Sistema de control distribuido

Los nodos de procesamiento y las pantallas gráficas de operador se conectan mediante redes propietarias o estándar de la industria, y la fiabilidad de la red se incrementa mediante un cableado de doble redundancia que utiliza rutas diversas. Esta topología distribuida también reduce la cantidad de cableado de campo al ubicar los módulos de E/S y sus procesadores asociados cerca de la planta de procesamiento.

Los procesadores reciben información de los módulos de entrada, la procesan y deciden las acciones de control que deben señalizar los módulos de salida. Las entradas y salidas de campo pueden ser señales analógicas, por ejemplo, un bucle de corriente continua de 4 a 20  mA , o señales de dos estados que activan o desactivan un circuito, como los contactos de un relé o un interruptor semiconductor.

Los sistemas de control distribuido (DCS) están conectados a sensores y actuadores, y utilizan el control de punto de consigna para regular el flujo de material a través de la planta. Una aplicación típica consiste en un controlador PID alimentado por un caudalímetro, que utiliza una válvula de control como elemento de control final. El DCS envía el punto de consigna requerido por el proceso al controlador, el cual ordena a la válvula que se active para que el proceso alcance y se mantenga en dicho punto de consigna (véase  el esquema de 4-20 mA como ejemplo).

Las grandes refinerías de petróleo y las plantas químicas cuentan con miles de puntos de entrada/salida y emplean sistemas de control distribuido (DCS) de gran tamaño. Sin embargo, los procesos no se limitan al flujo de fluidos a través de tuberías, sino que también pueden incluir máquinas papeleras y sus controles de calidad asociados, variadores de velocidad y centros de control de motores , hornos de cemento , operaciones mineras , instalaciones de procesamiento de minerales y muchos otros .

Los sistemas de control distribuido (DCS) utilizados en aplicaciones de muy alta fiabilidad pueden contar con procesadores redundantes duales con conmutación en caliente en caso de fallo, para mejorar la fiabilidad del sistema de control.

Aunque  el estándar principal de señalización de campo ha sido de 4 a 20 mA, los sistemas DCS modernos también pueden admitir protocolos digitales de bus de campo , como Foundation Fieldbus, profibus, HART, modbus , PC Link, etc.

Los DCS modernos también admiten redes neuronales y aplicaciones de lógica difusa . Investigaciones recientes se centran en la síntesis de controladores distribuidos óptimos, que optimizan un criterio de control H-infinito o H2. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

El control de procesos en grandes plantas industriales ha evolucionado a través de diversas etapas. Inicialmente, el control se realizaba desde paneles ubicados en la planta. Sin embargo, esto requería una gran cantidad de supervisión humana para atender estos paneles dispersos, y no existía una visión global del proceso. El siguiente paso lógico fue la transmisión de todas las mediciones de la planta a una sala de control central con personal permanente. En la práctica, esto supuso la centralización de todos los paneles locales, con las ventajas de una menor necesidad de personal y una visión general más sencilla del proceso. A menudo, los operadores se encontraban detrás de los paneles de la sala de control, y todas las salidas de control, tanto automáticas como manuales, se transmitían de vuelta a la planta. Sin embargo, si bien proporcionaba un centro de control centralizado, esta disposición era inflexible, ya que cada bucle de control tenía su propio hardware de controlador, y se requería el desplazamiento constante de los operadores dentro de la sala de control para supervisar las diferentes partes del proceso.

Con la llegada de los procesadores electrónicos y las pantallas gráficas, fue posible reemplazar estos controladores discretos con algoritmos informáticos, alojados en una red de bastidores de entrada/salida con sus propios procesadores de control. Estos podían distribuirse por la planta y comunicarse con la pantalla gráfica en la sala o salas de control. Así nació el sistema de control distribuido.

La introducción de los sistemas de control distribuido (DCS) facilitó la interconexión y reconfiguración de los controles de planta, como los bucles en cascada y los enclavamientos, así como la integración con otros sistemas informáticos de producción. Permitió una gestión de alarmas sofisticada, introdujo el registro automático de eventos, eliminó la necesidad de registros físicos como los registradores gráficos, permitió la interconexión en red de los racks de control, ubiciéndolos así cerca de la planta para reducir el cableado, y proporcionó una visión general de alto nivel del estado de la planta y los niveles de producción.

