tasa de errores, el bus de campo

ha pasado a ser considerado como una red local en los entornos de planta, por lo que

suele verse haciendo funciones que antes correspondan exclusivamente a las redes

LAN.

Dando por hecho que un bus de campo aporta a las comunicaciones industriales todo

lo anteriormente citado, se le debe exigir, adems:

- Interconectividad: equipos de diferentes fabricantes pueden ser conectados

fsicamente a un mismo bus.

- Interoperabilidad: posibilidad de intercambiar con xito informacin entre

equipos de diferentes fabricantes.

- Intercambiabilidad: equipos de cualquier fabricante pueden ser reemplazados

por equipos funcionalmente equivalentes de otros fabricantes.

El mejor aval para que un bus de campo cumpla con los requisitos anteriores ser

respetar la estructura de niveles OSI (Open Systems Interconnection)

Hasta el momento han sido varios los intentos de crear un estndar para el bus de

campo, pretendiendo siempre conseguir un enlace multipunto entre elementos cuya

principal finalidad son las tareas de control y que suelen tener una capacidad de

comunicacin limitada, por lo cual no permiten implementar un protocolo al estilo de


27

las grandes redes. Todo ello no debe suponer una prdida importante de velocidad, ni

tampoco un incremento de precio y complejidad no justificables.

Las caractersticas generales ms comunes de los buses de campo son las siguientes:

- Los estndares de comunicacin a nivel de bus de campo suelen cubrir slo

una parte del modelo OSI, concretamente los niveles 1 (fsico), 2 (enlace) y en algunos

casos el 7 (aplicacin). El resto de niveles no son imprescindibles para una red de tipo

muy local, donde los medios de conexin son de uso exclusivo y la estructura lgica es

nica. Slo algunas funciones que se podran considerar propias de los niveles 3 (red)

y 5 (sesin) se aaden a los niveles 2 y 7 para enlazarlos entre s. (Figura 2.3).

Fig. 2.3 Fieldbus segn el modelo de niveles o capas ISO/OSI

En general, las especificaciones de un determinado bus admiten ms de un tipo de

conexin fsica de entre las normalizadas.

Lo que realmente define el tipo de bus y le da nombre, son los dos grupos en que se

dividen las tareas asignadas al nivel de enlace de datos del modelo OSI (nivel 2): MAC

(Control de Acceso al Medio) y LLC (Control de Enlace Lgico). Dicho protocolo suele

incluir tambin un soporte, ms o menos rudimentario, para la capa o nivel de

NIVEL 7

APLICACIN

Funciones y Libreras estndar

Microprocesador/Microcontrolador

NIVELES 3-6

NIVEL 2

LLC: Control de Enlace Lgico

MAC: Control de Acceso al Medio

NIVEL 1

FSICO

Tipos de conectores, Niveles de

tensin, medios de transmisin

etc.


28

aplicacin (7), que consiste en la definicin de una serie de funciones y servicios de la

red mediante cdigos de operacin estndar.

El nivel de aplicacin (7), dirigido al usuario, suele ser propio de cada fabricante,

apoyndose en las funciones estndar antes mencionadas para crear programas de

gestin y presentacin casi siempre dedicados a una gama especfica de productos. A

lo sumo, el software de aplicacin es abierto y permite la programacin en un lenguaje

estndar para que cada usuario pueda configurar el nivel de presentacin a su

conveniencia, basndose en libreras estndar.

En la mayor parte de los buses de campo, el protocolo est previsto para gestionar

una red con estructura lgica de tipo maestro-esclavo, donde el control de la red lo

tiene siempre el maestro.

Poseen mecanismos de control de errores muy optimizados y redundancia para evitar

fallos que dejen al bus fuera de servicio.

2.2.2 Modelo OSI/ISO

En el modelo OSI se consideran siete niveles, en cada uno de ellos se procesan

unidades de informacin denominadas PDU (Unidad de datos de protocolo). En los

procesadores emisores las PDU se transmiten del nivel superior al inferior, y en cada

uno de ellos se aade informacin de control. En los procesadores receptores la

informacin se procesa desde el nivel inferior, comprobando y eliminando en cada

nivel las terminales de cada PDU correspondiente a dicho nivel.

Las funciones de cada nivel son:

Nivel 7: Capa de Aplicacin. Dos procesadores se intercomunican a travs de

procesos, correspondiente a unas determinadas aplicaciones. El intercambio

de informacin entre dos procesos se efecta por medio de algn protocolo de

la capa de aplicacin. Algunos protocolos de la capa de aplicacin son:


29

TELNET: Es una aplicacin que permite desde nuestro sitio y con el teclado y la pantalla del procesador, conectarnos a otro procesador remoto a travs de

la red.

FTP: Es una herramienta que te permite, a travs de la red, copiar ficheros de un procesador a otro.

