Foundation fieldbus engineering school - plant web - español

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Fieldbus 101
Introducción a FOUNDATION fieldbus
• Generalidades
• ¿Qué es FOUNDATION fieldbus?
• La ventaja del bus digital
• Un estándar establecido
• Interoperabilidad
• Control de procesos seguro y efectivo
¿Por qué me debe importar FOUNDATION fieldbus?
Usted no estaría leyendo esto si no sospechara ya que FOUNDATION fieldbus podría ayudarle
a mejorar el proceso y el rendimiento de su planta.
El hecho es que, sí puede. Ofrece distintas ventajas con respecto al cableado tradicional
analógico y discreto o incluso con respecto a otros buses digitales — al menor costo total
instalado y a los mejores costos en progreso.
FOUNDATION fieldbus puede proporcionar estos beneficios porque es diferente de las
tecnologías de comunicación tradicionales. Eso no quiere decir que sea más difícil de aprender o
de usar — sólo es diferente.
Para ayudarle a comprender esas diferencias, este curso introductorio ofrece un panorama
breve de FOUNDATION fieldbus y algunas de sus ventajas. Otros cursos proporcionan más
detalle acerca de la tecnología y de sus beneficios, así como consejos prácticos sobre cómo
poner a FOUNDATION fieldbus a trabajar para usted.
Generalidades
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Sugerencia: Mientras estudia los temas de este curso, busque las respuestas a estas preguntas:
• ¿Cómo puede FOUNDATION fieldbus llevar más información que el cableado de
4-20 mA?
• ¿Quién controla la tecnología FOUNDATION fieldbus?
• ¿Para qué clase de aplicación se diseñó FOUNDATION fieldbus originalmente?
FOUNDATION fieldbus es un sistema de comunicación serial de dos vías completamente digital
que sirve como la red de nivel base en el ambiente de automatización de una planta o fábrica.
Es ideal para aplicaciones que usen control regulatorio básico y avanzado, y para mucho del
control discreto asociado con esas funciones.
Se han introducido dos implementaciones relacionadas de FOUNDATION fieldbus para
satisfacer diferentes necesidades dentro del ambiente de automatización del proceso. Estas dos
implementaciones usan diferentes medios físicos y velocidades de comunicación.
• H1 trabaja a 31.25 Kbit/seg y generalmente se conecta a dispositivos de campo.
Proporciona comunicación y alimentación sobre cableado estándar en par torcido.
Actualmente H1 es la implementación más común y por lo tanto es el enfoque de estos
cursos.
• HSE (Ethernet de alta velocidad) trabaja a 100 Mbit/seg y generalmente conecta
subsistemas de entrada/salida, sistemas host, dispositivos de enlace, compuertas y
dispositivos de campo que usen cableado Ethernet estándar. Actualmente no
proporciona alimentación sobre el cable, aunque ya se está trabajando sobre este
aspecto.
¿Qué es FOUNDATION Fieldbus?
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Los instrumentos de campo analógicos y discretos convencionales usan cableado punto a punto:
un par por dispositivo. También se limitan a llevar sólo un elemento de información –
generalmente una variable de proceso o salida control – sobre esos hilos.
Como bus digital, FOUNDATION fieldbus no tiene esas limitaciones.
Cableado multipunto. FOUNDATION fieldbus soportará hasta 32 dispositivos en un solo par de
hilos (llamado segmento) – o más si se usan repetidores. En la practica real, lo más típico es 4 a
16 dispositivos por segmento H1 después de considerar aspectos tales como alimentación,
modularidad del proceso y la velocidad de ejecución del lazo.
Eso significa que si usted tiene 1000 dispositivos – que requerirían 1000 pares de hilos con la
tecnología tradicional – usted sólo necesita 60 a 250 pares de hilos con FOUNDATION fieldbus.
Eso es un gran ahorro en cableado (y en instalación del cableado).
Instrumentos multivariables. Ese mismo par de hilos puede manejar múltiples variables
provenientes de un dispositivo de campo. Por ejemplo, un transmisor de temperatura podría
comunicar las entradas de ocho sensores -- reduciendo los costos tanto de cableado como de
instrumentos.
Otros beneficios de reducir varios dispositivos a uno pueden incluir menos penetraciones de
tubo (para seguridad mejorada y menor riesgo de emisiones fugitivas) y menores costos de
ingeniería.
Comunicación de dos vías. Además, el flujo de información ahora puede ser en dos sentidos.
Un controlador de válvula puede aceptar una salida de control proveniente de un sistema host u
otra fuente y enviar la posición real de la válvula para un control más preciso. En un mundo
analógico, eso requeriría otro par de hilos.
Nuevos tipos de información. Los dispositivos analógicos y discretos tradicionales no tienen
manera de decirle si están operando correctamente, o si la información de proceso que están
enviando es válida. Como consecuencia, los técnicos pasan mucho tiempo verificando la
operación del dispositivo.
Pero los dispositivos FOUNDATION fieldbus le pueden decir si están funcionando
correctamente, y si la información que están enviando es buena, mala, o incierta. Esto elimina la
necesidad de la mayoría de las revisiones de rutina – y le ayuda a detectar condiciones de falla
antes de que provoquen un problema mayor.
La ventaja del bus digital
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En una arquitectura PlantWeb, los dispositivos de campo de Emerson pueden
proporcionar información del estado que ayuda a reducir el costo de mantenimiento
al eliminar las revisiones de rutina de la operación del dispositivo.
Sus diagnósticos predictivos también pueden ayudar a incrementar el tiempo activo y el
rendimiento de la planta al detectar o predecir el deterioro del rendimiento y las condiciones
de falla antes de que provoquen problemas.
Control en campo. FOUNDATION fieldbus también ofrece la opción de ejecutar algunos o
todos los algoritmos de control en los dispositivos de campo en lugar de en un sistema host
central. Dependiendo de la aplicación, el control en campo puede proporcionar menores costos y
mejor rendimiento – mientras habilita el control automático para continuar incluso si hay una falla
relacionada con un host.
FOUNDATION fieldbus está respaldado por estándares de tres organizaciones importantes:
• ANSI/ISA 50.02
• IEC 61158
• CENELEC EN50170:1996/A1
La tecnología es administrada por Fieldbus Foundation una Fundación independiente y no
lucrativa. Sus miembros incluyen más de 150 compañías y usuarios así como todos los
principales proveedores de automatización de procesos en todo el mundo.
Incluso, algunos proveedores han donado patentes relacionadas con bus de campo a Fieldbus
Foundation para estimular un mayor uso de la tecnología por parte de todos los miembros de la
Fundación.
Interoperabilidad significa simplemente que los dispositivos y sistemas host
FOUNDATION fieldbus pueden trabajar juntos mientras le proporcionan a
usted toda la funcionalidad de cada componente.
Un estándar establecido
Interoperabilidad
La ventaja PlantWeb
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¿Cómo se sabe si es interoperable? Los instrumentos pueden obtener el estado "registrado"
(y el derecho de portar un logotipo de aceptación de FOUNDATION fieldbus) al pasar rigurosas
pruebas para demostrar que cumplen con los requerimientos para interoperabilidad.
Y para garantizar que los usuarios tengan una elección de productos fieldbus, la Foundation no
permite que los dispositivos tengan la marca de verificación de interoperabilidad FOUNDATION
fieldbus hasta que al menos dos productos del mismo tipo — de diferentes fabricantes — hayan
pasado las pruebas.
Pruebas de interoperabilidad de host. Los sistemas host son sometidos a pruebas
supervisadas por la Fundación para demostrar que soportan características específicas de
interoperabilidad. Las características que soporta un sistema host dado se listan en el sitio web
de la Fundación, pero los sistemas host no son registrados y no portan el logotipo de aceptación.
Además, algunos proveedores y usuarios de automatización han cooperado para realizar
extensas pruebas de interoperabilidad entre las diferentes marcas de instrumentos y sistemas
host — tanto en el laboratorio como en las plantas del mundo real.
Interoperable no quiere decir intercambiable. Intercambiable significa que usted puede
sustituir libremente un dispositivo por otro y obtener exactamente la misma funcionalidad.
Interoperable, por otro lado, significa que diferentes dispositivos de diferentes fabricantes
pueden trabajar junto – pero dispositivos individuales pueden tener diferente funcionalidad.
Por ejemplo, usted puede tener dos transmisores de presión de diferentes fabricantes. Un
transmisor puede proporcionar sólo funcionalidad de entrada analógica, mientras que el otro
transmisor también le ofrece control PID y capacidades de diagnóstico personalizadas. Usted no
puede reemplazar el transmisor más capaz con el menos capaz y seguir obteniendo la misma
funcionalidad total. Pero ambos transmisores pueden trabajar juntos en el mismo segmento
fieldbus.
El curso Fieldbus 201 cubre la interoperabilidad en más detalle.
La ventaja PlantWeb
Los dispositivos de campo inteligentes usados en la arquitectura PlantWeb
estaban entre los primeros en obtener el logotipo de aceptación de la Fundación.
Nuestro sistema de automatización DeltaV™ también fue uno de los primeros
en pasar exitosamente las pruebas de sistema host. Y Emerson ha sido un
participante líder en las pruebas de interoperabilidad de múltiples proveedores.
Como resultado, además del rendimiento y fiabilidad por los que son conocidos nuestros
dispositivos y sistemas, usted obtiene la flexibilidad de juntar una solución interoperable que
cumpla con sus necesidades.
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Algunos protocolos de comunicación que fueron diseñados originalmente para automatización
de fábrica u oficina están demostrando ser útiles en aplicaciones de nicho específicas en plantas
de procesos. Pero ninguno de estos protocolos fue diseñado teniendo en cuenta todos los
requerimientos del control de procesos. Como resultado, son opciones algo menos que óptimas
para proporcionar un control de procesos seguro y efectivo.
FOUNDATION fieldbus H1, por el contrario, fue desarrollado específicamente para satisfacer las
necesidades de la industria de procesos.
• Puede soportar el ambiente severo y peligroso de las plantas de procesos.
• Proporciona alimentación y comunicación sobre el mismo par de hilos.
• Puede usar el cableado existente en la planta.
• Soporta seguridad intrínseca.
En breve, está diseñado para operar donde esté su proceso.
Control con el que usted puede contar. FOUNDATION fieldbus también proporciona control
de procesos determinístico: las comunicaciones de control suceden a tiempo, sin demoras
provocadas por otro tráfico en el bus. Si no pasa en mensaje, vuelve a intentar.
La fiabilidad de control no para aquí. Si los dispositivos de campo pierden su conexión hacia el
sistema host, son capaces de mantener un control seguro y efectivo a través del bus.
Manteniendo informado al usuario. Los dispositivos FOUNDATION fieldbus siempre saben si
la información que están proporcionando es buena y proporcionan la información de estado con
la variable de proceso. Para la operación más segura de la planta, tanto la estrategia de control
como el operador necesitan recibir esta información de estado a través del host para que
puedan responder con seguridad y en forma predecible durante los modos de falla.
En resumen: FOUNDATION fieldbus está diseñado para entregar el rendimiento y la fiabilidad
necesarios para el control crítico de procesos.
Control de procesos seguro y eficiente
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Fieldbus 102
Comunicaciones Fieldbus
• Generalidades
• El modelo de las comunicaciones
• Capa física
• Las capas de enlace de datos y aplicación
• Capa de usuario
• Comunicaciones programadas
• Comunicaciones no programadas
• Estado de parámetro
• Reloj de aplicación
• Programador activo de enlace (LAS)
• Asignación de dirección de dispositivo
• Servicio de encontrar etiqueta
¿Cómo llegan los datos a donde se necesitan – cuando se necesitan?