Los primeros miniordenadores se utilizaron en el control de procesos industriales desde principios de la década de 1960. El IBM 1800 , por ejemplo, fue uno de los primeros ordenadores que contaba con hardware de entrada/salida para recopilar señales de proceso en una planta y convertirlas de niveles de contacto de campo (para puntos digitales) y señales analógicas al dominio digital.

El primer sistema informático de control industrial se construyó en 1959 en la refinería Texaco de Port Arthur, Texas, con un RW-300 de la compañía Ramo-Wooldridge . ^{[ 4 ]}

En 1975, tanto HONEYWELL como la empresa japonesa de ingeniería eléctrica Yokogawa introdujeron sus propios DCS de producción independiente: los sistemas TDC 2000 y CENTUM, respectivamente. La empresa estadounidense Bristol también introdujo su controlador universal UCS 3000 en 1975. En 1978, Valmet introdujo su propio sistema DCS llamado Damatic (la última generación basada en web Valmet DNAe ^{[ 5 ]} ). En 1980, Bailey (ahora parte de ABB ^{[ 6 ]} ) introdujo el sistema NETWORK 90, Fisher Controls (ahora parte de Emerson Electric ) introdujo el sistema PROVoX, y Fischer & Porter Company (ahora también parte de ABB ^{[ 7 ]} ) introdujo el DCI-4000 (DCI significa Instrumentación de Control Distribuido).

El DCS surgió en gran medida gracias a la mayor disponibilidad de microcomputadoras y la proliferación de microprocesadores en el ámbito del control de procesos. Las computadoras ya se habían aplicado a la automatización de procesos durante algún tiempo, tanto en forma de control digital directo (DDC) como de control de punto de consigna. A principios de la década de 1970 , Taylor Instrument Company (ahora parte de ABB) desarrolló el sistema 1010, Foxboro el sistema FOX1, Fisher Controls el sistema DC ² y Bailey Controls los sistemas 1055. Todas estas eran aplicaciones DDC implementadas en minicomputadoras ( DEC PDP-11 , Varian Data Machines , MODCOMP , etc.) y conectadas a hardware de entrada/salida propietario. De esta forma se implementó un control continuo y por lotes sofisticado (para la época). Un enfoque más conservador era el control de punto de consigna, donde las computadoras de proceso supervisaban grupos de controladores de proceso analógicos. Una estación de trabajo proporcionaba visibilidad del proceso mediante texto y gráficos de caracteres básicos. La disponibilidad de una interfaz gráfica de usuario completamente funcional aún estaba lejos.

Un elemento central del modelo DCS fue la inclusión de bloques de funciones de control. Estos bloques evolucionaron a partir de conceptos DDC iniciales y más primitivos de software "basado en tablas". Como una de las primeras implementaciones de software orientado a objetos, los bloques de funciones eran "bloques" de código autónomos que emulaban componentes de control de hardware analógico y realizaban tareas esenciales para el control de procesos, como la ejecución de algoritmos PID. Los bloques de funciones siguen siendo el método de control predominante para los proveedores de DCS y, en la actualidad, cuentan con el respaldo de tecnologías clave como Foundation Fieldbus ^{[ 8 ]} .

En 1982, Midac Systems, con sede en Sídney, Australia, desarrolló un sistema de control digital directo distribuido orientado a objetos. El sistema central utilizaba 11 microprocesadores que compartían tareas y memoria común, y estaba conectado a una red de comunicación serie de controladores distribuidos, cada uno con dos procesadores Z80. El sistema se instaló en la Universidad de Melbourne.

La comunicación digital entre controladores distribuidos, estaciones de trabajo y otros elementos informáticos (acceso punto a punto) fue una de las principales ventajas del DCS. Se prestó especial atención a las redes, que proporcionaban las cruciales líneas de comunicación que, para las aplicaciones de procesos, debían incorporar funciones específicas como el determinismo y la redundancia. Como resultado, muchos proveedores adoptaron el estándar de red IEEE 802.4. Esta decisión sentó las bases para la ola de migraciones necesarias cuando la tecnología de la información se integró en la automatización de procesos y el estándar IEEE 802.3, en lugar del IEEE 802.4, se impuso como LAN de control.