SMTP: Es un servicio de correo a travs de servidores, usando un protocolo estndar para enviar y para recibir el correo.

POP3: Protocolo POP (Protocolo de oficina de correos), permite recoger el correo electrnico en un servidor remoto.

DNS: El servicio permite, una vez configurado, que tu web y tu correo electrnico sean localizados desde cualquier lugar del mundo mediante tu

nombre de dominio.

RTP: (Real-Time Transfer Protocol) se utiliza para encapsular VoIP paquetes de datos dentro de paquetes UDP.

HTTP: Protocolo de Transmisin Hipertexto. Protocolo de comunicaciones utilizado por los programas clientes y servidores de WWW para comunicarse

entre s.

Nivel 6: Capa de presentacin. Trata de homogeneizar los formatos de representacin de los datos entre equipos de la red.

Para homogeneizar la representacin de datos (Textos, Sonidos, imgenes,

valores numricos, instrucciones), la capa de presentacin interpreta las

estructuras de las informaciones intercambiadas por los procesos de la

aplicacin y las transforma convenientemente.

Puede realizar transformaciones para conseguir mayor eficacia en la red

(compresin de texto y cifrado de seguridad). Los programas del nivel 6 suelen

incluirse en el propio Sistema Operativo.

La representacin de los caracteres como los datos de texto y numricos

dependen del procesador, se representan por cdigos de representacin

EBCDIC, ASCII y UNICODE.


30

CAPA 5: Capa de sesin. Cuando se realiza una transferencia entre dos procesadores se establece una sesin de comunicaciones entre ambos. La

capa de sesin es responsable de:

Actuar de interfaz entre el usuario y la red, gestionando el establecimiento

de la conexin entre procesos remotos.

Establecer un dialogo entre dos equipos remotos para controlar la forma en

que se intercambian los datos.

Identificar los usuarios de procesos remotos

Cuando se corta la conexin de forma anormal, en la capa de transporte o en

inferiores, la capa de sesin puede encargarse de restablecer la sesin de forma

transparente al usuario.

Su funcin es aumentar la fiabilidad de la comunicacin obtenible por las capas

inferiores, proporcionando el control de la comunicacin entre aplicaciones al

establecer, gestionar y cerrar sesiones o conexiones entre las aplicaciones que se

comunican.

CAPA 4: Capa de Transporte. Se encarga del transporte de la informacin, desde la fuente al destino, a travs de la red.

Los accesos a la capa de transporte se efectan a travs de puertos. EL

objetivo es realizar un servicio de transporte eficiente entre procesos o usuarios

finales. Para dicho fin, toma los mensajes del nivel de sesin, los distribuye en

pequeas unidades (Segmentos) y los pasa a la red. Los protocolos de la capa

de transporte se aseguran que todos los segmentos lleguen de forma correcta

a su destino, para lo cual realizan deteccin y correccin de errores, adems

de controlar el flujo y la secuenciacin. Otras funcionalidades es optimizar el

transporte, realizando multiplexaciones de varios mensajes en un segmento

para abaratar costos.


31

CAPA 3: Capa de la Red.

Se encarga de Fragmentar los segmentos que se transmiten entre dos

equipos de datos en unidades denominadas paquetes. En el procesador

receptor se efecta el proceso inverso: los paquetes se ensamblan en

segmentos.

Realizar el enrutamiento de los paquetes. Se encargar de realizar

algoritmos eficientes para la eleccin de la ruta ms adecuada en cada

momento, para reexpedir los paquetes en cada uno de los nodos de la

red que deba atravesar.

Prevenir la produccin de bloqueos as como la congestin en los nodos

de la red de transporte que pudiesen producirse en horas pico por la

llegada de paquetes en forma masiva.

CAPA 2: Capa de enlace de datos. Descompone los mensajes que recibe del nivel superior en tramas o bloques de informacin, en las que aade una

terminal de control e informacin redundante para control de errores. La

terminal de control suele contener informacin de direcciones de origen y

destino, ruta que va a seguir la trama, etc. Tambin se encarga de transmitir

sin error las tramas entre cada enlace que conecte directamente dos puntos

fsicos (nodos) adyacentes de la red, y desconectar el enlace de datos sin

prdidas de informacin.

CAPA 1: Capa Fsica. Es donde se especifican los parmetros mecnicos (grosor de los cables, tipo de conectores), elctricos (temporizador de las

seales, niveles de tensin) de las conexiones fsicas.

Las unidades de informacin que considera son bits, y trata de la transmisin

de cadenas de bits en el canal de comunicacin (pares trenzados de cobre,

cable coaxial, radio, infrarrojos, Wifi, fibra ptica), si el emisor enva un 0, al

receptor debe de llegar un 0.


