implantacion práctica de un proyecto fieldbus

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IMPLANTACION PRÁCTICA
DE UN PROYECTO FIELDBUS
George Mitchell (Eng. Manager)
Julián Sánchez Ballesteros (Sales Manager)
OPTOMATION
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RESUMEN
Este tutorial relata la implementación del proyecto
de modernización de una Central Térmica
realizado con tecnología Foundation Fieldbus,
que distribuye realmente la inteligencia junto al
proceso al tiempo que integra toda la potencia y
facilidades de la informática de gestión en el
entorno industrial.
También se abordan en este trabajo las ventajas
de esta tecnología, resaltando su importancia en
la integración con el software de operación y
supervisión ya utilizado en otras centrales del
cliente así como con dispositivos existentes en la
propia central como autómatas programables,
analizadores etc.
Estas ventajas definen a la tecnología Fieldbus
como
el
Sistema
Realmente
Abierto,
Interoperable y Escalable no sólo en el concepto
de crecimiento sino también en el de la inclusión
de nuevos niveles, tanto de hardware como de
software, que el mercado pueda ofrecer en el
futuro y lo que es importante: con total
independencia de fabricantes.
Con multitud de aplicaciones en los más diversos
segmentos industriales, la tecnología Fieldbus
proporciona una solución rápida y fiable no sólo
en la elaboración del proyecto, sino también en
su instalación y puesta en marcha, consiguiendo
el objetivo de alcanzar mejores resultados
globales, agilidad y facilidad en la operación así
como una conectividad asegurada. Además, puede
representar una economía de un 50 % con
relación a las soluciones basadas en DCS.
1. INTRODUCCIÓN
Nuestro cliente, que dispone de DCS,s de tres
suministradores diferentes en varias de sus
Centrales, decidió acometer la modernización de un
nuevo grupo donde la inversión debía ser reducida
debido al nuevo panorama de liberalización del
Conferencia de la Sección Española de ISA 1999
sector eléctrico español, donde la competitividad, y
por consiguiente la disminución de costes de
generación, es vital. Por lo tanto, la modernización
tendría que ser orientada hacia una drástica bajada
de costes en todas las fases, como por ejemplo:
Ingeniería, Configuración, Compra de Equipos,
Montaje,
Puesta
en
Marcha,
Operación,
Mantenimiento e Integración en tiempo real en el
Sistema de Gestión.
También era importante cuantificar el coste que
supondría a medio plazo la incorporación al sistema
elegido de paquetes de software de auto sintonía de
lazos, control avanzado, simulación etc., Por
tratarse de un sistema abierto, podemos emplear en
estas aplicaciones productos estándar de mercado.
Con estas premisas, el cliente especificó una
solución abierta y estándar que estuviese basada en
los siguientes conceptos:
•
Software de Operación y Supervisión estándar
y común para toda la Central.
•
Buses de Comunicaciones Estándar
•
Instrumentos de Campo y Módulos de I/O
inteligentes e interoperables.
•
Integración en la red corporativa sin costes
añadidos.
Después de un estudio de la central, se consideró
una solución basada en la tecnología de la Fieldbus
Foundation por las siguientes razones:
•
Solución abierta e interoperable
•
Facilidad de integración de otros subsistemas
como por ejemplo el control de quemadores
•
Facilidad de utilizar el software de otras
centrales del grupo
En la vertiente económica, esta solución estaba
basada en el siguiente análisis:
A).- Como premisa de partida, existía la necesidad
de comprar nuevos transmisores y posicionadores,
1
ya que los actuales eran neumáticos y además
estaban en estado precario.
Arquitectura General y por Subsistemas del
Proyecto
Los transmisores Fieldbus resultaban en principio
aproximadamente un 50 % más caros que los
analógicos convencionales.
Detalles de Instalación y Cableado
B).- La instalación de transmisores convencionales,
por otro lado, estaba penalizada por la inexistencia
de cables, bandejas y entradas en sala de control.
