¿Cuando utilizar un PLC o un DCS?

La convergencia de las tecnologías DCS y PLC ha hecho que sea más difícil que nunca para los fabricantes de procesos seleccionar la mejor tecnología para su aplicación. Una evaluación exitosa debe comenzar con el desarrollo de una imagen clara de los requisitos de su aplicación y las necesidades de su personal de ingeniería, mantenimiento y operaciones.

Sistemas de control distribuido (DCS) o controladores lógicos programables (PLC)

Seleccionar la mejor tecnología de automatización no es tan fácil como lo fue para los fabricantes. En el pasado, las diferencias entre un DCS y un PLC estaban bien definidas. El avance del microprocesador resultó en una fusión de las tecnologías. Con la tendencia hacia la flexibilidad, muchas de las aplicaciones en las industrias de procesos comparten requisitos que tradicionalmente se consideran exclusivos de DCS o PLC. Estas aplicaciones híbridas requieren un sistema de control de procesos que pueda ofrecer capacidades DCS y PLC.

En este artículo exploraremos preguntas clave para ayudar a seleccionar el sistema que mejor se adapte a sus objetivos. Demostraremos por qué tener una imagen clara de los requisitos de la aplicación y las necesidades de su personal de ingeniería, mantenimiento y operaciones es primordial para encontrar la tecnología de automatización adecuada. Finalmente, le proporcionaremos una lista de verificación para ayudarlo a determinar su sistema óptimo.

Beneficios de seleccionar la tecnología de automatización "correcta"

En esta era de competencia global, los fabricantes están siendo impulsados a lograr la excelencia operativa para asegurar su lugar a la vanguardia de su competencia. En consecuencia, el proceso de selección es fundamental para el poder de permanencia de una empresa. Seleccionar la tecnología y el proveedor adecuados puede beneficiar enormemente a su empresa al ayudar a:

• Responder rápidamente a las condiciones cambiantes del mercado para crear una ventaja competitiva sostenible
• Minimizar el costo total de propiedad (TCO) de su planta
• Crear un sistema que sea mantenible y actualizable
• Lograr los objetivos y la visión futuros de la planta y del sistema

¡Quitemos los estereotipos técnicos del camino! La selección de un sistema de automatización basado en una revisión de los productos disponibles es el curso de acción típico. El desafío con este enfoque es que las percepciones de los sistemas que "hacen el corte" se basan en estereotipos o en reclamos del primer vendedor en la puerta. Echemos un vistazo a los componentes de un sistema basado en DCS o PLC para ver qué tan diferentes (o similares) son realmente. Las arquitecturas de sistema que se muestran a continuación se ven muy similares. Ambos incluyen dispositivos de campo, módulos de entrada / salida, controladores, una interfaz hombre-máquina (HMI), ingeniería, control de supervisión e integración empresarial. Las diferencias solo se hacen evidentes cuando se considera la composición de la aplicación.

En el diagrama de arquitectura DCS (Figura 1), la redundancia se emplea para E/S, controladores, redes y servidores HMI. Dado que la redundancia agrega costo y complejidad, los usuarios de DCS deben evaluar cuidadosamente su necesidad de redundancia para lograr la disponibilidad requerida del sistema y evitar el tiempo de inactividad no planificado.

Figura 1 : Arquitectura típica del sistema DCS

El diagrama de arquitectura del PLC (Figura 2) ilustra una de sus aplicaciones más comunes, el control de dispositivos de campo discreto.

Figura 2 : Arquitectura típica del sistema basado en PLC

Para controlar eficazmente los motores y accionamientos, se requiere que el controlador pueda ejecutarse rápidamente (normalmente a una velocidad de escaneo de 10-20 mseg), y que el técnico responsable de mantenerlo sea capaz de leer y

adaptar la configuración en un lenguaje con el que esté familiarizado (lógica de escalera de relés).

Desde un punto de vista tecnológico, se puede ver que los DCS y PLC no son tan diferentes. Debemos mirar más allá de la tecnología a la experiencia en aplicaciones que el proveedor incorpora a estos sistemas, para que podamos comprender mejor los "puntos dulces" donde cada uno se aplica mejor.

Las siete preguntas que debes hacerte antes de elegir un sistema

Tenga en cuenta que utilizaremos generalizaciones amplias en este análisis, y que cada aplicación tendrá excepciones; Sin embargo, la lógica es sólida. Dado que Siemens trabaja "a ambos lados de la valla DCS/PLC" entregando soluciones DCS y PLC durante más de 25 años, sentimos que estamos en condiciones de contar ambos lados de la historia.