32

2.2.3 Clasificacin de Field bus

Al ser el control de procesos industriales un mercado que genera unas grandes

expectativas econmicas, todos los fabricantes de equipos para este sector intentan

acaparar una parte de dicho mercado para, posteriormente, intentar mantenerlo e

incrementarlo por (casi) cualquier medio. Precisamente una de las formas de evitar la

prdida de clientes es creando un sistema de comunicaciones propio en el entorno

industrial, optimizado perfectamente para sus equipos y prestando unos servicios

excelentes: confiable, rendimiento, etc. Todo lo anterior nos sita ante un mercado con

ms de cien buses de campo, prcticamente incompatibles unos con otros, lo cual ha

llevado a plantear la necesidad de crear un bus de campo estndar o normalizado.

Para ello, un primer paso importante es clasificar los buses de campo en propietarios y

abiertos.

Los buses de campo propietarios reciben este nombre por ser propiedad intelectual de

una compaa particular, por lo cual no se puede hacer mucho con ellos a no ser que

se adquiera una licencia, las cuales son controladas a discrecin del propietario,

sometidas a restricciones de uso y a elevados pagos de derechos.

Los buses de campo abiertos se caracterizan por seguir criterios opuestos a los

anteriores:

- Sus especificaciones completas deben estar publicadas y disponibles a

precios razonables para cualquiera que desee adquirirlas.

- Sus componentes crticos deben estar disponibles en las mismas condiciones.

- Los procedimientos de validacin y homologacin deben estar bien definidos

y abiertos a cualquiera.

Todo ello se traduce en un bus de campo que cualquiera puede utilizarlo o desarrollar

productos basados en l, a un costo y esfuerzo razonable.

Esta primera clasificacin de los buses de campo se ha tenido en cuenta por todos

aquellos organismos que han realizado alguna vez el intento de crear un estndar. El

ms serio de estos intentos de normalizacin, por parte de un organismo internacional

de reconocido prestigio, ha sido el emprendido por el IEC (Comit Electrotcnico

Internacional), cuyo comit TC65C-WG6 ha definido unas reglas con un marco


33

bastante genricas, constituyendo esto un punto de partida importante para acercarse

al tan deseado estndar.

Las condiciones fijadas como marco por el IEC son las siguientes:

1.- Nivel fsico. Bus serie controlado por un maestro.

2.- Velocidades. Dos alternativas: 1 Mbit/s para distancias cortas o valores

inferiores, entre 250 Kbits/s a 64 Kbits/s, para distancias largas.

3.- Longitudes. Dos alternativas: 40 m para la mxima velocidad y 350 m para

velocidades ms bajas.

4.- Nmero de perifricos. Mximo de 30 nodos, con posibles derivaciones,

hasta un mximo de 60 elementos.

5.- Tipo de cable. Pares de cables trenzados y pantalla (tipo de blindaje del

cable).

6.- Conectores. Bornes de tipo industrial o conectores tipo DB9

7.- Conexin/desconexin on line. La conexin y/o desconexin de algn

nodo o derivacin no debe interferir el trfico de datos.

8.- Topologa. Bus fsico con posibles derivaciones hacia los nodos o

perifricos.

9.- Longitud de derivaciones. Mxima longitud de las derivaciones de 10 m.

10.- Aislamientos. 500 VAC permanentes entre elementos de campo y bus.

Tensin de prueba 1500 VAC./1 min.

11.- Seguridad intrnseca. Opcin a conectar elementos de campo con

tensiones reducidas para atmsferas explosivas, evitado as daos a los dispositivos

de la red, ya sea por interferencias, temperaturas y tensiones superiores a las que

pueda soportar el dispositivo, etc.

12.- Alimentacin. Opcin de alimentar los elementos de campo a travs del

bus.

13.- Longitud de mensajes. Mnimo 16 bytes por mensaje

14.- Transmisin de mensajes. Posibilidad de dialogo entre cualquier par de

nodos sin repetidor. Esto no excluye, sin embargo, la posibilidad de que la

comunicacin se haga a travs de un maestro ni tampoco excluye el empleo de

repetidores transparentes para incrementar las distancias de transmisin.

15.- Maestro flotante. Posibilidad de maestro flotante entre diversos nodos.


34

16.- Implementacin de protocolo. Los circuitos integrados que implementen el

protocolo (tranceivers o transceptores) deben estar disponibles comercialmente y ser

de dominio pblico (no protegidos por patentes de exclusividad).