En la década de 1980, los usuarios comenzaron a ver los sistemas de control distribuido (DCS) como algo más que un simple control de procesos. Un ejemplo temprano de un DCS de control digital directo fue desarrollado por la empresa australiana Midac entre 1981 y 1982, utilizando hardware de diseño australiano de R-Tec. El sistema instalado en la Universidad de Melbourne utilizaba una red de comunicaciones en serie que conectaba los edificios del campus con una sala de control central. Cada unidad remota ejecutaba dos microprocesadores Z80 , mientras que la sala de control central ejecutaba once Z80 en una configuración de procesamiento paralelo con memoria común paginada para compartir tareas, y podía ejecutar hasta 20 000 objetos de control concurrentes.

Se creía que si se lograba la apertura y se compartía una mayor cantidad de datos en toda la empresa, se podrían alcanzar logros aún mayores. Los primeros intentos por aumentar la apertura de los sistemas de control distribuido (DCS) dieron como resultado la adopción del sistema operativo predominante de la época: UNIX . UNIX y su tecnología de red complementaria TCP/IP fueron desarrollados por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos para fomentar la apertura, que era precisamente el problema que las industrias de procesos buscaban resolver.

Como resultado, los proveedores también comenzaron a adoptar redes basadas en Ethernet con sus propias capas de protocolo propietarias. No se implementó el estándar TCP/IP completo, pero el uso de Ethernet permitió implementar las primeras instancias de gestión de objetos y tecnología de acceso global a datos. La década de 1980 también fue testigo de la integración de los primeros PLC en la infraestructura DCS. También surgieron historiadores de planta para capitalizar el alcance extendido de los sistemas de automatización. El primer proveedor de DCS en adoptar tecnologías de red UNIX y Ethernet fue Foxboro, que introdujo el sistema I/A Series ^{[ 9 ]} en 1987.

El impulso hacia la apertura en la década de 1980 cobró fuerza durante la década de 1990 con la creciente adopción de componentes comerciales estándar (COTS) y estándares de TI. Probablemente, la transición más importante durante este período fue el paso del sistema operativo UNIX al entorno Windows. Si bien el ámbito de los sistemas operativos en tiempo real ( RTOS ) para aplicaciones de control sigue dominado por variantes comerciales de UNIX o sistemas operativos propietarios, todo lo que supera el control en tiempo real ha migrado a Windows.

La introducción de Microsoft en las capas de escritorio y servidor dio lugar al desarrollo de tecnologías como OLE para control de procesos (OPC) , que ahora es un estándar de conectividad de facto en la industria. La tecnología de Internet también comenzó a dejar su huella en la automatización y en el mundo, con la mayoría de las HMI de DCS compatibles con la conectividad a Internet. La década de 1990 también fue conocida por las "Guerras de los Buses de Campo", donde organizaciones rivales compitieron para definir lo que se convertiría en el estándar IEC de bus de campo para la comunicación digital con instrumentación de campo en lugar de las comunicaciones analógicas de 4 a 20 miliamperios. Las primeras instalaciones de bus de campo se produjeron en la década de 1990. Hacia finales de la década, la tecnología comenzó a adquirir un impulso significativo, con el mercado consolidado en torno a Ethernet I/P, Foundation Fieldbus y Profibus PA para aplicaciones de automatización de procesos. Algunos proveedores construyeron nuevos sistemas desde cero para maximizar la funcionalidad con bus de campo, como Rockwell PlantPAx System, Honeywell con Experion y los sistemas SCADA Plantscape , ABB con System 800xA, ^{[ 10 ]} Emerson Process Management ^{[ 11 ]} con el sistema de control Emerson Process Management DeltaV , Siemens con el SPPA-T3000 ^{[ 12 ]} o Simatic PCS 7 , ^{[ 13 ]} Forbes Marshall ^{[ 14 ]} con el sistema de control Microcon+ y Azbil Corporation ^{[ 15 ]} con el sistema Harmonas-DEO . Las técnicas de bus de campo se han utilizado para integrar aplicaciones de monitoreo de máquinas, accionamientos, calidad y condición en un DCS con el sistema Valmet DNA. ^{[ 5 ]}

El impacto de los componentes comerciales estándar (COTS, por sus siglas en inglés), sin embargo, fue más notorio en la capa de hardware. Durante años, la actividad principal de los proveedores de sistemas de control distribuido (DCS, por sus siglas en inglés) había sido el suministro de grandes cantidades de hardware, en particular E/S y controladores. La proliferación inicial de los DCS requirió la instalación de enormes cantidades de este hardware, la mayoría fabricado desde cero por los propios proveedores. Sin embargo, los componentes informáticos estándar de fabricantes como Intel y Motorola hicieron que resultara prohibitivo para los proveedores de DCS seguir fabricando sus propios componentes, estaciones de trabajo y hardware de red.