Estas siete preguntas están diseñadas para hacerle pensar en la filosofía operativa de su empresa y los requisitos de aplicación, teniendo en cuenta el punto de vista de las partes interesadas en su planta (ingeniería, operaciones, mantenimiento, etc.):

1. ¿Qué está fabricando y cómo?
2. ¿Cuál es el valor del producto que se fabrica y el costo del tiempo de inactividad? 3. ¿Cuál ves como el "corazón" del sistema?
4. ¿Qué necesita el operador para tener éxito?
5. ¿Qué rendimiento del sistema se requiere?
6. ¿Qué grado de personalización se requiere?
7. ¿Cuáles son sus expectativas de ingeniería?

Una lista de preguntas y respuestas se presenta como una página de extracción al final de este documento. Un método para medir si debe usar un DCS o PLC es revisar este formulario de encuesta, verificando todas las respuestas que correspondan.

1. ¿Qué fabricas y cómo?

Las aplicaciones de automatización de fábricas para el PLC implican la fabricación y / o ensamblaje de artículos específicos: "cosas". Estas aplicaciones pueden emplear una o más máquinas y una buena cantidad de movimiento de material de máquina a máquina. Una característica de este tipo de proceso es que el operador puede monitorear las "cosas" a medida que avanzan a través de la línea de fabricación. El proceso es, por naturaleza, muy lógico de control intensivo, a menudo con requisitos de alta velocidad. Este tipo de proceso está controlado por una combinación de PLC e interfaz hombre-máquina (HMI).

Las aplicaciones de automatización de procesos implican la transformación de materias primas a través de la reacción de los componentes o la introducción de cambios físicos para producir un producto nuevo y diferente: "cosas". Estas aplicaciones pueden estar compuestas por una o más operaciones de unidades de proceso canalizadas juntas. Una característica es que el operador no puede ver el producto. Por lo general, se mantiene dentro de un recipiente y puede ser de naturaleza peligrosa. Por lo general, hay una gran cantidad de control analógico simple a complejo, aunque el tiempo de respuesta no es tan rápido (100 ms o más). Este tipo de proceso a menudo es controlado por un DCS, aunque la capacidad de control analógico de un PLC puede ser adecuada. Un factor determinante en el proceso de selección es a menudo el tamaño de la aplicación de control (por ejemplo, toda la planta frente a una sola unidad y número de puntos de E/S).

También puede haber necesidades de control secuencial (o por lotes). Un PLC se puede utilizar de manera efectiva para aplicaciones por lotes "simples", mientras que un DCS suele ser más adecuado para instalaciones de fabricación por lotes "complejas" que requieren un alto nivel de flexibilidad y gestión de recetas. Una vez más, los requisitos de la aplicación por lotes determinan si es "simple" o "compleja":

- Número de productos fabricados: Producto único  //  Múltiples productos

- Procedimientos: Procedimiento único  //  Múltiples (diferentes) procedimientos

- Parámetros de la receta:Constante  //   Variable

- Utilización de equipos y arbitraje: Corregido/ninguno  //  Flexible/a menudo

- Frecuencia de cambios en fórmulas y recetas:  Nunca  //  Frecuentemente

2. ¿Cuál es el valor del producto que se fabrica y el costo del tiempo de inactividad?

Si el valor de cada producto independiente que se fabrica es bajo, y / o el tiempo de inactividad resulta en pérdida de producción, pero con poco costo adicional o daño al proceso, el PLC es la mejor opción. Si el valor de un lote es alto, ya sea en costo de materia prima o valor de mercado, y el tiempo de inactividad resulta en pérdida de producción y en condiciones peligrosas y dañinas, la selección debe ser DCS. Una planta que tiene un lote de $ 10 millones de un medicamento contra el cáncer en producción que se basa en un control estricto y continuo de la temperatura, por ejemplo, tiene mucho en juego en caso de una falla. El sistema DCS, que normalmente incluye redundancia opcional, vale la pena la inversión adicional para este tipo de aplicación.

Por el contrario, una operación de embotellado que solo necesita funcionar 10 horas al día para cumplir con los programas de producción, y que se puede cerrar para el mantenimiento del sistema, la resolución de problemas o las actualizaciones con poco impacto en el resultado final, es una aplicación clásica de PLC.