Se puede observar que las especificaciones son bastante detalladas a nivel fsico,

pero deja muy abierto los niveles de enlace y aplicacin (no se especifica la trama del

mensaje ni las funciones disponibles), con lo cual y desde el punto de vista del

usuario, es probable que dos nodos que cumplan las recomendaciones marco del IEC

no puedan siquiera intercambiar caracteres entre s y casi seguro que no sern

capaces de intercambiar informacin, a menos que la estacin maestra ejerza las

funciones de pasarela. Esto es algo parecido a lo que ocurre con los canales RS-232

que se intercambian bits a nivel fsico, pero que son incapaces cada uno de interpretar

los mensajes del otro.

2.2.3.1 Field bus en el Mercado

A continuacin se presenta una breve descripcin de los buses de campo ms

representativos, ya sea por su volumen de implementacin o bien por sus

caractersticas y usos particulares.

A) PROFIBUS: Profibus (PROcess FIeld BUS) fue un proyecto conjunto financiado

por el Ministerio Federal de Investigacin y Tecnologa de Alemania en el que

participaron 18 empresas alemanas para especificar, desarrollar y probar un nuevo

bus de campo digital para instrumentos y dispositivos de control en el nivel ms bajo

de la jerarqua de automatizacin y control. Sin embargo, hoy en da Profibus es un

modelo de comunicacin industrial de carcter internacional, estando presente en

multitud de plantas distribuidas por todo el mundo. Por ello se hace necesario una

gestin eficaz y rigurosa de todo lo referente a este bus de campo. Sin duda alguna, la

entidad que ms peso tiene para el desarrollo de ste estndar de comunicacin es

Profibus Internacional, que rene a todas las asociaciones de usuarios de Profibus y

ha establecido una certificacin cualificada de los sistemas y equipos mediante un test

de interoperatividad. (interconectividad + interoperabilidad + intercambiabilidad).

Todo producto certificado aparece en la gua de productos Profibus con su nmero de

certificado.


35

En los datos tcnicos podemos observar la versatilidad de Profibus y el abanico de

posibilidades que cubre para adaptarse a las necesidades de la comunicacin

industrial. Fig. 2.4 Anillo de control, para profibus

Datos tcnicos de Profibus

Estndar: PROFIBUS segn EN 50 170

Mtodo de acceso:

Velocidad de Transmisin: 9.6 Kbits/s-12 Mbits/s

Medio de transmisin Elctrico: Cable de 2 hilos (Coaxial).

ptico: Cables de fibra ptica (Cristal y plstico).

Sin hilos: Infrarojo.

Mximo No. De Nodos: 127

Tamao de la Red: Elctrica: Mx 9.6 Km (depende de la velocidad).

ptica: 150 Km (depende de la velocidad)

Topologas: Bus, rbol, estrella, anillo, anillo redundante

Aplicaciones: Comunicacin de proceso, campo o datos

Distancia ampliable entre repetidores hasta 10km (para el cable).

En el mtodo de acceso podemos distinguir entre dos casos: en el primero, mediante

derivaciones especiales (testigos) en el bus, las estaciones tipo master se van

pasando el turno de ocupacin de ste, por lo que entre ellas se forma un anillo lgico,

ya que fsicamente la topologa es siempre en bus. El segundo caso es cuando una


36

estacin principal o master se hace con el bus. Durante este tiempo, se encargar de

consultar a sus estaciones esclavas a la mxima velocidad posible.

Perfiles de Profibus

Profibus nos ofrece tres perfiles, cada uno de ellos adaptado a unas necesidades

concretas de comunicacin en la planta. As, tenemos:

Para tareas universales de comunicacin: Profibus-FMS:

- Comunicaciones Multimaster

- Amplia gama de comunicaciones

Para intercambio de datos rpido y cclico: Profibus-DP

- Plug & Play

- Eficiente y rentable

Para automatizacin de procesos en reas con riesgo de explosin: Profibus-

PA

- Alimentacin va bus

- Seguridad intrnseca

B) HART: El protocolo o bus de campo Hart (Highway addressable Remote

Transducer) nace con la idea de hacer compatibles modelos tradicionales en la

comunicacin de campo (4@20mA) con modelos mas actualizados que permitan llevar

a cabo control distribuido de los procesos, es decir buses de campo. As, aun sabiendo

que estos ofrecen las mximas perspectivas en el futuro, los usuarios de numerosas

plantas que todava utilizan seales anlogas de 4@ 20mA contemplan la posibilidad

de grandes cambios estructurales.

Ante esta situacin y sin perder de vista los avances en el control distribuido a nivel de

campo, los usuarios se preguntan cmo podran aprovechar las ventajas de la

comunicacin digital (en bus de campo) sin renunciar al modelo analgico. La

respuesta la dio en su momento una empresa francesa Rosemount (1986) con el

protocolo Hart. Este es un protocolo que permite la utilizacin simultnea e

independiente de la comunicacin digital con la analgica convencional, sustituyendo

los instrumentos de medida y control convencionales por los inteligentes tipo Hart.