Esta penalización la podemos estimar en un 80 %
del precio base del transmisor convencional. Si
consideramos además el coste propio de la
ingeniería asociada a ese transmisor (valorada en un
20 % de su precio base) vemos que la opción de
transmisores Fieldbus Foundation resulta ventajosa
económicamente.
C).- El coste medio de instalación por transmisor
analógico convencional conectado a un DCS puede
ser estimado por tanto en un 100% de su precio
base como mínimo.
D).- Al ser un sistema realmente abierto, el
mantenimiento puede ser ofertado por empresas
locales con un coste medio de 5.000 pts./h que es
sensiblemente inferior al normalmente ofertado en
el mundo de los DCS,s además de no incluir tiempo
ni gastos de viaje desde las oficinas centrales, etc
En las estaciones de operador, el ordenador incluido
en el DCS como estación de operador NT, era 100
% más caro que el estándar utilizado aún siendo de
la gama más alta de PC,s.
Las licencias de software utilizadas han sido sin
limitación por puntos por lo que no habrá
incrementos en futuras ampliaciones del sistema.
Sumando estos factores, la economía alcanzada con
relación a un DCS, ha sido estimada en un 40 % , y
lo que es más importante, sin sorpresas al incluir
nuevas ampliaciones.
La utilización de Sistemas Escalables o híbridos fue
desestimada porque, aunque disponen de mejores
niveles de conectividad que los anteriores DCS,s y
cumplen con estándares industriales y tecnologías
como OPC, Fieldbus Foundation, etc., mantienen la
filosofía de hardware y software propietario con lo
que el concepto de interoperabilidad queda limitado
a instrumentos de campo bien sean analógicos de 4
a 20 mA. o de tecnología fieldbus y en el caso de
comunicación con otros dispositivos como
autómatas, etc., debe ser realizada a través del
sistema con lo que se encarece no sólo por
hardware sino también por el pago de licencias por
puntos, etc.
En el juego de transparencias que forman parte de
este trabajo están detallados los siguientes
apartados:
Conferencia de la Sección Española de ISA 1999
Topologías empleadas
Especificación de Instrumentos Fieldbus
Software de configuración de bloques de control
2. DESARROLLO DEL PROYECTO
El proyecto consistía en la modernización de los
sistemas de supervisión, control y enclavamientos
de la caldera de una central Térmica de 150 MW
Una vez analizadas las definiciones básicas de la
aplicación,
fue elaborada la especificación
funcional del proyecto que incluía:
•
Relación de señales
•
Diagramas de lazos de Control
•
Numero de dispositivos necesarios y su
distribución física
•
Condiciones límites operacionales
•
Análisis de criticidad y operación de la planta
•
Criterios de
funcional
•
Definición de topologías empleadas
•
Definición de soporte físico de las redes
•
Necesidad de estaciones
mantenimiento, ingeniería, etc.
•
Necesidades de conectividad con otros buses
diferentes del F.F.
•
Necesidad de conectividad
corporativas, SAP, etc.
Redundancia
operacional
dedicadas
con
y
a
redes
Una vez aprobada la especificación funcional, el
proyecto fue dividido en las siguientes partes:
•
Operación y Supervisión
•
Quemadores y Purga de Caldera
•
Control Regulatorio
•
Temperatura de Tubos de Caldera
•
Mandos Auxiliares
El proyecto incluye en su alcance el proporcionar
una solución total que engloba la ingeniería,
suministro de todos los equipos, supervisión de
montaje, configuración, formación y puesta en
marcha.
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A continuación describimos el alcance de este
suministro:
A).- Suministro de Hardware:
•
Autómatas Fieldbus para
combustión y purga de caldera
•
Transmisores de presión y presión diferencial
Fieldbus
•
Transmisores de temperatura Fieldbus
•
Posicionadores Fieldbus
dampers de caldera
•
Convertidores
Corriente/Fieldbus
para
analizadores de oxígeno y caudalímetros
másicos.
control
para
válvulas
de
y
•
Tarjetas de 4 puertos Fieldbus H1 para
alojamiento en servidor.