En las aplicaciones de proceso que se ejecutan 24/7/365, el tiempo de inactividad debe evitarse a toda costa, debido tanto a la pérdida de ingresos como a los peligros potenciales. Por ejemplo, una refinería tiene antorchas que están continuamente quemando gas. El sistema que controla esas llamaradas simplemente no puede fallar, porque si el gas no se está quemando, se está acumulando y agrupando, causando una situación extremadamente peligrosa. Cuanto más volátil sea la aplicación, más puede requerir una solución con mucha redundancia para garantizar que el sistema esté disponible cuando sea necesario.

3. ¿Cuál ves como el "corazón" del sistema?

El corazón de un sistema de control de automatización de fábrica es el controlador (PLC), que contiene la lógica para mover el producto a través de la línea de montaje. La HMI es a menudo un panel en la máquina o una estación basada en PC que proporciona al operador datos suplementarios o de excepción. La información operativa resultante del análisis de datos también es un requisito para las aplicaciones de automatización de fábricas, lo que impulsa la demanda de una HMI más sofisticada.

En la automatización de procesos, donde el entorno puede ser volátil y donde los operadores no pueden ver el producto real, la HMI se considera el corazón del sistema. En este escenario, la HMI es una consola central de la sala de control que proporciona la única "ventana" completa en el proceso, lo que permite al operador monitorear y controlar lo que ocurre dentro de las tuberías y recipientes ubicados en toda la planta.

4. ¿Qué necesita el operador para tener éxito?

En un entorno PLC, el papel del operador es manejar excepciones. La información de estado y las alarmas de excepción ayudan a mantener al operador al tanto de lo que está sucediendo en el proceso, que puede apagar las luces.

La planta DCS requiere que un operador tome decisiones e interactúe continuamente con el proceso para mantenerlo en funcionamiento. Aprovechar el conocimiento del proceso del operador es fundamental para la excelencia operativa y mantener el proceso funcionando de manera óptima. Los operadores se ganan la vida durante los cambios de grado del producto y al ajustar el proceso para abordar los cambios en el entorno de producción (como una materia prima diferente). El operador cambiará los puntos de consigna, abrirá / cerrará válvulas o hará una adición manual para mover un lote a la siguiente etapa de producción. Dentro de la HMI, las placas frontales y las tendencias analógicas proporcionan una visión de lo que está sucediendo en El proceso de producción, mientras que el sistema de gestión de alarmas centra la atención del operador en las áreas en las que debe intervenir para mantener el proceso en funcionamiento dentro de su envolvente de rendimiento objetivo. En caso de una falla de HMI, la planta podría verse obligada a cerrar para mantener a las personas y los equipos seguros.

Todo se reduce a la necesidad de tener un operador "en el circuito" versus "fuera del circuito". El operador de DCS es la parte interesada final del sistema, cuya aceptación inicial para el diseño de HMI es esencial para el éxito general del proyecto.

5. ¿Qué rendimiento del sistema se requiere?

La velocidad de ejecución lógica es un diferenciador clave. El PLC ha sido diseñado para satisfacer las demandas de aplicaciones de alta velocidad que requieren velocidades de escaneo de 10 milisegundos o menos, incluidas las operaciones que involucran control de movimiento, enclavamiento de alta velocidad o control de motores y variadores. Las velocidades de escaneo rápidas son necesarias para poder controlar eficazmente estos dispositivos.

El DCS no tiene que ser rápido, la mayoría de las veces. Los bucles de control regulatorio normalmente escanean en el rango de 100 a 500 milisegundos. En algunos casos, podría ser perjudicial que la lógica de control se ejecute más rápido, lo que podría causar un desgaste excesivo en los elementos de control finales, como las válvulas.

Desconectar el sistema PLC para realizar cambios de configuración e ingeniería puede tener menos impacto, ya que la plataforma no se ejecuta continuamente o porque el proceso se puede reiniciar fácilmente. Por el contrario, los cambios de configuración y los ajustes en el sistema DCS se realizan en línea, mientras que el proceso se ejecuta prácticamente sin parar. Algunas aplicaciones de proceso solo pueden cerrarse una o dos veces al año para el mantenimiento programado, mientras que otras, como un alto horno, están planificadas para permanecer en línea continuamente durante años.