Uno de los aspectos más importantes de FOUNDATION fieldbus es su habilidad de colectar y
entregar grandes cantidades de información -- no sólo variables de proceso y señales de
control, sino también otros tipos de datos de los instrumentos y del proceso.
Generalidades
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Hace esto en forma consistente y confiable, mientras proporciona interoperabilidad entre
dispositivos de diferentes fabricantes -- y compatibilidad con el cableado existente. Este curso
describe las características clave de la tecnología que hace esto posible.
Sugerencia: Mientras estudia los temas de este curso, busque las respuestas a estas
preguntas:
• ¿Qué clases de información se transmiten usando comunicaciones no programadas?
• ¿Cómo mejora FOUNDATION fieldbus la fecha y hora de alarmas y eventos?
• ¿Cuáles son las tres etiquetas posibles que FOUNDATION fieldbus puede usar para
describir el estado de un parámetro de proceso?
El modelo de las comunicaciones FOUNDATION fieldbus tiene tres partes:
• La capa física
• Las capas de enlace de datos y aplicación
• La capa de usuario
La capa física y las capas de enlace de datos y aplicación componen el stack de
comunicaciones. La capa de usuario se asienta en la cima del stack y le permite a usted
interactuar con las otras capas y con otras aplicaciones en su sistema.
Usted no tiene que recordar los detalles del modelo de comunicación para usar FOUNDATION
fieldbus. Pero la información de esta página y de las siguientes tres páginas le ayudarán a
comprender la relación entre los diferentes aspectos de la tecnología fieldbus.
El modelo de las comunicaciones
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La primer capa funcional del modelo de comunicaciones FOUNDATION fieldbus es la capa
física, que tienen que ver con la traducción de mensajes en señales físicas sobre el hilo -- y
viceversa.
La capa física también proporciona la interfaz eléctrica común para todos los dispositivo
FOUNDATION fieldbus. Los segmentos FOUNDATION fieldbus H1 requieren alimentación de
9-32 volts CD y aproximadamente 15-20 mA de corriente por dispositivo. Operan a una
velocidad de comunicación de 31.25 kbaudios.
La capa física FOUNDATION fieldbus está definida por los estándares aprobados (IEC 1158-2
y ANSI/ISA 50.02, parte 2). Puede correr en el cableado de campo existente sobre grandes
distancias, soporta dispositivos de dos hilos, y ofrece seguridad intrínseca como una opción. En
breve, es ideal para un ambiente típico de automatización de procesos.
La segunda parte del modelo de comunicación combina varias tecnologías que juntas controlan
la transmisión de datos en el fieldbus.
Capa física
Capas de enlace de datos y aplicación
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Las capas de enlace de datos y aplicación proporcionan una manera estándar de "empaquetar"
los datos, así como de manejar el programa para la comunicación y ejecución del bloque de
funciones. Estas capas permiten el control del proceso mientras proporcionan estandarización
e interoperabilidad.
La capa física se asienta encima del stack de comunicaciones, donde permite le permite a
usted interactuar con las otras capas y con otras aplicaciones.
La capa de usuario contiene bloques de recursos, bloques transductores y bloques de
funciones que describen -- y ejecutan – las capacidades del dispositivo tales como control y
diagnósticos. Las descripciones de dispositivo permiten al sistema host interactuar con estos
bloques sin programación personalizada y comprenderlos.
Los bloques y el lenguaje de descripción de dispositivos se cubren en más detalle en cursos
posteriores.
Todos los dispositivos y bloques de funciones el segmento FOUNDATION ejecutan y
comunican información de control del proceso en un ciclo regular repetitivo.
El tiempo para este tipo de comunicación está determinado por un programa maestro en el
Link Active Scheduler, que es una función que reside en el sistema host o en uno de los
dispositivos del segmento. Usted aprenderá más acerca del Link Active Scheduler más tarde en
este curso.
Estas comunicaciones programadas (también llamadas "cíclicas") usan un método
publisher/subscriber (publicador/suscriptor). Esto significa que los datos se envían en el bus o
se "publican" una vez, y todos los demás dispositivos que necesitan los datos escuchan o se
"suscriben" a la misma transmisión. Por lo tanto, un parámetro específico puede ser usado por
tantos dispositivos o funciones diferentes como usted quiera, sin incrementar el tráfico en el bus
o afectar gravemente el rendimiento del control.
Capa de usuario
Comunicaciones programadas
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Estas comunicaciones también son determinísticas. Esto significa que siempre ocurren sobre
un programa predeterminado, así que es seguro que la información se transmitirá (y se recibirá)
precisamente cuando se necesita.
El resultado es la ejecución regular y precisa de la comunicación y control, lo que ayuda a
reducir la variabilidad del proceso. Para lazos de control rápidos o críticos en el tiempo, el
control en FOUNDATION fieldbus puede mejorar el rendimiento de la planta.
FOUNDATION fieldbus soporta muchos tipos de información aparte de los datos de control de
lazos de procesos. Estos otros tipos de información incluyen
• Información de configuración enviada a dispositivos o a una base de datos central
• Datos de alarma, eventos y tendencias
• Información para los desplegados de los operadores
• Información de diagnóstico y de estado.
Esta información es importante, pero no tan crítica en el tiempo como la información de control
de lazo. Si se transmite 1/8 de segundo antes en un ciclo de comunicación y 1/8 de segundo
después en el siguiente ciclo, no hay impacto sobre el control del proceso u operación de la
planta.
Tiempo flexible. FOUNDATION fieldbus le da a esta información una menor prioridad en el
segmento que a las comunicaciones programadas relacionadas con el lazo de control. Sin
embargo, se reserva una cierta cantidad de tiempo en el ciclo de comunicación para estas
comunicaciones no programadas (o "acíclicas") para garantizar que el segmento no se cargue
tanto que no pueda llevar la información.
Durante este tiempo, un método token-passing (paso de ficha) le da a cada dispositivo del
segmento la oportunidad de transmitir mensajes hasta que termine o hasta que se agote el
tiempo asignado.
FOUNDATION fieldbus soporta una variedad de revisiones de redundancia de datos para evitar
errores de bits. Dos características adicionales que ayudan a garantizar la fiabilidad de los
datos son el reloj de aplicación (el siguiente tema de este curso) y un estado asociado con
cada parámetro.
Cada dispositivo está diseñado para revisar si hay problemas y etiquetar los datos que envía
según el resultado de la revisión. Esta etiqueta de estado muestra si la calidad de los datos es
good (buena), bad (mala) o uncertain (incierta).
Comunicaciones no programadas
Estado de parámetro
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En una arquitectura de PlantWeb, los sistemas DeltaV y Ovation leen la
información de estado del dispositivo y la propagan a través del sistema.
Como resultado,
• Los operadores pueden conocer la validez de la información que están usando para
la toma de decisiones.
• Las estrategias de control se pueden configuran para que modifiquen su acción de
control dependiendo de la información de estado del dispositivo.
• Las estrategias de control avanzado tales como Control Predictivo Modelo o Control
de Red Neuronal pueden ser notificadas cuando los datos que estén usando no
estén bien o sean sospechosos.
• Las aplicaciones de AMS Suite presentan la información al personal de
mantenimiento para que ellos puedan verificar que la operación sea adecuada, o
para que identifiquen y localicen más rápidamente las condiciones de error reales o
pronosticadas.
La ventaja PlantWeb
Por ejemplo, una señal de estado bad podría indicar una falla de dispositivo, tal como un
sensor o transmisor de temperatura defectuoso.
Un estado uncertain indica que la calidad de los datos es desconocida. Por ejemplo, la lectura
de un transmisor de presión que sea 110% del límite superior del dispositivo puede ser exacta -
- o puede ser inexacta porque el dispositivo se ha saturado a alto y la presión real es aún más
alta.
Consejo práctico
La información de estado del dispositivo se pone a disposición del sistema host, pero no
todos los hosts usan esta información. Por lo tanto usted puede revisar si el sistema host
que está considerando tiene esta funcionalidad. El host debe mostrar esta información de
estado al operador y debe soportar el uso de la información para modificar la acción de
control si es adecuado.
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Cada dispositivo de un segmento FOUNDATION fieldbus comparte el mismo tiempo.
Una función de gestión del sistema llamada application clock (reloj de aplicación) emite
periódicamente la hora – ya sea en tiempo local o en Tiempo Coordinado Universal – a todos
los dispositivos. Cada dispositivo usa un reloj interno para mantener la hora entre estas
emisiones de sincronización.
Se asigna hora y fecha a las alarmas y eventos en el dispositivo donde ocurren, cuando
ocurren --no después cuando se reciben en un historiador, registro de alarmas u otra aplicación
de un sistema host.
Debido a este enfoque, FOUNDATION fieldbus proporciona precisión y resolución de tiempo
superiores para actividades tales como registro de secuencias de eventos y análisis.
La función programador activo de enlace (LAS) mantiene el programa determinístico central
para comunicación entre los dispositivos de un segmento. Mejora la fiabilidad general de
comunicación al hacer que cada dispositivo transmita datos cíclicos cuando se le programa
para que lo haga.
Los reintentos de mensajes también incrementan la fiabilidad de la comunicación. Si un
dispositivo no responde al mensaje "compel data" (forzar datos) de LAS -- por ejemplo, si una
transiente eléctrica momentánea en el dispositivo evita que éste se comunique – entonces la
función LAS volverá a enviar el mensaje para forzar al dispositivo a publicar su información.
La función LAS reside en un dispositivo o componente del sistema host (tal como una tarjeta de
interfaz H1) en el segmento. Si LAS falla, entonces un LAS de respaldo ubicado en otro
dispositivo o componente del sistema host toma el control como el programado maestro.
Puede haber más de un LAS de respaldo en un segmento. Si el primer respaldo falla, el
segundo respaldo toma el control, y así sucesivamente. Esto significa que FOUNDATION
fieldbus está diseñado para una degradación natural, incrementando más la fiabilidad.
Como bus digital multipunto, FOUNDATION fieldbus lleva señales desde y hacia varios
dispositivos sobre el mismo cable. Para identificar cuál información está asociada con cuál
dispositivo, se asigna una dirección a cada dispositivo.
Reloj de aplicación
Programador activo de enlace (LAS)
Asignación de dirección de dispositivo
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Dependiendo del protocolo de comunicación, se pueden asignar las direcciones en varias
maneras, desde dip switches o direccionamiento off-line (fuera de línea) a asignación
automática online (en línea).
Los métodos tales como el uso de dip switches o direccionamiento offline conllevan el riesgo de
errores humanos, como asignar inadvertidamente una dirección a más de un dispositivo. Estos
errores de direccionamiento pueden provocar errores de comunicación, o en casos extremos
pueden evitar que el bus trabaje. Es por eso que FOUNDATION fieldbus no permite estos
métodos de asignación de dirección.
El direccionamiento online ayuda a evitar problemas tales como dispositivos duplicados con la
misma dirección, pero por sí sólo no garantiza que no haya errores de direccionamiento. Usted
puede evitar este riesgo si las direcciones se asignan automáticamente mediante una
herramienta de configuración o un sistema host mientras que cada dispositivo está conectado
al segmento.
Muchos protocolos de comunicación requieren que el usuario identifique los dispositivos y los
parámetros, y que los vincule mediante asignación de dirección y/o registro. Esto puede ser un
proceso difícil y propenso a error.