•
Fuentes de alimentación, Impedancias, etc.
•
Módulos inteligentes
Termopares
de
Entradas
de
B).- Suministro de licencias de Software:
•
Paquete de FIX 32 de Intellution
•
Syscon para Foundation Fieldbus
•
OPC Server para Foundation Fieldbus
C).- Servicios de Ingeniería:
•
Ingeniería de detalle
•
Configuración de estrategias de control
•
Elaboración de Pantallas Gráficas
•
Configuración de Registros Históricos
•
Configuración de Tendencias
•
Configuración de Alarmas
•
Elaboración de Informes
•
Supervisión de Montaje
•
Formación
•
Asistencia a la puesta en marcha
El numero total de personas involucradas en este
proyecto ha sido de 5 ingenieros distribuidos
básicamente en 3 grupos:
El primer grupo estaba encargado del control de
quemadores y purga de caldera así como del
software de las estaciones de operador (como
pantallas gráficas, etc.)
Conferencia de la Sección Española de ISA 1999
El segundo grupo estaba dedicado a la
configuración de las estrategias de control y el
tercer grupo se ocupaba de la ingeniería de detalle
que al estar tan simplificada ocupaba una persona
solamente.
La participación de técnicos del cliente en todas las
fases del proyecto ha resultado muy positiva y han
quedado capacitados para realizar no sólo
ampliaciones al sistema sino también para la
ejecución integral de proyectos Fieldbus.
3. ARQUITECTURA DE LA APLICACIÓN
A continuación describiremos los
subsistemas que constituyen el proyecto:
diversos
3.1.- Operación y Supervisión
La arquitectura del subsistema de operación y
supervisión fue proyectada en torno a Foundation
Fieldbus, con la conexión a campo compuesta por
dos servidores que aceptan cada uno hasta 8 tarjetas
PCI de cuatro puertos cada una, lo que significa que
cada servidor acepta 32 canales de Fieldbus H1.
A estos canales están conectados los transmisores,
posicionadores, convertidores y autómatas de los
subsistemas de mando de quemadores y purga de
caldera, así como los de mandos de auxiliares que
se integrarán en una segunda fase.
A cada canal H1 de Foundation Fieldbus pueden
conectarse una media de 16 dispositivos con
alimentación por el propio bus y que se denominan
dispositivos activos, además de otros 12
dispositivos denominados pasivos que no consumen
alimentación por el bus, como puedan ser los
módulos de interfaz de autómatas. Como ejemplo
practico, en cada servidor pueden integrarse unos
500 transmisores, posicionadores, etc., además de
los dispositivos pasivos como autómatas, variadores
de velocidad, etc.
Los dispositivos de campo son responsables del
procesamiento de las estrategias de control y tienen
su interoperabilidad garantizada. Por consiguiente,
no hay software de control regulatorio o secuencial
en el servidor.
Para la modernización del control regulatorio del
ciclo sólo ha sido necesaria una tarjeta PCI de
cuatro puertos en cada servidor con una carga
inferior al 50% en cada segmento.
Para el subsistema de quemadores así como para la
adquisición de temperatura de tubos de caldera se
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ha utilizado el Bus Ethernet de Alta Velocidad a
100-Megabit/s que muy posiblemente será el H2 de
la Fieldbus Foundation.
El uso de fieldbus de alta velocidad está justificado
(y además reduce el coste del sistema) para la parte
de “data acquisition” como por ejemplo la
supervisión
de
temperaturas,
donde
nos
encontramos con 640 entradas directas de termopar
en las que utilizamos módulos Smart I/O que
aceptan cualquier tipo de señal sin necesidad de
convertidores y disponen de comunicación estándar
Fast Ethernet a 100-Megabit/s. Otras redes o Buses
como Modbus etc., pueden también integrarse en
los servidores.
Al adoptar en este proyecto la tecnología OPC
como driver universal, cualquier equipo que trabaje
con esta tecnología puede ser incluido como parte
integrante del sistema.