El tema del control analógico es importante, pero confuso. DCS fue diseñado originalmente para ofrecer control analógico, pero para decir el DCS tiene un bloqueo en el mercado de control analógico reitera el problema con el pensamiento tradicional. Cada vez más, el PLC es capaz de ofrecer un control PID simple a complejo, pero el DCS es claramente la opción para aplicaciones con una gran cantidad de control analógico avanzado, incluidos bucles en cascada, control predictivo de modelos, relación y bucles de feedforward.

6. ¿Qué grado de personalización se requiere?

La expectativa y el deseo de poder crear una aplicación personalizada varía mucho entre los usuarios de DCS y PLC.

Debido a que el PLC fue diseñado originalmente para ser un gato de todos los oficios, se requiere el desarrollo de rutinas y funciones personalizadas para satisfacer las necesidades únicas de una aplicación. Un integrador de sistemas puede estar aplicando un PLC hacia una máquina de paletización hoy y apuntando hacia un torno de corte láser mañana. El PLC ofrece un "conjunto de herramientas" de funciones y bloques de construcción elementales que se pueden desarrollar y encadenar a medida para abordar los requisitos de una aplicación. Las provisiones están disponibles para permitir la integración de funciones y productos en una arquitectura perfecta.

Las "soluciones" prediseñadas, que consisten en estándares, plantillas y extensas bibliotecas, son lo que los ingenieros de aplicaciones de DCS esperan "listas para usar" cuando trabajan con un nuevo sistema. La máxima prioridad de un DCS es ofrecer confiabilidad y disponibilidad, lo que a menudo resulta en un diseño que intercambia funcionalidad ilimitada por repetibilidad y confiabilidad. La compensación significativa con el DCS es su incapacidad para aceptar muchas modificaciones personalizadas sin crear problemas de compatibilidad. Se espera que el sistema funcione como una solución completa, que impulsa el uso de funciones estándar ya integradas en la plataforma.

7. ¿Cuáles son sus expectativas de ingeniería?

Los ingenieros de automatización de fábricas quieren plataformas de control personalizables que ofrezcan componentes individuales que se puedan programar rápidamente juntos para realizar la tarea en cuestión. Las herramientas proporcionadas por un PLC generalmente están optimizadas para admitir un enfoque de ingeniería "de abajo hacia arriba", que funciona bien para aplicaciones más pequeñas.

Los ingenieros de DCS suelen ser más efectivos utilizando un enfoque "de arriba hacia abajo", lo que los obliga a poner un esfuerzo significativo en el diseño inicial. Este enfoque en el diseño inicial es clave para minimizar los costos, comprimir el cronograma del proyecto y crear una aplicación que pueda ser mantenida por el personal de la planta a largo plazo. Dado que las aplicaciones DCS suelen tener un ámbito más grande, la capacidad de propagar bibliotecas y plantillas en toda la aplicación es importante para minimizar el retrabajo.

El PLC controla una máquina, mientras que el DCS controla la planta. Por ejemplo, un fabricante de lápices está produciendo una cantidad increíble de lápices a una velocidad extremadamente rápida utilizando un PLC. Al programar en código máquina, los ingenieros podrían exprimir otros 10 milisegundos de la máquina, que ahora es capaz de perforar aún más lápices y ganancias. El ingeniero de PLC exige ese tipo de flexibilidad y arquitectura abierta.

Los ingenieros de procesos que controlan plantas enteras con un DCS requieren plataformas de programación más intuitivas, que utilizan funciones predefinidas y probadas previamente para ahorrar tiempo e impulsar la repetibilidad.

Tener la herramienta adecuada para el trabajo también es fundamental. La lógica de escalera es el lenguaje de configuración ideal y preferido para muchas aplicaciones de control discreto, como el enclavamiento de alta velocidad o el control de motores y accionamientos. El diagrama de bloques de funciones, por otro lado, es preferido para el control continuo y para la implementación de esquemas de alarma.

Determinar si la aplicación es híbrida

Ahora que hemos revisado los criterios para la selección de un DCS o PLC, puede estar pensando que su aplicación requiere capacidades de ambos. Si esto es VERDADERO, entonces es posible que necesite un sistema de control de procesos para aplicaciones híbridas.