37

De este modo se obtienen importantes beneficios:

- Se mantienen las estrategias de control actuales y los lazos de control

convencionales (generalmente 4-20mA). Esto ltimo permite mantener el cableado

existente.

- La informacin digital adicional transmitida a travs de este protocolo: variables,

medidas, rango del instrumento, informacin del producto, etc., se pueden utilizar

durante las fases de instalacin, calibracin, mantenimiento y operacin.

Fig. 2.5 Permite trabajar con seales analgicas y digitales al mismo tiempo

C) Fieldbus. La organizacin Fieldbus Foundation est formada por 120 de los

principales fabricantes y usuarios finales de la automatizacin y control de procesos

industriales. Trabajando juntas, estas empresas han definido de forma nica una

normalizacin del bus. Pertenecer a Fieldbus Foundation permite acceder a formacin,

herramientas de test, software, noticias sobre nuevas tecnologas y asistencia tcnica,

etc.


38

El protocolo definido por la organizacin Fieldbus Foundation se denomina

FoundationFieldbus, y supone la evolucin tecnolgica hacia la comunicacin digital

en la instrumentacin y en el control de procesos. Se diferencia de cualquier otro

protocolo en que est diseado para aplicaciones de control de procesos y no solo

para transmitir datos en modo digital. Este protocolo es abierto, esto significa que los

fabricantes con certificado Foundation Fieldbus nos proporcionan dispositivos que

podrn funcionar junto con dispositivos de otros fabricantes tambin certificados. Esta

flexibilidad en la eleccin del proveedor, en un mismo sistema, sin la perdida de la ms

mnima funcionalidad es una ventaja para todos los usuarios.

Implementacin de la tecnologa fielbus

Foundation Fieldbus (FF) es un sistema de comunicacin totalmente digital, serie,

bidireccional, que interconecta los equipos de planta como sensores, actuadores y

controladores.

Fieldbus es una Red de rea local (LAN) para elementos usados en automatizacin de

la produccin con la capacidad incorporada de distribuir el control a travs de la red

Los dispositivos FF se conectan a la red mediante segmentos H1 que presentan las

siguientes caractersticas:

- Interconexin de hasta 32 dispositivos utilizando un nico par de hilos.

- Alimentacin de los dispositivos a travs del propio segmento.

- Utilizacin de cableado ya existente en planta.

- Disponer de la aplicacin de control en los dispositivos de campo.

Los segmentos H1 se han optimizado para cumplir con los requerimientos anteriores,

por ello trabajan a una velocidad moderada. Los dispositivos tambin pueden

conectarse a travs de Fibra ptica a los segmentos H1 y se puede convertir cable a

FO en cualquier punto del segmento H1. La nica consideracin es que la FO no

permite alimentacin en el propio bus del segmento.

Por tanto una red Fieldbus estar compuesta de mltiples segmentos H1 unidos por

puentes y uno o varios segmentos H2 redundantes tal y como se puede observar en la

figura 2.6


39

Los segmentos H2 se han optimizado para concentrar comunicaciones de una gran

cantidad de dispositivos y para la conexin de gran cantidad de seales de I/O

sencillas a travs de mdulos mltiples de E/S.

Los segmentos H2 utilizan el estndar ampliamente difundido Ethernet de alta

velocidad o HSE (High Speed Ethernet) en configuracin redundante. Estos

segmentos trabajan a 100 Mbit/s con un conexionado de pares de cables trenzados y

apantallados (STP) o mediante Fibra ptica.

Fig. 2.6 Arquitectura de red de Fundation FieldBus

Los protocolos de comunicacin son utilizados en los diseos de control de procesos

as como en los gabinetes de control, pues es en los planos de los gabinetes en donde

se mostrar que dispositivos trabajan bajo que protocolo, y por tanto se sabr el tipo

de conexin a usar.


40

3 PLANTEAMIENTO OBJETIVO: Disear un gabinete de control para un proceso de control distribuido.

Hasta el momento se ha hecho una explicacin generalizada de los distintos tipos de

sistemas de control que son utilizados en los procesos industriales, as como los

protocolos de comunicacin ms utilizados en el mbito industrial.

La existencia de los diferentes tipos de control se debe a que los procesos industriales

son tan variados dependiendo de su objetivo, tamao, y variables a controlar durante

el proceso.

Y la existencia de los protocolos se debe a que es la forma de estandarizar algunos

aspectos del proceso, de forma tal, que aunque sean diferentes fabricantes los

encargados de realizar el proceso de control, existan normas que establezcan las

pautas que se deben de seguir para llevar a cabo los procesos, ya sean de

comunicacin o de alguna otra ndole.

Econmicamente hablando, algunos protocolos solo son compatibles, entre los

productos de un solo fabricante, lo que obliga al cliente a que todo el equipo necesario

para su proceso sea adquirido con una solo empresa.