Como paquete de software de operación y
supervisión, fue escogido el FIX 32 de Intellution
en los siguientes niveles o licencias:
En los servidores hemos utilizado el “Full Function
Scada Server”, que no tiene limitación de puntos
con lo que el aumento futuro del numero de señales
no implicará en costes adicionales de licencias.
Gracias a OPC, los servidores pueden integrar
simultáneamente otros buses inclusive de otras
tecnologías.
El servidor constituye una base de datos en tiempo
real con un scan establecido de 1 segundo para la
actualización de todos los datos del proceso. Se ha
utilizado la filosofía de no ejecutar en el servidor,
ningún tipo de control, cálculo, etc., que afecte a la
seguridad operacional que se realiza en los
dispositivos de campo. Con esta medida, en el
hipotético caso de fallo de los dos servidores, no
afectará al control de la planta que podrá ser
operada desde el PC de ingeniería y mantenimiento
conectado directamente a los buses de campo.
Para las estaciones de operación ha sido utilizada la
licencia View o de operador, también sin limitación
de puntos. Estos paquetes acceden a las bases de
datos en tiempo real de los servidores por lo que no
se interfieren las comunicaciones con campo.
Desde cualquiera de las estaciones de operador es
posible acceder a todos los datos de cualquiera de
los dispositivos que integran el sistema, y que se
han estructurado por pantallas. Estas pantallas son
modificables por el operador o por el ingeniero de
mantenimiento, e incluyen Sinópticos de planta,
sintonía, tendencias, históricos, alarmas, así como
Conferencia de la Sección Española de ISA 1999
todas las funciones de diagnóstico de instrumentos,
rangos de calibración, hojas de datos, etc. Mas de
32.000 puntos pueden ser manipulados desde cada
estación de operador.
La actualización de los datos desde los servidores
es instantánea, ya que, además de la velocidad de
100-Megabit/s, toda la interface gráfica reside en
las propias estaciones de operador con lo que sólo
se actualizan los datos de proceso.
Para el resto de los ordenadores de la central se ha
previsto
la
implementación
de
licencias
denominadas Plant TV, a través de las cuales se
accede a toda la funcionalidad del sistema en
tiempo real salvo las funciones de operador, lo que
evita crear situaciones de inseguridad.
En este proyecto se ha utilizado una base de datos
centralizada en el servidor, con lo que se dispone de
todos los datos del grupo en un solo punto. Esto
simplifica que los usuarios se integren en el
entorno de la aplicación para las tareas de
operación, supervisión o gestión desde sus puestos
de trabajo, estaciones de operación, etc. Sus
características de hardware son:
Diseñado para ser usado como servidor de red.
Procesador Pentium II a 400 MHzs, ampliable a
doble procesador
Memoria RAM de 128 MB ampliable hasta 1 GB.
Disco Duro de 9 GB UWSCSI Hot Swap según
configuración
Jazz interno de 2 GB
ZIP interno IDE
Sistema Operativo Windows NT
Monitor de 17”.
Para las estaciones de operación se han elegido
Workstation de alta gestión equipadas con:
Procesador Pentium II a 400 MHzs.
Memoria RAM de 128 MB ampliable hasta 768
MB.
Disco Duro de 4.3 GB UWSCSI
ZIP interno IDE
Monitor de 21” de alta resolución
Sistema Operativo NT.
El sistema de operación y supervisión se completa
con impresoras para volcado de pantalla e informes
post-disparo.
3.2.- Control de Quemadores y Purga de Caldera
Para este subsistema se ha utilizado un controlador
lógico programable LC-700 de Smar, con
tecnología Fieldbus que permitió establecer una isla
independiente del resto del sistema. Este
controlador cuenta con una arquitectura distribuida
compuesta por una unidad con CPU redundante que
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engloba las partes comunes del control de
quemadores así como la secuencia de purga de la
caldera.
La caldera dispone de 12 quemadores repartidos en
cuatro niveles o plataformas, por lo que se ha
instalado un controlador lógico en cada plataforma
que atiende a 3 quemadores.