Un híbrido se puede definir de la siguiente manera:
• "La unión de las funciones discretas, que los PLC manejaban de manera tan simple y económica, con lo sofisticado capacidades de control continuo analógico de los DCS"

• "Definido en función de las industrias en las que los sistemas trabajan y sirven, como farmacéutica, química fina, alimentos y bebidas, y otros"

• "La unión arquitectónica de la simplicidad y el costo del PLC con las sofisticadas pantallas del operador, alarma y capacidades de configuración fáciles pero sofisticadas del DCS"

Cómo seleccionar un sistema de control de procesos para una aplicación híbrida

Este documento ha descrito los atributos y diferenciadores clave entre los sistemas DCS y PLC clásicos. Esta misma información se puede utilizar para definir los requisitos clave para un sistema de control de procesos que sería ideal para aplicaciones híbridas, como las de las industrias farmacéutica, química fina y de alimentos y bebidas:

• Controlador: puede ejecutar lógica de escaneo rápida (10-20 mseg), como la requerida para el control del motor, y Lógica de escaneo lenta (100-500 ms), como la requerida para el control analógico, simultáneamente en un solo controlador

• Lenguajes de configuración de ingeniería: proporciona lógica de escalera, diagrama de bloques de funciones y un potente Lenguaje de programación para CREAEliminación de la lógica personalizada desde cero

• Redundancia modular flexible: ofrece la opción de adaptar el nivel de redundancia del sistema para ofrecer La disponibilidad requerida del sistema al equilibrar el costo inicial frente al costo del tiempo de inactividad no planificado

• Lote modular de simple a complejo: proporciona capacidad de lote modular para obtener una capacidad rentable. Abordar el continuo de lotes simples a complejos

• Gestión de alarmas: ofrece potentes herramientas de gestión de alarmas para ayudar a los operadores a responder de manera efectiva Condiciones de malestar de la planta

• Diagnóstico del sistema y gestión de activos: proporciona un amplio conjunto de diagnósticos de sistema integrados así como la gestión de activosde todos los activos críticos de la planta (transmisores, posicionadores de válvulas, motores, accionamientos, MCC, intercambiadores de calor, etc.)

• Plataforma escalable: el hardware, el software y las licencias admiten una escalabilidad vertical fluida y económica desde Sistemas todo en uno pequeños (10's de E/S) a grandes sistemas cliente/servidor (10.000 de E/S).

Cómo seleccionar un proveedor de sistemas de control para aplicaciones híbridas

La mayoría de los proveedores de automatización conocidos hoy en día ofrecen una tecnología u otra DCS o PLC. Esto es algo importante para darse cuenta cuando uno está haciendo una evaluación para una aplicación híbrida.
Para hacer que sus ofertas sean atractivas para las industrias híbridas, muchos proveedores están promocionando sus capacidades para proporcionar funcionalidad DCS y PLC en su sistema. Como hemos visto, la diferencia tecnológica entre DCS y PLC está desapareciendo rápidamente, dejando solo la experiencia y la experiencia de dominio del proveedor como un diferenciador clave.

Sin embargo, las brechas en la experiencia en el dominio no se cierran de la noche a la mañana; Los proveedores han acumulado un conocimiento significativo en los últimos 30 años, así que tenga cuidado con los proveedores que ahora están reclamando capacidades de DCS o PLC en su cartera. Para las aplicaciones híbridas, los usuarios que deseen asegurarse de que se puedan abordar sus requisitos deben considerar la selección de un proveedor que tenga un historial largo y probado para entregar soluciones PLC y un DCS "completo".

Conclusión

Muchos de los estereotipos están siendo reemplazados gracias a la convergencia de PLC y DCS. Esto ha abierto un nuevo conjunto de opciones para aplicaciones híbridas y para aquellas plantas de proceso que tradicionalmente usaban PLC para controlar su infraestructura eléctrica (como motores, accionamientos y centros de control de motores (MCC), mientras utilizaban DCS para el control regulatorio. No se trata de la tecnología. Lo más importante es que se trata de los requisitos de su aplicación y qué proveedor tiene la mejor solución, experiencia y amplitud de conocimientos para satisfacer sus necesidades.

Independientemente de lo que elija, esperamos que pueda sentir que ha tomado una decisión más sabia y mejor informada basada en la información de este documento. Es posible que un PLC o DCS tradicional ya no cumpla con sus requisitos. Si tiene una aplicación híbrida, es posible que necesite un sistema de control de procesos que combine lo mejor del PLC y DCS, y un proveedor que pueda proporcionar una oferta completa de capacidades discretas y de proceso, todo basado en una plataforma común.

Fuente: Siemens