As pues en este trabajo se pretende realizar el diseo del gabinete de control en un

proceso de control distribuido para una unidad generadora de energa.

Para ello utilizando el programa de Autocad y Autocad Electrical se har el diseo del

arreglo del gabinete en el que se plasmaran los protocolos usados as como el equipo

o hardware que interviene en el proceso de control.

3.1 AUTOCAD Y AUTOCAD ELECTRICAL

Autodesk Autocad es un programa de diseo asistido por computador para dibujos de

2 y 3 dimensiones.


41

Fig.3.1 Autocad Auto desk

Al igual que otros programas de diseo, Autocad gestiona una base de datos de

formas geomtricas que se muestran en una pantalla grafica mediante el editor de

dibujos. La interaccin del usuario se realiza a travs de comandos, de edicin o

dibujo, desde la lnea de comandos, a la que el programa est fundamentalmente

orientado.

Parte del programa AutoCAD est orientado a la produccin de planos, empleando

para ello los recursos tradicionales de grafismo en el dibujo, como color, grosor de

lneas y texturas tramadas. AutoCad, utiliza el concepto de espacio modelo y espacio

papel para separar las fases de diseo y dibujo en 2D y 3D, de las especficas para

obtener planos trazados en papel a su correspondiente escala. La extensin del

archivo de AutoCAD es .dwg, aunque permite exportar en otros formatos (el ms

conocido es el .dxf).


42

Fig 3.2 Ambiente grfico de 2 dimensiones de Autocad

Es por esta razn que para este trabajo se utiliza Autocad, ya que permite trabajar a

escala con el equipo utilizado en el proceso, para de esta forma entregar al cliente los

planos del diseo de los gabinetes de control y sepa en donde y como identificar el

equipo utilizado en el proceso de control.

Otra de las razones para utilizar este programa y no otros, es el costo, ya que algunos

fabricantes de proceso de control, cuentan con su software propio de diseo del

sistema, pero por obvias razones dicho software solo acompaa los productos

utilizados, siendo de esta forma Autocad el programa ms viable para poder mostrar el

diseo realizado.


43

Fig.3.3 Ambiente grafico de Autocad en 3 dimensiones.

AutoCAD Electrical al igual que Autocad, maneja en su mayora, los mismos

comandos e interfaces graficas para el diseo, que maneja Autocad, pero en este caso

se cuentan con herramientas que permiten colocar formas predeterminadas de

componentes elctricos, electrnicos y de procesos industriales, a los cuales se les

puede modificar o adicionar atributos, dependiendo de las necesidades de diseo.


44

Fig.3.4 Autocad electrical.


45

Fig.3.5 Ambiente grfico de Autocad Electrical

3.2 Normas NEMA

Dado que en este trabajo se pretende realizar el diseo de un gabinete de control, es

necesario hacer mencin de las normas Nema.

La National Electrical Manufacturers Association (Asociacin Nacional de Fabricantes

Elctricos es por sus siglas en ingles), una asociacin industrial norteamericana

creada el 1 de septiembre de 1926 tras la fusin de la Associated Manufacturers of

Electrical Supplies (Fabricantes de Suministros Elctricos Asociados) y la Electric

Power Club (Club de Potencia Elctrica). Su sede principal est en Rosslyn, en

Arlington (Virginia), y cuenta con ms de 400 miembros asociados. Este organismo es


46

el responsable de numerosos estndares industriales comunes usados en el campo de

la electricidad. Entre otros, la NEMA ha establecido una amplia gama de estndares

para encapsulados de equipamientos elctricos, publicados como NEMA Standards

Publication 250.

3.2.1 Protecciones NEMA

Dependiendo de la aplicacin industrial a la que va dirigido el gabinete, la NEMA

define diferentes estndares, diseados para cubrir el nivel de proteccin necesario

atendiendo a diferentes condiciones ambientales. Un encapsulamiento NEMA tpico

puede responder a diferentes agentes ambientales tales como agua, polvo, aceites,

refrigerantes, o atmsferas que contengan agentes agresivos como acetileno o

gasolina. En la pgina de Internet www.nema.org puede consultarte una lista completa

de dichos estndares.

En este caso, se har mencin de la norma NEMA utilizada en el momento de colocar

el gabinete a usar para el diseo del mismo, esto es debido a que existen diferentes

componentes elctricos en uso, y que cada uno cumple con ciertos estndares

establecidos por la NEMA, nos concentramos en verificar el Estndar que dar la

proteccin final a todo el equipo concentrado dentro del gabinete.

3.3 Planteamiento del Problema

Se requiere el diseo de un conjunto de gabinetes que albergue a los elementos de

control de entradas y salidas anlogas y digitales que forman parte de un sistema de

control distribuido diseado para el control de una planta de generacin de energa.