En cada controlador las entradas y salidas digitales
están segregadas por quemador, de manera que el
fallo de una tarjeta sólo afectaría a un único
quemador. Esto representa el 8,5% del total de
quemadores, de manera que el fallo de la tarjeta
puede ser compensado por el aumento de carga en
los demás quemadores
no afectando por
consiguiente a la potencia total generada.
Una tarjeta de entradas analógicas es utilizada en
cada controlador para la indicación de llama
captada por la fotocélula.
Todos los cotroladores lógicos están integrados en
una red Ethernet de alta velocidad y también
conectados a los segmentos H1 de fieldbus
correspondientes.
3.3.- Control Regulatorio
En este subsistema es donde la tecnología Fieldbus
va más allá de lo que hasta hoy conocemos, ya que
está basada en el concepto de sistema de control en
campo en el cual los instrumentos de campo son
responsables del procesamiento de las estrategias de
control. Cada instrumento de campo incorpora hasta
32 bloques de función que atienden una amplia
gama de aplicaciones y son interoperables de
acuerdo con la norma de la Fieldbus Foundation.
Todos los dispositivos se comunican unos con otros
peer-to-peer o multi-pier, adoptando el modelo
productor/consumidor y consiguiéndose de este
modo un alto rendimiento y sincronismo. Una red
fieldbus puede llegar a tener 2 Km de extensión,
que pueden aumentar con la utilización de
repetidores que en este proyecto no han sido
necesarios por tener distancias máximas de 400 mts.
por segmento. También se ha establecido un
máximo de 16 dispositivos por segmento H1 de
Fieldbus.
Los dispositivos de campo han sido distribuidos en
los cuatro segmentos en función de su
funcionalidad, quedando reservado el canal 0 a los
lazos asociados al control de nivel. El canal 1 ha
sido reservado al control de combustión, quedando
el canal 3 y el canal 4 para el control de tiro y el
control de temperatura respectivamente.
Para la configuración de las estrategias de control,
se ha utilizado el paquete Syscon de Smar, que es
un lenguaje de bloques funcionales donde cada
bloque es una agrupación de funciones de control
Conferencia de la Sección Española de ISA 1999
interrelacionadas con identificación de parámetros
de entrada y salida. Controles del tipo cascada,
feedfoward, límites cruzados y otras estrategias de
control han sido configurados por la conexión de
bloques funcionales repartidos entre varios
dispositivos.
Los elementos finales, como por ejemplo
posicionadores de válvulas y dampers, disponen de
rutinas individualizadas para la acción de seguridad
en caso de fallo. De esta forma podemos pasar a
una posición segura inteligente dependiendo del
tipo de fallo.
4. REDUNDANCIA
El concepto de redundancia en proyectos Fieldbus
es muy amplio por lo que para este proyecto se
establecieron los siguientes niveles de redundancia:
Redundancia Operacional
Servidores:
Redundancia 1:1 en hardware y Software
Incluye la redundancia de tarjeta PCI por lo que
todos los segmentos comunican con los dos
servidores así como duplicidad de la base de datos
Estaciones de Operador:
Todas las estaciones disponen de la misma
funcionalidad por lo que el fallo de una no afecta a
las otras.
Redundancia Funcional:
Fuentes de Alimentación e Impedancias
Redundancia 1:1
Lazos críticos:
Redundancia de transmisores colocados en
segmentos diferentes
Elementos primarios (termopares):
Para eliminar fallos por rotura de termopar, todos
los transmisores de temperatura admiten dos
termopares.
Para
este
proyecto
ha
sido
utilizada
instrumentación Foundation Fieldbus de Smar , al
tiempo que se aprovecharon las válvulas de control
y dampers de tiro convirtiéndolos a la tecnología
Fieldbus mediante la instalación de posicionadores
fieldbus.