FOUNDATION fieldbus, por el contrario, es un bus basado en etiquetas. En lugar de requerir
una dirección de registro o de hardware, puede encontrar dispositivos o variables por etiqueta
(tal como "FT-101").
Para encontrar una etiqueta específica, se envía una interrogación de búsqueda de etiqueta
(find tag query) en el bus. A medida que cada dispositivo recibe la interrogación, busca en sí
mismo la etiqueta solicitada.
En la arquitectura PlantWeb, las herramientas de configuración DeltaV y Ovation
asignan automáticamente las direcciones de los dispositivos para eliminar
trabajo innecesario y la posibilidad de asignaciones duplicadas.
FOUNDATION fieldbus reserva algunas direcciones para los hosts y para dispositivos
temporales tales como herramientas de mantenimiento. La asignación automática de
dirección de los sistemas DeltaV y Ovation asegura que estas direcciones reservadas no se
asignarán inadecuadamente.
Por último, usted puede pasar por alto las direcciones predeterminadas y asignar
direcciones específicas a ciertos dispositivos cuando sea necesario.
La ventaja PlantWeb
Find tag service
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Cuando un dispositivo encuentra la etiqueta, regresa información de la ruta completa y todos
los parámetros necesarios y descriptores asociados con la etiqueta. Luego, el host o la
herramienta de mantenimiento puede usar la ruta para tener acceso a los datos para la
etiqueta. Esta característica también ayuda a evitar la duplicación de asignaciones de etiqueta.
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Fieldbus 103
Programación de lazo
• Generalidades
• Programación básica
• Múltiples lazos en el mismo segmento
¿Qué hace que cada acción de control ocurra cuando debe?
El buen control de procesos depende del tiempo. Si las acciones de control no ocurren cuando
deben, la variabilidad resultante en el proceso puede incrementar el uso de energía y de
materia prima, reducir el rendimiento y reducir la calidad del producto.
FOUNDATION fieldbus resuelve este problema ejecutando el control sobre un programa
determinístico, en tiempo real. La tecnología está diseñada par adaptarse al rango total de
situaciones de control al que usted se puede enfrentar.
Este curso resume cómo FOUNDATION fieldbus hace esto.
preguntas:
• ¿Qué determina cuándo comienza un bloque de funciones o acción de comunicación?
• ¿Cómo se evitan las comunicaciones traslapadas cuando se tienen más de un lazo en
el mismo segmento?
• ¿Cómo se pueden acomodar tanto lazos rápidos como lazos lentos?
Generalidades
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En FOUNDATION fieldbus, las comunicaciones relacionadas con el control y los bloques de
funciones se ejecutan a intervalos definidos con precisión, y en el orden programado adecuado
para obtener un control de procesos correcto.
Los métodos para garantizar el tiempo correcto de las comunicaciones fieldbus — incluyendo el
reloj de aplicación y el programador activo de enlace — se cubren en el curso anterior, y el
curso que sigue a éste cubre los bloques de funciones en detalle. Esta sección explica cómo
se sincronizan los dos para proporcionar el mejor rendimiento de control posible.
El programa general se llama un macrociclo. Los macrociclos para todos los dispositivos de un
segmento se programan con precisión y todos usan el mismo tiempo absoluto de inicio. Los
bloques de funciones y las comunicaciones se ejecutan a offsets especificados con respecto a
este tiempo absoluto.
Este diagrama muestra el programa para un lazo típico donde la función PID está en el
controlador de la válvula (Device 2). Cada actividad ocurre a un offset definido con respecto al
tiempo absoluto de inicio.
Este ciclo se repite en un programa exacto en progreso. Los mensajes no programados
(acíclicos) se pueden comunicar en cualquier momento en que no se estén enviando mensajes
programados (cíclicos).
Programación básica
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Consejo práctico
Tenga precaución al programar los lazos. Las funciones se ejecutarán en el orden que usted
especifique, aunque ese orden sea incorrecto. Si se programan las AO primero, luego el
PID, y las AI al último, se agregará un retardo largo e innecesario a su procesamiento
general de lazo.
La ventaja PlantWeb
La arquitectura PlantWeb hace que la programación de lazo sea fácil.
La programación se hace automáticamente en las herramientas de
configuración DeltaV y Ovation. Usted simplemente arrastra y suelta los bloques
en una hoja de configuración gráfica. A medida que se sueltan los bloques en su lugar, se
numeran automáticamente en el orden de ejecución y se calcula el macrociclo
automáticamente. Si usted los construye en el orden en que se ejecutarán, no necesitan
mayor programación.
Si usted decide cambiar el orden de ejecución, las herramientas de configuración DeltaV y
Ovation le permiten cambiar el orden de ejecución simplemente haciendo clic en los bloques
en el orden en que usted quiere que se ejecuten.
Múltiples lazos en el mismo segmento
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Como se muestra en este ejemplo, usted puede tener varios bloques de funciones
ejecutándose al mismo tiempo en el mismo segmento, siempre y cuando estén en diferentes
dispositivos y tengan tiempos de inicio diferentes. El ejemplo tiene tres lazos, con el PID en el
controlador de la válvula.
Sin embargo, usted no puede tener más de un dispositivo comunicándose en el bus al mismo
tiempo. El programa del ejemplo evita que la comunicación se traslape. Esto se logra
distribuyendo los tiempos de inicio de comunicación de los bloques de funciones de manera
que un bloque no inicie hasta que el anterior haya terminado.
Por simplicidad, el diagrama muestra bloques ejecutándose en secuencia, sin traslape de
procesamiento. En la realidad, múltiples bloques pueden ejecutarse al mismo tiempo siempre y
cuando estén en diferentes dispositivos, y los datos se pueden comunicar tan pronto como se
complete el procesamiento. Múltiples dispositivos no se pueden comunicar al mismo tiempo.
Consejo práctico
No suponga que todos los dispositivos tienen igual rendimiento. Diferentes dispositivos
pueden requerir diferentes tiempos para ejecutar un bloque de funciones. Por ejemplo, un
dispositivo puede ejecutar un bloque PID en 30 ms; otro puede tomar 75. Revise con su
proveedor para ver si ellos ofrecen una herramienta de programación automatizada que
tome en consideración los diferentes tiempos de ejecución de los dispositivos.
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Fieldbus 104
Bloques fieldbus
• Generalidades
• ¿Qué es un bloque de recursos?
• ¿Qué es un bloque transductor?
• ¿Qué es un bloque de funciones?
• Bloques de funciones FOUNDATION fieldbus
• Bloques de funciones FOUNDATION fieldbus básicos
• Bloques de funciones FOUNDATION fieldbus avanzados
• ¿Cómo se ponen los bloques de funciones en los dispositivos?
• Instanciación de bloques dentro de dispositivos
• Descripciones de dispositivos
¿Qué son los bloques fieldbus, y qué hacen por mí?
Piense en los bloques fieldbus como pequeños módulos de software sellados. Cada bloque
tiene un conjunto definido de entradas y/o salidas para una función específica o tipo de
información. Usted no tiene que manejar el procesamiento interno que activa las entradas y
salidas. De eso se encarga el fabricante que proporciona el bloque como parte de un
dispositivo o sistema host fieldbus.
FOUNDATION fieldbus usa tres tipos de bloques:
Generalidades
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• Bloques de recursos
• Bloques transductores
• Bloques de funciones
Por qué son importantes. Los bloques de recursos y transductor proporcionan información
valiosa acerca de los dispositivos, sensores y actuadores, y acerca de su rendimiento. Los
bloques de funciones son los motores del control abierto, interoperable y dependiente del
dispositivo. Juntos, estos tres tipos de bloques permiten que usted mejore con más facilidad el
rendimiento del equipo y el control de procesos.
Este curso le introduce a los tres tipos de bloques y a la manera en que se usan.
preguntas:
• ¿Qué clases de información proporciona un bloque de recursos? ¿Y un bloque
transductor?
• ¿Qué capacidad clave proporcionan los bloques de funciones? ¿Trabajan en la misma
forma todos los bloques de funciones?
• ¿Quién decide cuántos bloques de cada tipo se usan en un dispositivo en particular?
El bloque de recursos tiene que ver con el dispositivo en general. Contiene información tal
como fabricante, tipo de dispositivo y número de serie. Cada dispositivo tiene un bloque de
recursos.
Además, el bloque de recursos también proporciona a menudo información acerca de la
condición operativa o estado del dispositivo en general. El acceso a esta información adicional
puede ser una de las características más importantes de FOUNDATION fieldbus porque puede
permitir que usted detecte problemas potenciales del dispositivo antes de que éstos afecten al
proceso.
Durante la ejecución del proyecto, el bloque de recursos se usa para identificar un dispositivo,
ponerle etiqueta y comisionarlo. Durante las operaciones continuadas, los técnicos de
mantenimiento lo usan para obtener información de estado y de configuración del dispositivo en
general, y para correr algunos tipos de diagnósticos específicos al dispositivo.
Hay un bloque de recursos para cada dispositivo.
¿Qué es un bloque de recursos?
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El bloque transductor tiene que ver con las "partes internas" de un dispositivo. Proporciona las
funciones de entrada/salida locales necesarias para leer los sensores y para comandar los
actuadores, displays u otro hardware de salida. Es el enlace entre el mundo físico de los
sensores y actuadores y el "mundo de datos" del control de procesos.
El bloque transductor contiene información tal como datos de calibración, tipo de sensor,
materiales de construcción, y en muchos casos la condición operativa y el estado de los
actuadores y sensores.
Durante la ejecución del proyecto, los bloques transductores se usan para calibrar el
dispositivo, establecer las unidades, y para otras tareas relacionadas con la provisión de una
entrada o salida precisa y confiable. Durante las operaciones continuadas, los técnicos de
mantenimiento usan estos bloques para solucionar problemas y calibrar dispositivos, realizar
revisiones de diagnóstico, y para llevar a cabo otras tareas para mantener la condición
operativa y el rendimiento de los dispositivos.
Se pueden tener varios bloques transductores en un solo dispositivo. Por ejemplo, un bloque
transductor puede trabajar sobre el sensor o actuador, otro puede trabajar con el display local,
y un tercer bloque puede trabajar con diagnósticos.
¿Qué es un bloque transductor?
La ventaja PlantWeb
En los controladores de válvula digitales FIELDVUE® usados la arquitectura
PlantWeb, por ejemplo, el bloque transductor proporciona información que se
usa en los diagnósticos de firma de las válvulas y en la revisión de problemas
de rendimiento tales como fricción estática. De manera similar, el bloque transductor de un
transmisor se puede usar para revisar una variedad de condiciones de falla de sensores.
También se usan bloques transductores especiales para proporcionar monitoreo estadístico
del proceso, predecir la vida del sensor, detectar tubos de impulso tapados, y funciones
similares.
La ventaja PlantWeb
La arquitectura PlantWeb está diseñada para aprovechar el tremendo potencial de
diagnóstico de los bloques de recursos y transductores — desde diagnósticos de
válvula de 0 a 100% de carrera, a diagnósticos de la vida y rendimiento del
sensor, hasta diagnósticos de equipo externo como tubos de impulso.
Las funciones de mantenimiento pueden capturar esta gran cantidad de información a través
del software AMS Suite: Intelligent Device Manager, y los operadores pueden ver el estado
del equipo en el display de operaciones.
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Los bloques de funciones proporcionan el comportamiento del sistema de control dentro del
ambiente del fieldbus. Bloques de entrada y salida analógicas y discretas, y una amplia
variedad de algoritmos de control tales como caracterizador, divisor, o PID, se pueden ligar a
través del fieldbus para realizar el control del proceso.