El conjunto de gabinetes estar formado por 3 gabinetes de control, a su vez el primer

gabinete, deber contener a los controladores del sistema y a las fuentes de

alimentacin. El segundo y tercer gabinete, contendrn a los mdulos esclavos. El

gabinete deber de ofrecer protecciones contra agua, polvo, aislamiento esttico, y

deber de soportar temperaturas de hasta 75C. El gabinete se colocara en un cuarto

de control de 4m ancho, 2 m de profundidad, 3 m de alto, por lo que las medidas del

gabinete deben de ser pensadas en la dimensin de la habitacin, pues es ah, en

donde en caso de ser necesario se le dara mantenimiento al sistema que contenga el

gabinete


47

Los elementos que se encuentran dentro del gabinete se encargaran de realizar el

control de una turbina-generador y del gobernador de una planta generadora de

energa que est dividida en Turbina-Generador y Gobernador.

El gobernador de encargar del control de velocidad de la turbina-generador

Como este es un problema que est planteando por CFE para una de sus plantas,

ellos estn dando la cantidad y el tipo de seales a controlar, por lo que yo lo que mi

trabajo es proponer el equipo y el diseo del gabinete de control, dejando a un lado el

diseo lgico y la programacin de los equipos, as como los grficos que servirn de

interfaces entre hombre-mquina, debido a que esos son temas que bien merecen ser

tratados aparte debido a su complejidad.

El problema planteado por CFE es construir 3 gabinetes de control que contengan los

elementos necesarios para controlar 120 seales digitales de entrada con proteccin

de corriente limitativa, 40 seales de salida digitales, estas seales van conectadas a

un relevador normalmente abierto cada una, 42 seales analgicas de entrada que

van una resistencia variable o shunt, y 20 seales analgicas de salida.

En el Anexo 1 en la Tabla 1, se muestran los requerimientos de alimentacin y

estndares de las seales.

Una vez propuesta la cantidad de seales a controlar elegimos el equipo que ser

colocado en los gabinetes de control. Para ello tomando en cuenta costo

funcionamiento y conocimiento del equipo propongo lo siguiente:

CONTROLADOR AC800M: El AC 800M puede ser definido como una plataforma de hardware consistente en varias unidades individuales de hardware. El AC 800M puede se programado para

realizar diferentes funciones dependiendo de las especificaciones de la unidad de

configuracin y del sistema operativo seleccionado.


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Fig. 3.6 Sistema de Control AC800M

El controlador AC 800M est formado por:

Unidad de procesador

Interfaces de comunicacin para diferentes protocolos

Fuentes de energa con distintos niveles de voltaje

Unidad de batera de respaldo

Algunos beneficios de este procesador son:

Flexible, el AC 800M puede ser montado segn las necesidades del cliente.

Puede trabajar de forma redundante para mayor confiabilidad.

Cuenta con puertos de comunicacin de Ethernet redundantes.

Puertos de comunicacin RS-232.

Bajo consumo de energa

Conexin flexible, usando entradas y salidas locales o buses de campo

estndar (fieldbus).

Hardware basado en estndares para ptima comunicacin (Ethernet, Profibus

DP).

Soporte para Profibus DP fieldbus.

Soporte para Foundation Fieldbus.

Soporte para Modbus TCP


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Soporte para Dispositivos de campo e instrumentos basados en el protocolo

HART.

Soporte de conexin va Gateway (Ethernet).

DI820 DIGITAL INPUT MODULE, 120V a.c./d.c. El DI820 es un mdulo digital de entrada de 8 canales del sistema S800 de productos

de ABB para sistemas de potencia.

Todos los canales de entrada consisten de elementos de corriente limitativa,

componentes de proteccin EMC, Led indicador de estado de seal de entrada,

barrera ptica de aislamiento.

Los tres estados indicadores del led son: Fault (Rojo), Run (Verde) y Warning

(amarillo) los estados del led y el estatus de los canales de entrada son tomados en

cuenta para la configuracin del equipo.

Canales individuales aislados

Supervisin de voltaje de energa de campo de entrada

Filtrado de seal

Proteccin EMC

Rail para montaje

8 Canales de entrada para 120 V a.c/d.c

Se propone la utilizacin de 16 mdulos DI820.

D0820: DIGITAL OUTPUT MODULE, Relay normalmente abierto.

El DO820 pertenece a la serie S800 de ABB y es un modulo de salidas digitales de

relevador normalmente abierto. El mximo voltaje de salida es de 250 Va.c./d.c. y una

corriente continua de salida mxima de 3 A. Todas las salidas estn aisladas.

Cada canal de salida consiste en una barrera ptica aislada, un Led indicador de

estado de salida, un driver de relevador, un relevador y componentes de proteccin

EMC.