A medida que los proveedores hicieron la transición a componentes COTS, también descubrieron que el mercado de hardware se estaba reduciendo rápidamente. Los componentes COTS no solo resultaron en menores costos de fabricación para el proveedor, sino también en una disminución constante de los precios para los usuarios finales, quienes también se quejaban cada vez más de lo que consideraban costos de hardware excesivamente altos. Algunos proveedores que antes eran más fuertes en el negocio de PLC , como Rockwell Automation y Siemens, pudieron aprovechar su experiencia en la fabricación de hardware de control para ingresar al mercado de DCS con ofertas rentables, mientras que la estabilidad, escalabilidad, confiabilidad y funcionalidad de estos sistemas emergentes aún están mejorando. Los proveedores tradicionales de DCS introdujeron sistemas DCS de nueva generación basados ​​en los últimos estándares de comunicación e IEC, lo que resultó en una tendencia a combinar los conceptos y funcionalidades tradicionales de PLC y DCS en una solución integral, denominada " Sistema de Automatización de Procesos " (PAS). Las brechas entre los diversos sistemas persisten en áreas como: la integridad de la base de datos, la funcionalidad de preingeniería, la madurez del sistema, la transparencia de la comunicación y la confiabilidad. Si bien se espera que la relación de costos sea relativamente la misma (cuanto más potentes sean los sistemas, más caros serán), la realidad del negocio de la automatización suele ser operar estratégicamente caso por caso. El siguiente paso evolutivo actual se denomina Sistemas de Automatización de Procesos Colaborativos .

Para complicar aún más la situación, los proveedores también se percataron de la saturación del mercado de hardware. El ciclo de vida de componentes como las E/S y el cableado suele oscilar entre 15 y más de 20 años, lo que dificulta la búsqueda de reemplazos. Muchos de los sistemas antiguos instalados en las décadas de 1970 y 1980 siguen en uso, y existe una considerable base instalada de sistemas que se acercan al final de su vida útil. Las economías industriales desarrolladas de Norteamérica, Europa y Japón ya contaban con miles de sistemas de control distribuido (DCS) instalados, y ante la escasa o nula construcción de nuevas plantas, el mercado de hardware nuevo se desplazaba rápidamente hacia regiones más pequeñas, aunque de mayor crecimiento, como China, Latinoamérica y Europa del Este.

Debido a la contracción del mercado del hardware, los proveedores comenzaron a realizar la difícil transición de un modelo de negocio basado en hardware a uno basado en software y servicios de valor añadido. Esta transición aún continúa. El portafolio de aplicaciones que ofrecían los proveedores se expandió considerablemente en la década de los 90 para incluir áreas como la gestión de la producción, el control basado en modelos, la optimización en tiempo real, la gestión de activos de planta (PAM), las herramientas de gestión del rendimiento en tiempo real (RPM), la gestión de alarmas y muchas otras. Sin embargo, para obtener el verdadero valor de estas aplicaciones, a menudo se requiere un contenido de servicios considerable, que los proveedores también ofrecen.

Los últimos avances en DCS incluyen las siguientes nuevas tecnologías:

1. Sistemas y protocolos inalámbricos ^{[ 16 ]}
2. Transmisión remota , registro y sistema de historial de datos.
3. Interfaces y controles móviles
4. servidores web integrados

Cada vez más, y paradójicamente, los sistemas de control distribuido (DCS) se centralizan a nivel de planta, con la capacidad de acceder a los equipos remotos. Esto permite al operador controlar tanto a nivel empresarial (macro) como a nivel de equipo (micro), tanto dentro como fuera de la planta, ya que la importancia de la ubicación física disminuye gracias a la interconectividad, principalmente mediante acceso inalámbrico y remoto.

Cuanto más se desarrollan y perfeccionan los protocolos inalámbricos, mayor es su integración en los sistemas de control distribuido (DCS). Los controladores DCS ahora suelen estar equipados con servidores integrados y ofrecen acceso web en cualquier lugar. Aún está por verse si los sistemas DCS liderarán el Internet industrial de las cosas (IIoT) o si adoptarán elementos clave de otros sistemas.

Muchos proveedores ofrecen la opción de una interfaz hombre-máquina (HMI) móvil, compatible con Android e iOS . Con estas interfaces, la amenaza de brechas de seguridad y posibles daños a la planta y los procesos es ahora muy real.