Incluso es posible -- en muchos casos, ventajosos – correr un lazo de control completamente
en los dispositivos de campo, sin involucrar al sistema host.
Un dispositivo simple puede tener sólo un bloque de funciones de entrada o salida. Los
dispositivos más complejos pueden tener varios bloques de entrada y salida, así como bloques
para supervisión y control.
Durante la ejecución del proyecto, los ingenieros de control usan los bloques de funciones para
implementar la estrategia de control. Durante las operaciones continuadas, los bloques de
funciones proporcionan la información del control del proceso y las funciones que los
operadores usan para correr la planta.
¿Qué es un bloque de funciones?
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La Fieldbus Foundation ha definido conjuntos estándar de bloques de funciones básicos y
avanzados. Los fabricantes deciden cuáles de estos bloques estándar -- así como otros
bloques no estándar -- serán soportados en cada dispositivo de campo.
Interoperabilidad integrada. Si un dispositivo cumple con la especificación de FOUNDATION
fieldbus para un bloque de funciones, ese bloque de funciones será interoperable – es decir, las
entradas y salidas permitirán al bloque trabajar junto con otros bloques de acuerdo a la
especificación FOUNDATION fieldbus sin importar de qué fabricante sea el dispositivo o host.
La especificación no define exactamente cómo esas entradas se convierten en salidas. Cada
fabricante puede escoger el algoritmo que usan para hacer que eso ocurra. Por lo tanto,
mientras que los bloques de funciones estándar trabajarán juntos, es posible que no trabajen
igual.
Espacio para innovación. Los fabricantes de dispositivos y sistemas también pueden
proporcionar bloques o funciones que no son especificados por la FUNDACION. Por ejemplo,
un fabricante podría proporcionar un bloque de lógica difusa (que actualmente no está definido
por las especificaciones de fieldbus), o agregar una característica de auto-sintonización a un
bloque PID estándar.
Estos bloques hechos a medida son interoperables con los bloques de funciones estándar. Eso
es porque la especificación FOUNDATION fieldbus define entradas, salidas, modos y otros
parámetros incluso para bloques hechos a medida.
La ventaja PlantWeb
PlantWeb fue diseñada desde el principio para que usara bloques de funciones
fieldbus a través de la arquitectura -- en dispositivos así como en el sistema
host DeltaV.
Usted usa las mismas herramientas para configurar todos los bloques de funciones, sin
importar donde corran. Usted puede mover los bloques de un dispositivo a otro (o al host)
sin que cambie la manera en que corren.
Usted también puede combinar dispositivos analógicos y fieldbus en un solo lazo, o incluso
puede asignar una configuración diseñada para instalación analógica tradicional para que
corra en dispositivos fieldbus.
Los beneficios: flexibilidad sin precedentes y enormes ahorros en el tiempo de ingeniería –
con menores errores debido a que no hay mapeo manual de bloques de funciones entre
dispositivos de campo y el sistema DeltaV.
Bloques de funciones FOUNDATION Fieldbus
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La Fundación ha definido especificaciones para las siguientes funciones básicas:
Bloques de Funciones Continuas Especificadas
Analog Input AI Lee entrada analógica
Analog Output AO Envía salida analógica
Bias Gain B Escalamiento
Control Selector CS Selector de control (Override control)
Manual Loader ML Control Manual
PID Control PID Control PID
PD Control PD Control PD solamente
Ratio Control RA Control de Relación
Bloques de Funciones Discretas Especificadas Básicas
Discrete Input DI Lee entrada discreta
Discrete Output DO Envía salida discreta
La Fundación ha definido especificaciones para las siguientes funciones avanzadas:
Bloques de Funciones Continuas Especificadas Avanzadas
Complex AO Proporciona interlocks
Splitter
Salida 1 en 3 + lógica – para rango
dividido
Selector Salida 4 en 1 (mín., máx., med., prom.)
Setpoint Generator Generador SP para aplicaciones Batch
Characterizer Tiene interpolación y rastreo
Bloques de funciones FOUNDATION fieldbus básicos
Bloques de funciones FOUNDATION fieldbus avanzadas
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Integrator Pulso o caudal integrado + reset
Calc_A 1131-C inst. - 50 pasos – analógicos
Lead/Lag Compensación dinámica
Dead Time
Retardo para control prealimentado
analógico
Analog Alarm Proporciona respuesta de alarma
Bloques de Funciones Discretas Especificadas Avanzadas
Digital HMI Entrada de operador – referencia por tag
Pulse Input Pulsos de pase a integrador
Timer
Cuenta ascendente/descendente,
debounce
Digital Alarm Proporciona respuesta de alarma
Step Control Control SP usando actuadores discretos
Calc_D 1131-C inst. - 50 pasos – discretos
Complex DO Proporciona interlocks
Device
Dispositivos simples de 2 ó 3 estados
(bombas)
Dead Time
Retardo para control prealimentado
analógico
Analog Alarm Proporciona respuesta de alarma
Fieldbus Foundation agrega nuevas especificaciones de tipo de bloques regularmente. Vea la
lista más actual en el sitio web de Fieldbus Foundation.
Los bloques de funciones Fieldbus permiten que los dispositivos de campo contengan
capacidades de control que anteriormente estaban restringidas a un sistema de control central.
Como resultado, las arquitecturas basadas en fieldbus se pueden escalar más fácilmente que
las arquitecturas tradicionales. Eso es porque generalmente es más fácil y más barato agregar
más dispositivos que expandir el sistema de control central. Incluso, usted no tiene que agregar
más dispositivos, si los que ya están instalados pueden alojar las funciones que usted quiere
agregar.
¿Cómo se ponen los bloques de funciones en los dispositivos?
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Pero ¿cómo llegan esas funciones a los dispositivos?
Una manera es que el fabricante incluya un conjunto fijo de bloques de funciones para cada
dispositivo. Mientras que se puede esperar tener algunos bloques en un tipo específico de
dispositivo – tal como un bloque AI en un transmisor, o un bloque AO en un controlador de
válvula – el número y tipo de bloques soportados variará de un dispositivo a otro y de un
fabricante a otro. Uno puede incluir PID en un transmisor de presión, mientras que otro no.
La otra manera es dejar que el usuario decida – dentro de los límites establecidos por el
fabricante – cuáles tipos y cuántos bloques de funciones residirán en el dispositivo. Este
enfoque se llama instanciación.
La instanciación es el proceso de crear una nueva instancia (o copia) de un bloque de
funciones en un dispositivo. Es una manera fácil y económica de agregar capacidades sin
incrementar el número de dispositivos.
Por ejemplo, se puede suministrar un transmisor de presión con un bloque AI para su variable
de proceso primaria, presión. Pero suponga que el módulo sensor de presión también incluye
un sensor de temperatura para detectar condiciones de congelamiento o sobrecalentamiento
que pueden provocar falla del dispositivo. Si el transmisor soporta instanciación, usted puede
instanciar un segundo bloque AI en el transmisor para monitorear esta medición de
temperatura.
La instanciación se puede usar para cualquier tipo de bloque de funciones. Si usted está
haciendo control en cascada, por ejemplo, podría agregar un segundo bloque PID a un
controlador de válvula.
La instanciación no es posible en todas las situaciones:
• El fabricante debe diseñar el dispositivo para que permita la instanciación. Algunos lo
hacen, y algunos no.
• El dispositivo debe tener suficiente memoria disponible y capacidad de procesamiento
para soportar bloques agregados
• El dispositivo debe soportar el tipo específico del bloque de funciones que se va a
agregar. Si un transmisor sólo soporta bloques AI, usted puede instanciar múltiples
bloques de ese tipo — pero no PID u otros tipos de bloque.
Los bloques fieldbus estándar proporcionan las bases para la interoperabilidad. Pero ¿qué
pasa si la Fieldbus Foundation agrega a la lista de bloques de funciones estándar, o si un
fabricante quiere ofrecer un bloque propietario o extender las capacidades de un bloque
estándar? ¿Cómo pueden los sistemas host existentes reconocer los nuevos datos y
capacidades proporcionados por estos bloques – sin tener que volver a programar o actualizar
el sistema?
Descripciones de dispositivos
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La respuesta es una descripción de dispositivo FOUNDATION fieldbus – un archivo que
proporciona la información que un sistema host necesita para comprender tanto el significado
de los datos como las capacidades del dispositivo. Sirve como "controlador" para un
dispositivo, como el controlador de una impresora le dice a su PC cómo tener acceso a las
capacidades de su impresora.
Por ejemplo, una descripción de dispositivo podría proporcionar (entre otras cosas):
• La etiqueta para un parámetro
• Unidades de ingeniería
• Texto de ayuda
• Menús de diagnóstico
• Métodos para tareas relacionadas con el dispositivo tales como calibración
Un método es una secuencia predefinida de operaciones que se ejecutan en un dispositivo.
Esta secuencia predefinida se usa típicamente para simplificar las operaciones del dispositivo
tales como preparación y comisionamiento, configuración, calibración o diagnósticos. Por
ejemplo, un método de preparación en un instrumento de válvula puede guiar a un técnico a
través de las entradas y opciones adecuadas para optimizar el rendimiento de la combinación
válvula/actuador. Algunos dispositivos usan métodos, algunos no.
Fieldbus Foundation proporciona descripciones de dispositivo para todos los bloques de
funciones y bloques de transductor estándar, así como descripciones de dispositivo de
distribución que los fabricantes han proporcionado como parte del proceso de certificación de
interoperabilidad del dispositivo. Esto garantiza que los usuarios tengan una manera de
aprovechar la capacidad total de un dispositivo, independientemente de cualquier proveedor.
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Fieldbus 105
Diagnósticos con fieldbus
• Generalidades
• Más que mantenimiento de dispositivo
• Diagnósticos de equipo
• Diagnósticos de lazo
• Mejorando el rendimiento de la planta
• Reduciendo la variabilidad del proceso
• Mejorando la disponibilidad del proceso
• Mejorando la seguridad y el cumplimiento ambiental
• Gestión de alarmas y alertas
Ya tengo suficiente por hacer. ¿Por qué debo hacer el esfuerzo adicional para usar
diagnósticos?
Al permitirle identificar tanto el origen como la naturaleza de un problema — a menudo antes de
que afecte al proceso — los diagnósticos pueden en realidad reducir el esfuerzo requerido para
mantener su proceso y equipo corriendo como deben.
Las alertas de diagnóstico predictivo también permiten el cambio de prácticas de
mantenimiento reactivo y preventivo a prácticas de mantenimiento predictivo. Este cambio
puede reducir significativamente la carga y los costos de mantenimiento mientras mejora la
disponibilidad de la planta en general.
Generalidades
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FOUNDATION fieldbus proporciona una estructura para implementar un amplio arreglo de
diagnósticos de los dispositivos y del proceso. Los diagnósticos reales, sin embargo, no son
especificados por Fieldbus Foundation. En lugar de ello, son específicos al dispositivo y al
proveedor. Por eso es importante escoger los dispositivos y proveedores que proporcionen las
capacidades de diagnóstico que usted necesita para alcanzar los objetivos de su planta.
Este curso explora algunos de las posibilidades de diagnóstico disponibles en la arquitectura
PlantWeb. Estos diagnósticos complementan las capacidades de FOUNDATION fieldbus pero
representan implementaciones de PlantWeb específicas.
preguntas:
• ¿Qué clases de problemas se pueden detectar con el monitoreo estadístico del
proceso?