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8 canales de salida para 230 V a.c/d.c Relevador normalmente abierto (NO)

8 canales aislados

Indicadores de status de salida.

Detector de error de salida

Proteccin EMC

Rail de montaje.

Se proponen utilizar 6 mdulos DO820.

AI820: ANALOG INPUT MODULE, 0.4@20mA, 0.2@10V o 2 @10 V d.c. El AI820 es un modulo de entradas anlogas de 8 canales. Cada canal puede ser una

entrada de voltaje o una entrada de corriente.

8 Canales de entrada unipolar para 0.4@20mA, 0.2@10V o 2 @10 V d.c.

1 grupo de 8 canales aislados de tierra.

12 bits de resolucin

Proteccin de entrada por una resistencia de desviacin (shunt),

Proteccin EMC

Rail de montaje.

Se proponen 6 mdulos AI810 para este proyecto.

AO820: Analog Output Module 0.4@20 mA. El AO820 es un mdulo de salidas analgicas encargado de supervisar la

comunicacin de los convertidores digitalesanalgicos (D/A) a travs de la

verificacin de lectura de los datos de retroalimentacin. Los leds son usados para el

diagnostico sobre el funcionamiento del dispositivo.

8 Canales de salida de 0@20 mA, 4@20mA.

Detector de error a la salida

Proteccin EMC

Rail de montaje.

Se proponen 3 mdulos AO820 para este proyecto.

En la figura 3.7 se muestran los dispositivos DI820, DO820, AI820 y AO820


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Fig. 3.7 Mdulos Esclavos del Sistema AC 800M

Es importante mencionar que la interfase de comunicacin denominada cluster, puede

dar soporte hasta 12 mdulos esclavos de forma tal que nuestro arreglo de gabinetes

permitir que si en un futuro son requeridos ms mdulos esclavos dentro del sistema,

estos puedan ser aadidos dentro de nuestro arreglo de gabinetes.

En la figura 3.8 se muestra el orden en que los dispositivos sern colocados dentro del

gabinete de control.


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Fig 3.9 Dispositivos AC 800M


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PHOENIX CONTAC SOURCE: La fuente de alimentacin Phoenix Contac QUIT es seleccionada tomando en cuenta los voltajes de alimentacin de los procesadores y de

los mdulos esclavos utilizados en los gabinetes. En este caso es una fuente de

24VDC @ 20Amp. Con una tensin nominal de entrada de 100...240 V

En la figura 3.8 podemos observar una imagen de este tipo de fuentes.

Fig. 3.9 Fuente de alimentacin Phoenix Contact de 24 V @ 20Amp

3.4 Diseo de los Gabinetes

En el plano 1 se muestra los 3 Gabinetes de control que se van a utilizar, se estn

representando a escala desde la parte exterior. Aqu se ponen los 3 gabinetes de Rittal

con medidas de 600x800x2200 mm con proteccin NEMA 12. Cabe mencionar que

algunos de los dispositivos utilizados vienen en kit, que contienen bases u otros

elementos necesarios para su funcionamiento.

En el plano 2 se puede observar los gabinetes de control vista desde la parte superior

del gabinete, as mismo ah se puede observar algunos de los componentes que se


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van agregando para el correcto funcionamiento del gabinete, como son, la unidad de

aire acondicionado y el puerto de programacin de los mdulos.

Los gabinetes aqu utilizados contienen bases para los montajes de los rieles en los

que se colocarn los mdulos esclavos y controladores.

3.4.1 Gabinete 1. Controlador del Proceso

Este gabinete ser el encargado de albergar a los controladores del proceso. El diseo

se muestra en el plano 3.

Lo que se propone para este gabinete es colocar un par de controladores, que

funcionen de forma redundante, esto es que solo un controlador se encargue del

proceso y que el otro trabaje a manera de respaldo, guardando un respaldo de toda la

informacin que se maneje, as si en algn momento, el controlador principal falla, el

que se encuentra en modo de respaldo, podr retomar el control del proceso sin que

haya una prdida de la informacin. Para asegurarse de que ninguno de los 2

controladores falle, estos realizan pruebas peridicas el uno al otro, comprobando su

funcionamiento

El gabinete controlador del proceso, por ser el gabinete que albergara a las fuentes de

alimentacin, contendr los interruptores automticos (breaker) los procesadores y lo

mdulos de comunicacin, contar tambin con una unidad de aire acondicionado, lo

que permitir evitar un sobre calentamiento y que por tanto dar mayor proteccin a

los dispositivos que albergue. Ver plano 3 para conocer el diseo y la lista de

elem

disenogabinete.unlocked.pdf

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control centralizado

control integral

anillo de control

control supervisorio

sistema de control distribuido

sistemas de control

control a lazo cerrado

control a lazo abierto