Para la integración de señales analógicas de 4 a 20
mA provenientes de analizadores de Oxigeno y
caudalímetros másicos existentes, se han utilizado
convertidores corriente-Fieldbus
5 .ADQUISICIÓN DE DATOS
Un gran numero de señales correspondían a la
medición de temperatura de tubos de caldera y a
otras variables informativas. En una gran
5
proporción (más de 600) disponían tan sólo del
elemento primario, constituido por un termopar tipo
K, y se utilizan para visualización, alarmas,
paquetes de software de mantenimiento, cálculo de
rendimientos, etc., pero no para control regulatorio.
Bajo este contexto, el introducir esta gran cantidad
de señales a través de los segmentos H1 de Fieldbus
encarecería la aplicación por lo que se optó en la
utilización del nuevo concepto de Smart I/O
universal que, a costes relativamente bajos, permite
disponer directamente y en tiempo real de toda la
información proveniente de los sensores haciendo
disponible sus datos en el servidor vía Fast Ethernet
a 100-Megabit/s
6 CONCLUSIONES
Como primera conclusión, podemos mostrar los
resultados obtenidos en este proyecto que ha
permitido incorporar la más moderna tecnología en
el campo de la instrumentación y control de
procesos industriales. Esta tecnología también la
podemos denominar como solución abierta y
estándar, no basada en un determinado sistema de
control de un suministrador sino en una Solución
Abierta
soportada en los siguientes conceptos:
Software Estándar y común para toda la Planta, Bus
de Comunicaciones Estándar, e Instrumentos y
Módulos de I/O inteligentes e interoperables.
Con estos conceptos puede utilizarse el hardware
más apropiado a cada subsistema (parque de
Carbones, Supervisión, Control de Quemadores,
Regulación de Ciclo, Registrador Cronológico de
Eventos, Control de Turbina, Equipos auxiliares,
Subestaciones, etc.)
En el caso normal de que la modernización de los
diversos grupos de una central se realice en varias
etapas y por lo tanto requiera varios años, pueden
instalarse, y por supuesto convivir, diversas
generaciones de hardware y si es necesario de
diferentes fabricantes. Con estas facilidades
eliminamos definitivamente la dependencia del
suministrador, lo que significa
los mejores
productos a los mejores precios.
•
La especificación del sistema de control es
sustituida por una Especificación de
Arquitectura, Topología y Funcionalidad.
•
En la parte correspondiente a funcionalidad,
deben describirse los requerimientos de
Software, Bloques requeridos, etc. También
serán especificadas las características del
software de operación y supervisión a ser
utilizado, así como los criterios de conectividad
con otros buses y redes.
•
Especificación de paquetes de software de
mantenimiento, gestión de activos, etc.
•
Hojas de configuración de dispositivos
siguiendo el estándar de la Fieldbus
Foundation.
Con esta tecnología es obvio que las horas
consumidas por la ingeniería se reducen,
principalmente por trabajarse en entornos estándar
y homologados por la F.F.
Bajo este contexto surgen dos alternativas:
A).- La ingeniería puede y debe ofrecer también
como parte de sus servicios la configuración de la
aplicación, ya que se pasa a utilizar herramientas
comunes independiente del suministrador de los
dispositivos de campo, ordenadores, etc.
B).- Los integradores de sistemas pueden ofrecer
soluciones completas sin diferenciación tecnológica
con relación a los tradicionales suministradores de
sistemas de control.
Podemos concluir que con Fieldbus existen
Soluciones de Control en lugar de Sistemas de
Control.
RECONOCIMIENTOS
Smar International Corporation, Houston, Texas
Smar Equipamentos Industriales, Brazil
Opto22, Temecula California
Finalmente, consideramos que la implantación de
proyectos con tecnología Fieldbus cambia
sustancialmente los conceptos de ingeniería,
Sistema de Control, Ingeniería de detalle., etc. Estos
cambios los podemos resumir en los siguientes
conceptos:
•
La especificación de Instrumentos incorpora
una sección dedicada a la capacidad de
configuración mínima necesaria para la
aplicación.
Conferencia de la Sección Española de ISA 1999
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