• ¿Cómo afectan los diagnósticos a la variabilidad y disponibilidad del proceso?
• ¿Cómo se puede evitar ser agobiado con alarmas de diagnóstico e información
relacionada?
Mucha de la publicidad acerca de los centros de diagnósticos es sobre mejorar el
mantenimiento de dispositivos de campo, tales como instrumentos de medición y válvulas de
control.
Eso es comprensible. Detectar rápidamente un sensor defectuoso como la causa de un
problema de medición, o identificar cuáles válvulas necesitan servicio durante el repunte de una
planta, puede reducir substancialmente los costos de mantenimiento y el tiempo muerto.
Pero los diagnósticos también le pueden ayudar a mejorar el rendimiento de otro equipo de
proceso, así como mantener el proceso en marcha en las mejores condiciones.
Las siguientes tres secciones de este curso explicarán cómo los diagnósticos pueden mejorar
el rendimiento del equipo, el rendimiento del lazo y el rendimiento del proceso.
Más que mantenimiento de dispositivo
La ventaja PlantWeb
La arquitectura PlantWeb se construye sobre las capacidades de
FOUNDATION fieldbus, así como en la experiencia de más de 100 años de
Emerson con las industrias de procesos, para entregar un amplio rango de
capacidades de diagnóstico que pueden ayudarle a detectar y resolver problemas
del mundo real — y a mejorar el resultado financiero de su planta.
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Los diagnósticos se pueden usar para detectar problemas y emitir alarmas no sólo con los
dispositivos de campo, sino también con otro equipo de proceso.
Por ejemplo, el monitoreo estadístico del proceso puede identificar una amplia variedad de
problemas en el equipo de proceso — desde fugas en los tubos hasta fouling (acumulación de
suciedad) en intercambiadores de calor, filtros y equipo similar.
El bloque transductor de diagnóstico avanzado disponible en los dispositivos FOUNDATION
fieldbus de Emerson permite monitorear hasta cuatro variables de proceso o control para
detectar cambios en desviación estándar y media. El monitoreo estadístico del proceso analiza
cómo estos cuatro factores seleccionados por el usuario cambian en relación con cada uno
entre sí, esto permite detectar problemas del equipo.
A medida que se acumula suciedad en los intercambiadores de calor y los filtros y se tapan, por
ejemplo, los diagnósticos pueden detectar un cambio medio en la presión diferencial a través
de la unidad sin un cambio medio correspondiente en el setpoint o en el caudal — y alertar
sobre el problema al operador o al taller de mantenimiento.
Los diagnósticos PlantWeb también se pueden usar para detectar problemas en el lazo y emitir
alarmas.
Nuevamente, el monitoreo estadístico del proceso proporciona un buen ejemplo: la detección
de evaporación de pierna húmeda en un lazo de nivel de líquido mediante el monitoreo del
setpoint de la variable de proceso (PV), salida y posición real de la válvula.
Diagnósticos del equipo
La ventaja PlantWeb
PlantWeb proporciona tanto soluciones pre-configuradas como monitoreo
configurable por el usuario.
Por ejemplo, los diagnósticos de caudal y nivel están pre-configurados. Para el
monitoreo definido por el usuario, usted simplemente identifica mediante etiquetas las
variables que van a ser monitoreadas por el dispositivo de campo, luego establece los
umbrales de cambio de desviación estándar y media para generar alarmas.
El monitoreo estadístico del proceso también aprende por sí mismo. Cuando el proceso
está corriendo correctamente, usted sólo pone el dispositivo a "aprender". El dispositivo
aprenderá y verificará la dinámica del proceso, luego cambiará automáticamente a
monitoreo del proceso.
Diagnóstico de lazo
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¿Cómo funciona esto?
El nivel del líquido se mantiene en el setpoint mediante la comparación del nivel real del
proceso con respecto al nivel de referencia en una pierna húmeda. Si el líquido de la pierna
húmeda se evapora, el nivel de referencia cae — y la función de control responde moviendo
una válvula de descarga a una posición más abierta para bajar el nivel de operación del
proceso adecuadamente.
Cuando esto pasa, la función de diagnóstico detecta que tanto la demanda de control como la
posición real de la válvula están más abiertas sin un cambio en el setpoint o variable de
proceso medida. Esto significa que la medición se ha desviado, así que se genera una alerta.
Aquí está un ejemplo de una alerta.
Probablemente usted ya tiene suficientes problemas. ¿Porqué necesita los diagnósticos para
ayudarle a encontrar más?
Porque al encontrar y resolver esos problemas es más fácil que usted alcance los objetivos de
economía y eficiencia de la planta.
Mejorando el rendimiento de la planta
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Por ejemplo, los diagnósticos disponibles con la arquitectura PlantWeb le pueden ayudar a
reducir la variabilidad del proceso, mejorar la disponibilidad del proceso y mejorar la seguridad
y el cumplimiento ambiental.
Las siguientes tres secciones del curso explican cómo lograr eso.
La variabilidad del proceso incrementa los costos de producción al incrementar el material y los
costos de energía, y reduce la producción de la planta al obtener producto fuera de
especificaciones que debe ser mezclado, reprocesado o desechado.
Una herramienta para reducir la variabilidad del proceso en las válvulas Emerson es el
diagnóstico de firma de válvula, el cual (entre otros propósitos) se puede usar para detectar
la condición inducida por desgaste llamada fricción estática.
La fricción estática provoca que una válvula se pegue en una posición hasta que haya un
cambio grande en la fuerza del actuador. Entonces la válvula se mueve una cantidad
significativa — tal vez un porcentaje elevado. Como resultado, la válvula pasa la mayoría de su
tiempo en la posición incorrecta.
Esta condición puede ser revelada por el diagnóstico de firma de la válvula. Si hay fricción
estática, la firma muestra los movimientos de la válvula como una serie de "prominencias" —
en lugar de la línea suave normal — a medida que la fuerza del actuador se incrementa o
disminuye.
Las consecuencias económicas de la fricción estática pueden ser significativas. Por ejemplo, la
variabilidad excesiva en el caudal de vapor que va hacia una columna de destilación puede
incrementar los costos de servicio público en exceso de $1,000,000 por año.
Otro ejemplo es la detección de fouling (acumulación de suciedad) en el sensor.
El fouling de las sondas analíticas provocan lecturas incorrectas que pueden conducir al
consumo excesivo de material, productos fuera de especificaciones que se deben volver a
procesar o que se deben desechar, o incluso pueden conducir a problemas de seguridad.
La detección de fouling en el sensor en los dispositivos analíticos de Emerson le pueden
ayudar a evitar estos costos activando peticiones de mantenimiento o incluso iniciando
automáticamente la limpieza del sensor.
Los diagnósticos pueden mejorar la disponibilidad del proceso tanto reduciendo la duración de
los paros programados como eliminando paros no programados.
Mejorando la disponibilidad del proceso
Reduciendo la variabilidad del proceso
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Por ejemplo, usted puede reducir la duración de los paros programados sabiendo cuáles
válvulas necesitan reparación y cuáles no, de manera que usted sólo saca las que la necesitan.
A través de los diagnósticos de válvula, los ingenieros para uno de los clientes de Emerson
encontraron que sólo 14 de 188 válvulas, programadas para ser sacadas y reconstruidas,
realmente necesitaban ese nivel de servicios.
La detección de un problema en equipo crítico antes de que falle completamente también le
puede ayudar a tomar acción para evitar un disparo del proceso y paros inesperados. Pero los
diagnósticos también le pueden ayudar a evitar problemas de disponibilidad "on-stream".
Por ejemplo, una lectura incorrecta de pH en una aplicación de fermentación puede arruinar un
lote completo — provocando una pérdida de producción aunque el equipo de la planta esté en
línea. El diagnóstico de detección de fouling en el sensor que se describió en la sección
anterior le puede ayudar a detectar problemas como éste.
El diagnóstico de problemas de dispositivos y equipo desde el cuarto de control o taller de
mantenimiento mejora la seguridad al reducir el tiempo que los técnicos pasan localizando y
corrigiendo los problemas en áreas peligrosas.
Considere el ejemplo de una válvula que controla el caudal de un ácido. Si los técnicos pueden
revisar la fricción de las partes internas de la válvula y otros parámetros de operación desde el
taller de mantenimiento, ellos no tienen que ponerse equipo de protección e ir a donde está la
válvula -- o exponerse a las condiciones peligrosas.
Los diagnósticos también le pueden ayudar a detectar problemas que podrían conducir a fallas
de equipo con consecuencias ambientales o sobre la seguridad.
Mejorando la seguridad y el cumplimiento ambiental
La ventaja PlantWeb
Un ejemplo de cómo PlantWeb puede mejorar la seguridad es la detección de
línea de impulso tapada.
Cuando se tapan las líneas de impulso hacia un transmisor de presión, la presión al
momento del taponeo queda atrapada en la línea – dando la apariencia de una variable
de proceso válida. Además de reducir la calidad del proceso, esta falsa lectura puede
afectar la seguridad (especialmente en aplicaciones de presión manométrica) al
disfrazar las condiciones de sobrepresión.
A menudo, la única indicación de una línea tapada es una variable que es DEMASIADO
estable, con el nivel normal de variabilidad. El diagnóstico para detección de línea de
impulso tapada de PlantWeb usa este cambio de variabilidad para detectar taponeo tanto en
una sola línea como en línea doble y para enviar una alerta.
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El personal de las plantas se están ahogando en un mar de alarmas, alertas, avisos, eventos y
otros datos generados automáticamente. Los diagnósticos pueden a aliviar la situación o
empeorarla.
La información de diagnóstico debería ser enviada sólo a la gente que será afectada por la
situación que el diagnóstico detecte, o aquéllos que usarán la información para corregir los
problemas o mejorarán el rendimiento. Además, el nivel de detalle que cada persona recibe
debe ser adecuado a la acción que esa persona puede tomar.
Gestión de alarmas y alertas
La ventaja PlantWeb
En la arquitectura PlantWeb, el sistema DeltaV y el software
AMS Suite: Intelligent Device Manager proporcionan gestión de alarmas y
alertas para registro, anunciación, filtrado y supresión de las alarmas en forma
adecuada, nivel de detalle para el destinatario, y destino de alarma.
Emisión amplia (broadcasting) y selectiva (narrowcasting) de alarmas. Usted
puede configurar cada tipo de alarma o alerta para que vaya a personal con funciones
de trabajo específicas, o a individuos específicos. Las alarmas pueden ser enviadas
incluso vía localizador, teléfonos celulares u otros métodos.
Anunciación de alarmas. Para garantizar que el operador sólo reciba alarmas y alertas
de diagnóstico significativas, todas las alarmas y alertas de diagnóstico son evaluadas
dentro del dispositivo y sólo se muestran al operador aquéllas que tengan impacto en la
operación.
Detalle de alarmas. El nivel de detalle en las alarmas es adecuado a la función del
personal de la planta. Por ejemplo, se puede notificar al operador que un dispositivo de
campo no está funcionando o que pronto necesitará mantenimiento, mientras que el
técnico de mantenimiento recibe la información necesaria para reparar o dar
mantenimiento al equipo.
Filtrado y supresión de alarmas. Las alarmas se pueden filtrar y suprimir para
minimizar las alarmas molestas. Por ejemplo, si un punto tiene alarmas de diagnóstico
intermitentes, se puede suprimir la alarma al operador y re-dirigirla al equipo de
mantenimiento. Una vez que se corrija la causa se puede volver a dirigir al operador y
habilitar.
Registro de alarmas y alertas. Las alarmas y alertas generadas tanto por los
dispositivos como por el sistema DeltaV se integran en los registros de DeltaV. Estas
alarmas y alertas se pueden mostrar en desplegados de registro y de historial, así como
en desplegados de tendencias.
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Fieldbus 201
Interoperabilidad de Fieldbus
• Generalidades
• ¿Qué es interoperabilidad?
• Interoperabilidad de dispositivos de campo
• Prueba de dispositivos para interoperabilidad
• Cuando las capacidades de los dispositivos evolucionan
• Interoperabilidad del sistema host
• Interoperabilidad off-line
¿Puedo usar productos fieldbus de diferentes proveedores?
La idea de tener un fieldbus interoperable es poder usar productos fieldbus de diferentes
proveedores — y hacer que trabajen como fueron diseñados. Esa ha sido la directiva primordial
de la Fieldbus Foundation desde el primer día.
Libertad de elección. Los arquitectos de la Fieldbus Foundation se dieron cuenta hace años
que una de las mayores limitaciones a la tecnología propietaria y de los sistemas "cerrados"
para automatización de plantas era que el usuario final a menudo se quedaba "atrapado" a usar
los productos de un solo proveedor. Para los usuarios que se encontraban en esta situación, la
implementación de la mejor tecnología a menudo no era una opción. Por otro lado, la
interoperabilidad de FOUNDATION fieldbus hace que esas restricciones sean cosa del pasado.
Este curso le ayudará a comprender la interoperabilidad de fieldbus.
preguntas:
Generalidades
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• ¿Cómo define interoperabilidad la Fieldbus Foundation?
• ¿Quién dirige las pruebas de interoperabilidad?
• ¿Se certifican los sistemas host para interoperabilidad?
La Fieldbus Foundation define interoperabilidad como "la habilidad de operar múltiples
dispositivos, independientemente del fabricante, en el mismo sistema, sin pérdida de
funcionalidad".
El término dispositivos múltiples se refiere a un conjunto de productos fieldbus que pueden
incluir una mezcla de dispositivos de campo tales como válvulas y transmisores, y dispositivos
host tales como sistemas de control.
Independientemente del fabricante quiere decir independientemente del proveedor. Es decir,
tener la libertad de escoger la mejor tecnología para la tarea, sin importar qué proveedor haga
el producto.
En el mismo sistema significa dentro de la mezcla de equipo de control que opera como una
sola solución de automatización. Existen, por supuesto, pautas para determinar el número y
tipo de dispositivos que se deben combinar dentro de segmentos individuales de la red fieldbus,
principalmente para propósitos eléctricos y de seguridad intrínseca. Entraremos en este tema
más adelante en este curso.
Sin pérdida de funcionalidad significa que los dispositivos operen sin la pérdida de algunas
de sus características de diseño. Es decir, el hecho de ser parte de una red interoperable no
interfiere con alguna de sus funciones.
En la siguiente sección, veremos específicamente la interoperabilidad entre los dispositivos de
campo.
¿Qué es interoperabilidad
La ventaja PlantWeb
La interoperabilidad es una característica clave de la arquitectura basada en campo
PlantWeb de Emerson Process Management.
• Emerson tiene el mayor número de tipos de dispositivos de campo
interoperables en el mundo.
• Emerson tiene más de 4 años de tiempo de ejecución de dispositivos de campo
PlantWeb con sistemas host de otros proveedores, y de dispositivos de campo de
otros proveedores con un sistema host PlantWeb.
• PlantWeb soporta más de 60 dispositivos de otros proveedores. Los nuevos tipos de
dispositivos son rápidos y fáciles de agregar.
• El sistema de automatización DeltaV de PlantWeb estuvo entre los primeros hosts
que pasaron las pruebas de interoperabilidad de host.
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Interoperabilidad entre dispositivos de campo básicamente significa que los dispositivos de
campo de diferentes fabricantes puedan trabajar juntos, enviando y recibiendo información
relacionada con su función específica en el proceso.
La Fieldbus Foundation ha establecido pautas para la interoperabilidad entre los dispositivos de
campo en un segmento fieldbus. Estas pautas consideran los diferentes aspectos de
interoperabilidad de dispositivo tales como características físicas, comunicación y funcionalidad
de software.
Para ser verdaderamente interoperables, los dispositivos deben
• Ser compatibles física y eléctricamente con el segmento fieldbus (como se define en la
Especificación de Capa Física ISA 50.02-2).
• Incluir un stack de comunicación que pase la prueba de Conformidad de Stack de
Fieldbus Foundation.
• Implementar correctamente el Modelo de Proceso de Aplicación para Bloques de
Funciones que se define en la especificación de FOUNDATION fieldbus. Esto significa
que los bloques de funciones de un dispositivo deben interconectarse e interoperar con
los bloques de funciones de otros dispositivos de la red.
La siguiente figura ilustra los requerimientos de interoperabilidad.
Las pruebas de interoperabilidad, usando un conjunto prescrito de procedimientos de prueba
consistentes y rigurosos, ayudan a garantizar que todos los dispositivos operarán juntos.
La Fieldbus Foundation ha establecido dos pruebas para este propósito: la Prueba de
Conformidad de Stack y la Prueba de Interoperabilidad de Dispositivo.
Interoperabilidad de dispositivos de campo
Prueba de dispositivos para interoperabilidad
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La Prueba de Conformidad de Stack garantiza que el dispositivo se enlaza correctamente
con el bus; es decir, las características eléctricas y el acceso al bus son consistentes con la
especificación del fieldbus.
La Prueba de Interoperabilidad de Dispositivo garantiza que los bloques de funciones del
dispositivo interactuarán con otros bloques correctamente, y proporcionarán información
precisa y comportamiento de modo.
Estas pruebas se mejoran continuamente de acuerdo a la experiencia real de campo. Esto
significa que todos los dispositivos probados reciben el máximo beneficio de las características
disponibles en FOUNDATION fieldbus.
Cuando un dispositivo ha completado exitosamente estas prueba de interoperabilidad, es
reconocido como un dispositivo registrado y puede portar el logotipo de aceptación de Fieldbus
Foundation para interoperabilidad.
Se puede encontrar una lista de dispositivos registrados en el sitio web de Fieldbus Foundation
en www.fieldbus.org.
La ventaja PlantWeb
Emerson Process Management quiere asegurarse de que nuestros productos serán
muy confiables en el medio ambiente de su planta. Es por eso que vamos más
allá de las pruebas estándar de interoperabilidad para incluir pruebas bajo
condiciones extremas del mundo real en dispositivos fieldbus de otros
proveedores con nuestro sistema host, y en sistemas host de otros proveedores
con nuestros dispositivos.
Algunas de nuestras pruebas incluyen:
• Segmentos con un gran número de tipos diferentes de dispositivos de diferentes
proveedores operando continuamente por largos períodos de tiempo
• Segmentos con una gran carga de mensajes
• Segmentos con una gran cantidad de dispositivos, máxima longitud de segmento o
de derivación, y condiciones mínimas de voltaje en algunos nodos
No todos los proveedores hacen pruebas con bancos de pruebas de vendedores múltiples.
Emerson Process Management sí las hace.
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FOUNDATION fieldbus permite a los proveedores mejorar y diferenciar sus productos a la vez
que mantienen la interoperabilidad que los usuarios quieren.
Adición de bloques. Un dispositivo está registrado para el conjunto definido de bloques
probados durante la prueba de interoperabilidad de Fieldbus Foundation. Si un proveedor
agrega bloques al mismo dispositivo, se puede volver a probar y a registrar ese dispositivo para
los bloques adicionales.
Alternativamente, el proveedor puede ofrecer bloques como funcionalidad no registrada. En
algunos casos, esa puede ser la única opción -- no se puede registrar un tipo de bloque de
funciones a menos que, como mínimo, dos proveedores ofrezcan el bloque en sus productos, y
que ambos productos pasen las pruebas de interoperabilidad para ese tipo de bloque.
También se puede volver a probar y a registrar los dispositivos que tengan otros cambios, tales
como revisiones de firmware.
Diferentes capacidades. Tenga presente que la prueba de interoperabilidad determina la
interoperabilidad, no la funcionalidad. La operación interna del algoritmo de control de un
dispositivo es determinada por el fabricante. Los dispositivos registrados pueden trabajar
eficientemente entre sí en la red, pero exhibir un comportamiento diferente debido a las
diferentes características del algoritmo de control.
En la mayoría de los casos, un sistema host se usa para configurar dispositivos fieldbus,
preparar las estrategias de control y desplegar toda la información disponible desde los
dispositivos de campo. El sistema host también puede participar con los dispositivos de campo
en proporcionar control del proceso.
Para hacer esto, el sistema host debe ser capaz de tener acceso a los datos FOUNDATION
fieldbus provenientes de todos los dispositivos involucrados. También debe ser capaz de usar y
desplegar esos datos. La Prueba de Soporte de Interoperabilidad (HIST), que consiste en 18
pruebas separadas, muestra qué tan bien interopera el sistema host con capacidades estándar
específicas de los dispositivos FOUNDATION fieldbus.
Aunque la prueba de los dispositivos de campo es obligatoria, la prueba del host es opcional.
Un host puede pasar por todas, algunas o ninguna de estas pruebas para demostrar su soporte
para funciones específicas.
Comprensiblemente, la HIST no cubre capacidades propietarias que los proveedores pueden
agregar a sus productos. Sin embargo, todavía es posible que un host tenga acceso a esas
capacidades si el proveedor del dispositivo proporciona una Descripción de Dispositivo (DD) y
si el host incluye Servicios de DD para leerla.
Cuando las capacidades de los dispositivos evolucionan
Interoperabilidad del sistema host
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En breve, el HIST garantiza que el host es un buen “ciudadano” en el segmento fieldbus, pero
no garantiza que tendrá acceso a la información del dispositivo, que la desplegará o que la
usará completamente o para su mejor ventaja.
A diferencia de los dispositivos de campo, actualmente no se certifican los sistemas host. Sin
embargo, la Fieldbus Foundation muestra en su sitio web una lista de las pruebas que cada
host ha pasado. El sistema DeltaV, que es parte de la arquitectura PlantWeb, fue de los
primeros en entrar en la lista.
Hasta este momento nos hemos enfocado en la interoperabilidad "on-line", donde los
dispositivos de campo están físicamente conectados al sistema host mientras están siendo
configurados. Sin embargo, a menudo, los dispositivos de campo no están disponibles al
momento en que el sistema host hace la configuración.
Archivos de capacidades. Para ayudar a resolver este dilema, la Fieldbus Foundation ha
emitido una especificación de Formato de Archivo Común que define un Archivo de
Capacidades que se puede usar para describir información acerca de un dispositivo fieldbus
que normalmente estaría disponible sólo al leerla del dispositivo en sí.
Un sistema host interoperable que soporta configuración off-line usa este Archivo de
Capacidades, junto con la Descripción del Dispositivo, para construir una configuración offline
de los dispositivos de campo.
Los archivos de capacidades son proporcionados por el fabricante del dispositivo y están
disponibles para descargarlos del sitio web de Fieldbus Foundation.
Configuración en cualquier momento. La interoperabilidad off-line permite a los que hacen
configuración, tales como firmas de ingeniería y consultoría, la capacidad de configurar toda
una red fieldbus—fuera de línea. Esto significa que gran parte de la ingeniería para una red
FOUNDATION fieldbus, incluyendo la configuración de los dispositivos y las estrategias de
control, se puede lograr antes de adquirir los dispositivos reales.
Para que esto suceda, cada proveedor de dispositivos debe proporcionar Archivos de
Capacidades y Descripciones de Dispositivo para sus dispositivos. Además, el proveedor del
sistema host debe soportar configuración off-line usando información de los Archivos de
Capacidades del dispositivo.
Interoperabilidad off-line
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Fieldbus 202
Fiabilidad y redundancia
• Generalidades
• Fiabilidad del cableado
• Fiabilidad del segmento
• Fiabilidad del sistema total
• ¿Cuánta redundancia es suficiente?
• Redundancia de transmisor
• Redundancia de válvula y tubería
• Redundancia de control
• Opciones de redundancia de host
• Otras opciones de redundancia
• Programador Activo de Enlace (LAS) y respaldo
¿Realmente puedo poner todos esos dispositivos en un par de hilos?
A menudo esta es la primera pregunta que hacen los que son nuevos en el mundo de fieldbus.
Eso no es sorpresa: Después de años de "un conjunto de hilos por cada dispositivo," al
principio usted podría cuestionar la fiabilidad de usar un par de hilos para varios dispositivos.
Pero los hilos sólo son un factor menor en la fiabilidad general. Con buen diseño y buenas
prácticas de instalación, FOUNDATION fieldbus realmente ofrece ventajas significativas en la
fiabilidad del sistema total.
Generalidades
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Este curso examina el aspecto de fiabilidad, junto con los métodos para mejorarla –incluyendo
la redundancia.
preguntas:
• ¿Cuáles son los factores externos principales que afectan la estabilidad de la red
fieldbus?
• ¿Qué partes de un sistema fieldbus se pueden hacer redundantes?
• ¿Dónde es más confiable el control, en un dispositivo de campo o en el sistema host?
La mayor preocupación con el cableado no es si el medio en sí falla, sino los factores externos
que afectan al cableado.
Menos hilos significan reparaciones más rápidas. Considere el daño si un evento físico
afecta todo un montón de hilos. En el mundo del cableado analógico punto a punto, esta
catástrofe podría involucrar cientos, quizá miles, de hilos que se desconectarían.
Sin embargo, en el mundo de las redes de campo digitales, donde muchos dispositivos se
pueden conectar al mismo conjunto de hilos, el mismo número de puntos de E/S estaría en
menos hilos.
En cualquier caso se interrumpiría el servicio. Pero el tiempo para la reparación sería mucho
menor en el escenario fieldbus porque hay menos hilos, y la revisión de cableado es más
rápida para cada par de hilos. Y entre más rápida sea la reparación, más pronto se reanuda la
producción.
Razones de confianza. Al excluir los eventos externos, la fiabilidad de los hilos está
determinada por la fiabilidad de los hilos físicos en sí – y los hilos tienen el nivel más bajo de
complejidad del sistema y generalmente el índice de fallas más bajo.
La fiabilidad de los hilos se puede aumentar considerablemente al seguir los procedimientos de
instalación y mantenimiento que evitan cortos o tierras accidentales. Esas son las causas más
comunes de las fallas de cableado.
Usted también puede aumentar la fiabilidad seleccionando el hilo, las rutas de cable, y los
conectores que blinden el medio expuesto del contacto físico con discontinuidades eléctricas.
Además, se tienen disponibles cajas de conexiones fieldbus que aíslan un corto circuito a un
solo punto en un segmento.
Fiabilidad de cableado
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La red fieldbus total está dividida en segmentos con el propósito de alinear las secciones de la
red con el proceso, áreas peligrosas o geográficas, o con combinaciones de dispositivos
específicas.
Desde un punto de vista de fiabilidad, cada segmento puede ser tratado como una entidad
separada, y por lo tanto se puede manejar por separado. Si una tarjeta interfaz H1 host se
conecta a más de un segmento, y representa un punto de falla que podría afectar a más de un
segmento, entonces todos los segmentos enlazados a esa tarjeta interfaz deben ser
considerados como un conjunto.
La fiabilidad del segmento depende de varios factores tales como
• Alimentación del segmento y acondicionadores de alimentación
• Terminadores de segmento
• El hilo del segmento en sí
• Varios conectores
• Dispositivos de campo conectados al segmento
• El host del segmento (si está presente).
La mayor amenaza a la fiabilidad general del segmento es la pérdida de la alimentación, lo que
afecta a todo el segmento. Una manera de responder a esta amenaza es tener alimentación
redundante de segmento, que lleguen desde diferentes fuentes.
Otra amenaza a la alimentación del segmento involucra las transientes eléctricas tales como
• Rayos
• Tormentas solares
• Ruido eléctrico.
Las buenas prácticas de instalación, alimentación de respaldo con UPSs y supresores de
oscilaciones minimizan los disturbios de estas transientes eléctricas.
La instalación adecuada también puede ayudar a reducir la posibilidad de tierra inadecuada –
otra causa principal de problemas de fiabilidad.
La fiabilidad de un sistema sólo es tan buena como la fiabilidad de cada una de sus partes. Por
eso tiene sentido que entre menos partes haya, mayor es la fiabilidad posible del sistema.
Fieldbus permite al "sistema" de control tener menos partes porque ahora el control se puede
hacer en campo.
Fiabilidad del segmento
Fiabilidad del sistema total
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Es decir, el control no tiene que pasar a través de todos los elementos del sistema, tales como
terminaciones, tarjetas de estrada, controladores, tarjetas de salida, etc. — cada uno de estos
elementos representa un punto de falla posible.
Con el control en el sistema host, todas estas partes deben estar trabajando adecuadamente
para que el lazo de control esté trabajando. Una falla en cualquiera de estos componentes en
un sistema no redundante provocará una falla de lazo. El número de lazos afectados puede ser
8-16 en el caso de falla en una tarjeta de E/S, mientras que si falla un controlador o la
alimentación del controlador, pueden ser cientos, o aun más, los lazos afectados.
Sin embargo, en un medio ambiente FOUNDATION fieldbus que use control en campo, el
sistema host entero puede fallar sin que el control se pierda. Eso es porque el control se está
ejecutando en los dispositivos de campo. El sistema host se está usando como la interfaz hacia
un “sistema de control en campo” verdaderamente distribuido.
El cierre del lazo en campo puede ser mucho más confiable que a través del host.
Cuánta redundancia se debe tener en la planta, y cómo se debe proporcionar, depende de la
situación. Se basa en cosas como tiempo medio entre fallas, disponibilidad del sistema – y
experiencia. También se basa en qué tan críticos son dispositivos particulares, lazos y
procesos para una operación segura y efectiva de la planta.
Las opciones van desde mediciones redundantes hasta corrientes de proceso redundantes y
todo lo que esté dentro de éstas.
Los siguientes cinco temas describen algunas de estas opciones.
La redundancia de transmisor en un ambiente fieldbus se implementa básicamente en la misma
manera que en un ambiente tradicional analógico. La diferencia principal es que FOUNDATION
fieldbus proporciona información adicional que mejora la fiabilidad de la medición.
Redundancia de transmisor analógico. Los esquemas de redundancia de transmisor
analógico a menudo requieren redundancia triple. Cuando dos de los transmisores reportan
valores diferentes, el valor del tercer transmisor determina la lectura válida. Se envían las tres
mediciones a un selector de entrada que escoge la entrada que se envía al PID. Algunas veces
el operador recibe los tres valores y escoge manualmente el valor que "se ve mejor."
El bloque selector de entrada FOUNDATION fieldbus disponible en algunos transmisores
soporta un amplio rango de criterios de selección de entrada – desde seleccionar el valor alto,
bajo o medio, calcular el promedio de las tres entradas, hasta eliminar la lectura que tenga la
mayor desviación respecto de las otras.
¿Cuánta redundancia es suficiente?
Redundancia de transmisor
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Redundancia de transmisor FOUNDATION fieldbus. FOUNDATION fieldbus proporciona
información de estado que ayuda a identificar automáticamente si una medición es válida, no
válida o incierta. Una lectura de calidad no válida o incierta se puede dejar fuera de
consideración antes de presentarla al operador.
Esta capacidad puede incluso eliminar la necesidad de redundancia triple, pues ya no se
necesita el tercer dispositivo para determinar cuál señal no es válida.
FOUNDATION fieldbus H1 no soporta medios redundantes. Los transmisores redundantes
están en los mismos hilos o en segmentos diferentes.
Como la redundancia de transmisor, la redundancia de válvula en un ambiente fieldbus se
implementa básicamente en la misma manera que en el ambiente tradicional analógico. La
teoría es la misma: dos válvula son más confiables que una. Y el problema es el mismo:
¿Cuánta redundancia necesito realmente?
Mejor caso/desventaja. El esquema de redundancia más confiable pondría las válvulas
redundantes en tubería paralela en el proceso. Pero al duplicar las válvulas y la tubería, usted
duplica el costo de instalación.
Así que si la redundancia en el mundo de fieldbus no es más barata que en el mundo
analógico, ¿dónde está la ventaja?
La información hace la diferencia. La ventaja está en la información que una válvula fieldbus
proporciona.
Las válvulas son dispositivos mecánicos sujetos a ambientes de proceso rigurosos y a
desgaste de las partes móviles y por lo tanto son puntos de falla potencial y de mantenimiento
en el lazo del proceso.
Debido a que en un controlador de válvula analógico (o par de válvulas redundantes con
controladores analógicos) no hay manera de determinar la condición operativa de la válvula,
ésta puede fallar sin dar una advertencia.
Redundancia de válvula y tubería
La ventaja PlantWeb
El Controlador de Válvula Digital fieldbus DVC 5000 de Emerson (y por lo tanto un
par de válvulas redundantes con tales controladores) tiene la inteligencia de
diagnosticar su propia condición operativa. Puede indicar predictiva y
proactivamente si está teniendo problemas para que usted pueda corregirlos
antes de que provoquen una falla.
Menos fallas, menor costo de mantenimiento, menor pérdida de producción. Allí está la
ventaja
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La redundancia de control es probablemente el aspecto más importante de cualquier
esquema de redundancia total porque las fallas típicas del sistema de control DCS y PLC
pueden afectar a un gran número de lazos. La pérdida de control, y posible falla de equipo o
paro de la planta, pueden tener un precio extremadamente alto.
Forma antigua. El método tradicional de proporcionar redundancia de control involucra la
duplicación de partes del sistema de control host. Esto significa mucho equipo extra— tarjetas
de entrada y salida, terminaciones, alimentación, controladores, etc. — a un costo extra muy
elevado.
La nueva forma. Fieldbus proporciona una alternativa de menor costo a los esquemas de
redundancia del control tradicional. Esto se hace principalmente moviendo el lazo de control
redundante desde el sistema host a los dispositivos de campo.
En este escenario, el lazo PID primario permanece en el sistema host mientras que el lazo PID
de respaldo reside en un dispositivo. El dispositivo de campo simplemente pasa la salida de
control del host a través de su propia salida. Si se pierde el host, entonces la propia salida del
dispositivo de campo toma el control.
Limitaciones de este enfoque. Al poner el control redundante en campo se puede eliminar la
necesidad de costosos componentes redundantes del host.
Sin embargo, cuando se pierde el host, el operador ya no puede ver lo que está pasando ni
controlarlo manualmente desde la consola de operación. Tampoco estarán disponibles los
datos para alarmas y registros de eventos e historiadores. También, el bloque PID de un host
puede ofrecer características (tales como autosintonización) no disponibles en el bloque de
funciones PID del dispositivo. Y aunque se mantiene el control regulatorio en los dispositivos de
campo, se pierde el control avanzado residente en al host, hasta que se restablezca su
conexión.
Redundancia de control
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Por lo tanto, usted debe usar este enfoque sólo donde pueda prescindir de estas capacidades
hasta que el host esté disponible otra vez. Hasta entonces, el dispositivo de campo puede
mantener un control seguro, efectivo y dentro de las especificaciones para evitar una alteración
del proceso o un paro no programado.
Como se explicó anteriormente, el control en campo proporcionará control regulatorio en caso
de que se pierda el host o la conexión de éste. Pero no proporcionará al operador visibilidad,
control avanzado basado en el host, o alarmas, alertas o datos del historiador. Para garantizar
que éstos estén disponibles, se necesita redundancia de host.
Filosofía de redundancia de host. Muchas plantas tienen practicas estándar para
redundancia. Estas prácticas incluyen frecuentemente comunicaciones redundantes, interfaz de
operador, alimentación, controladores y E/S. Las implementaciones específicas de redundancia
dependen de los requerimientos del proceso. La redundancia de FOUNDATION fieldbus debe
estar en conformidad con estas prácticas.
Tarjetas interfaz H1 host redundantes. Aunque la especificación fieldbus no requiere
redundancia de tarjeta interfaz H1, una tarjeta H1 de respaldo permitirá al operador acceso
visual continuado al proceso en caso de que la tarjeta H1 primaria falle. También proporcionará
información del proceso necesaria para funciones tales como sistemas de validación o calidad,
además de control avanzado ininterrumpido. Si su planta o proceso requiere estas cosas, debe
usar tarjetas H1 redundantes.
Otro criterio común es que se requiere E/S redundantes si la modularidad de E/S excede cierto
nivel –por ejemplo, 8 puntos por tarjeta. Si no están disponibles las tarjetas H1 redundantes, las
prácticas de la planta pueden requerir que se reduzca la carga de un segmento H1 a un nivel
por debajo del umbral requerido para redundancia.
Finalmente, si ningún dispositivo del segmento es un maestro de enlace, capaz de tomar la
función de programador activo de enlace, las tarjetas interfaz H1 redundantes pueden
proporcionar esta capacidad.
Opciones de redundancia de host
La ventaja PlantWeb
Ahora Emerson ofrece tarjetas interfaz H1 redundantes en el sistema DeltaV que
sirve como el sistema host en una arquitectura PlantWeb. Estas tarjetas se pueden
quitar y reemplazar incluso cuando hay alimentación.
Además, cada tarjeta interfaz H1 tiene capacidad LAS, lo que proporciona respaldo LAS en
la tarjeta interfaz.
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Al hacer el sistema de control más confiable a través de la redundancia, hemos cubierto los
elementos principales del lazo de control — transmisores, válvulas y sistemas de control host.
Ahora veamos otras áreas de la arquitectura de automatización que pueden ser redundantes.
Bloque de redundancia personalizado. Esta opción de software es un bloque de funciones
personalizado, que reside en la válvula, diseñado específicamente para redundancia. El bloque
de funciones de la válvula pasa una salida desde el PID primario (host) a la salida analógica de
la válvula. Si el PID primario falla, el PID de respaldo (en la válvula) envía su salida a la AO de
la válvula.
Aire y alimentación redundantes. Debido a que los actuadores, transmisores, válvulas y
sistemas de control dependen de aire o de alimentación eléctrica para operar, al hacer estas
fuentes redundante, o al tener un respaldo confiable, se hará un gran avance para garantizar
una planta segura.
La redundancia de alimentación FOUNDATION fieldbus incluye alimentación aislada
redundante y acondicionadores de alimentación redundantes hacia el segmento. Este nivel de
redundancia de alimentación proporciona alimentación confiable incluso si ocurre una falla de
alimentación.
Medio redundante (hilos). Como se mencionó anteriormente, el hilo en general es la parte
más confiable de la arquitectura de control. La adición de un segmento de hilo redundante
puede tener sentido sólo si es parte de una corriente del proceso completamente redundante
con instrumentos, válvulas, tubería de proceso y elementos de host redundantes. Esto se
implementa al tener un conjunto de válvulas e instrumentos en un segmento, y el segundo
conjunto en un segundo segmento. Cada dispositivo se conecta sólo a un segmento y a un
conjunto de medio físico. En este casa, debe existir un enlace entre los dos segmentos para
garantizar que se intercambie continuamente la información de estado.
Programador Activo de Enlace (LAS). En un sistema de control, la estrategia de control
generalmente dicta la ejecución de los bloques de funciones así como la comunicación entre
los bloques mismos. En un segmento fieldbus, esta tarea es responsabilidad del Link Active
Scheduler (Programador Activo de Enlace), o LAS.
Como el nombre lo indica, el LAS programa activamente la comunicación y la ejecución de los
bloques de funciones en el segmento. Si no hay un LAS corriendo en el segmento, cesa la
ejecución y la comunicación de los bloques de funciones en el segmento.
Debido a que el LAS a menudo reside en el sistema host, la causa más probable de un LAS
inactivo es la pérdida del host. Un LAS basado en host tampoco está disponible en el caso de
lazos solos, donde se usa un host para configuración y luego se desconecta.
Otras opciones de redundancia
Programador activo de enlace (LAS) y respaldo
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Programador Activo de Enlace de Respaldo. Un LAS de respaldo, que generalmente no
reside en el host, coordina la ejecución y comunicación de los bloques de funciones en el
segmento que está corriendo cuando se pierde el LAS primario o no está disponible.
Un LAS de respaldo se debe usar en un escenario de “host más control en campo“ para que se
mantenga el control aun después de perder el host.
Si se realiza el control estrictamente en el host, es decir, sin control en campo, entonces la
pérdida del host produce la pérdida del control, aun si se tiene un LAS de respaldo. La
excepción ocurre cuando el host tiene controladores y tarjetas interfaz H1 de FOUNDATION
fieldbus redundantes, configurados para tomar el control si fallan los componentes primarios.
En este caso, el LAS de respaldo normalmente estaría en el sistema host en lugar de en el
dispositivo de campo.
Independientemente de dónde resida el control, todavía es importante asegurarse de que los
elementos finales de control se seleccionen para que fallen a las posiciones contra falla
adecuadas si se pierde el control automático.
La ventaja PlantWeb
La mayoría de los dispositivos fieldbus de Emerson Process Management tienen
capacidad de LAS de respaldo, que se puede usar sin afectar al rendimiento del
dispositivo.
La configuración de un LAS de respaldo en PlantWeb es tan sencilla como marcar un
cuadro de selección al momento de comisionar el dispositivo.
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©2002 Emerson Process Management. All rights reserved. View this and other courses online at www.PlantWebUniversity.com.
Fieldbus 203
Intrinsic safety
• Overview
• Intrinsic safety models
• The ignition curve
• Designing an intrinsically safe segment
• Combining safe and hazardous areas
• Multiple barriers: One approach
• Multiple barriers: A better approach
• Maximum current draws
• Other intrinsic safety considerations
Is intrinsic safety handled the same way with fieldbus as with analog devices?
In the analog world, intrinsic safety is based on well-known practices.
• Each input and output has a dedicated barrier
• Intrinsically safe points and conventional points are on separate field wires.
In the fieldbus world, intrinsic safety brings some new practices -- and some new advantages.
• Several devices may be on a single barrier, and several barriers may be on a single
fieldbus segment
• Both intrinsically safe points and conventional points may coexist on the same segment
• Fieldbus intrinsic safety may be more flexible and more cost effective.
Overview
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This course looks in more detail at how intrinsic safety works in a fieldbus-based architecture.
Hint: As you go through the topics in this course, watch for answers to these questions:
• What is the ignition point?
• What is the maximum current draw for an intrinsically safe barrier?
• How can multivariable devices reduce the number of barriers required?
Devices and barriers for intrinsically safe areas are designed so that the energy released by an
electrical fault is not enough to cause ignition, even in a single or double failure condition. The
ignition point is a function of power, determined by voltage and current.
How much current is allowed on an intrinsically safe segment -- as well as segment voltage,
choice of barriers, and device count on each barrier -- depends not only on the type of
hazardous atmosphere in which the devices are located, but also on which intrinsic safety
model you use.
For fieldbuses, there are two models:
• The Entity model assumes the electrical parameters that represent the
characteristics of the wire are all concentrated at the point of a fault. In this model,
the wire is considered a source of stored energy. This conservative approach leads
to a maximum DC current of 83 mA permitted in the wire and a maximum voltage of
18.4 V.
This model is well known and recognized worldwide.
• The Fieldbus Intrinsically Safe Concept or FISCO model considers the electrical
wiring parameters to be distributed along its entire length. This reduces the energy
available at a fault, resulting in a maximum current of 110 mA. This model permits
more devices on a wire pair in a hazardous area.
FISCO is not a worldwide standard. It is, however, a Euronorm and part of the
FOUNDATION fieldbus specifications (Physical Layer Profile).
Intrinsic safety barriers are certified on the basis of one model or the other. Field devices can be
certified for both.
Despite the differences between the two models, the basic concepts for designing an
intrinsically safe segment are similar. The remaining sections of this course describe those
concepts using the FISCO model.
Intrinsic safety models
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Each type of atmosphere requires a certain minimum power for ignition. The plot of the voltage
and current points that provide that power is called the ignition curve.
Because power is voltage times current, as voltage increases, the maximum amount of current
required for ignition decreases. And, conversely, as voltage decreases, the maximum amount of
current required for ignition increases.
In a segment using the FISCO model, the maximum current allowed is 110 mA in a Class IIC
environment. This means that the total current draw for ALL devices on this barrier is 110 mA.
To calculate how many devices a single barrier can support, you add the individual current
draws of each device — since each device type has a potentially different current draw.
For the FISCO model, as long as the total current draw is under 110 mA for gas groups A and
B, and under 235 mA for gas groups C and D, the segment on the hazardous side of a barrier is
intrinsically safe. You must also consider the electrical parameters of each device and be below
the amounts permitted for the hazardous area classification.
In the example shown in the diagram, a single barrier is placed on a segment between the
segment power conditioner and the field devices. There is a terminator in the safe area and in
the hazardous area.
The ignition curve
Designing an intrinsically safe segment
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Here are some example calculations to determine the number of field devices allowable in this
example. The current consumptions listed are for illustration purposes only and do not reflect
the actual current consumption of specific devices or device types:
Temperature monitoring.
If a temperature transmitter uses 16 mA of current, a maximum of six (6 x 16 = 96)
transmitters could be placed in a hazardous environment on a single barrier. For Class
IIB gases, the maximum current is 240 mA, allowing 15 devices per barrier.
Temperature and pressure compensated mass flow.
In this case, the temperature transmitter uses 16 mA, a pressure and DP transmitter
each use 20 mA, and a control valve uses 25 mA. All four of these devices could be
placed on the same barrier in a Class IIC hazardous environment (16+20+20+25=81).
There may be occasions when it's desirable to have both safe and hazardous areas on the
same fieldbus segment. This isn't a problem as long as you follow the simple rules illustrated by
the example below.
In this example, there are n devices in the safe area and k devices in the hazardous area. The
maximum number of devices on a segment is 32. Experience demonstrates that up to 16
devices are acceptable. So k+n must be less than or equal to 32 or 16, depending on the type
of devices being used.
In addition, k must equal the total number of devices with a combined power consumption of
110 mA or less (remember the ignition curve) with FISCO safety barriers.
Combining safe and hazardous areas
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