Evolución de las operaciones de control de procesosEditar
El control de procesos de las grandes plantas industriales ha evolucionado a través de muchas etapas. Inicialmente, el control se realizaba desde paneles locales a la planta de proceso. Sin embargo, esto requería una gran cantidad de recursos humanos para atender estos paneles dispersos, y no había una visión global del proceso. El siguiente paso lógico fue la transmisión de todas las mediciones de la planta a una sala de control central con personal permanente. En efecto, esto suponía la centralización de todos los paneles localizados, con las ventajas de una menor dotación de personal y una visión de conjunto más fácil del proceso. A menudo, los controladores estaban detrás de los paneles de la sala de control y todas las salidas de control automáticas y manuales se transmitían a la planta. Sin embargo, aunque proporcionaba un enfoque de control central, esta disposición era inflexible, ya que cada bucle de control tenía su propio hardware de controlador, y se requería el movimiento continuo del operador dentro de la sala de control para ver diferentes partes del proceso.
Con la llegada de los procesadores electrónicos y las pantallas gráficas fue posible sustituir estos controladores discretos por algoritmos basados en ordenadores, alojados en una red de racks de entrada/salida con sus propios procesadores de control. Éstos podían distribuirse por la planta y comunicarse con la pantalla gráfica de la sala o salas de control. Había nacido el sistema de control distribuido.
La introducción de los DCS permitió una fácil interconexión y reconfiguración de los controles de la planta, como los bucles en cascada y los enclavamientos, y una fácil interconexión con otros sistemas informáticos de producción. Permitió un manejo sofisticado de las alarmas, introdujo el registro automático de eventos, eliminó la necesidad de registros físicos como los registradores gráficos, permitió que los bastidores de control se conectaran en red y, por lo tanto, se ubicaran localmente en la planta para reducir los recorridos de cableado, y proporcionó una visión general de alto nivel del estado de la planta y de los niveles de producción.
OrígenesEditar
Los primeros miniordenadores se utilizaron en el control de los procesos industriales desde principios de la década de 1960. El IBM 1800, por ejemplo, fue uno de los primeros ordenadores que disponía de un hardware de entrada/salida para recoger las señales de proceso en una planta para su conversión desde los niveles de contacto de campo (para los puntos digitales) y las señales analógicas al dominio digital.
El primer sistema informático de control industrial se construyó en 1959 en la refinería de Texaco Port Arthur, Texas, con un RW-300 de la empresa Ramo-Wooldridge.
En 1975, tanto Honeywell como la empresa japonesa de ingeniería eléctrica Yokogawa introdujeron sus propios DCS producidos de forma independiente: los sistemas TDC 2000 y CENTUM, respectivamente. La empresa estadounidense Bristol también presentó su controlador universal UCS 3000 en 1975. En 1978 Valmet introdujo su propio sistema DCS llamado Damatic (la última generación se llama Valmet DNA). En 1980, Bailey (ahora parte de ABB) introdujo el sistema NETWORK 90, Fisher Controls (ahora parte de Emerson Electric) introdujo el sistema PROVoX, Fischer & Porter Company (ahora también parte de ABB) introdujo el DCI-4000 (DCI significa Distributed Control Instrumentation).
El DCS surgió en gran medida debido a la mayor disponibilidad de microordenadores y la proliferación de microprocesadores en el mundo del control de procesos. Los ordenadores ya se habían aplicado a la automatización de procesos durante algún tiempo en forma de control digital directo (DDC) y control de puntos de ajuste. A principios de los años 70, Taylor Instrument Company (ahora parte de ABB) desarrolló el sistema 1010, Foxboro el sistema FOX1, Fisher Controls el sistema DC2 y Bailey Controls los sistemas 1055. Todos ellos eran aplicaciones DDC implementadas en minicomputadoras (DEC PDP-11, Varian Data Machines, MODCOMP, etc.) y conectadas a hardware de entrada/salida propio. De este modo se implementaba un sofisticado (para la época) control continuo y por lotes. Un enfoque más conservador era el control de puntos de ajuste, en el que los ordenadores de proceso supervisaban grupos de controladores de proceso analógicos. Una estación de trabajo proporcionaba visibilidad del proceso mediante texto y gráficos de caracteres crudos. La disponibilidad de una interfaz gráfica de usuario totalmente funcional estaba lejos.
DesarrolloEditar
Central para el modelo DCS fue la inclusión de bloques de función de control. Los bloques de función evolucionaron a partir de los primeros conceptos de DDC más primitivos de software «impulsado por tablas». Los bloques de función, una de las primeras realizaciones de software orientado a objetos, eran «bloques» de código autocontenidos que emulaban componentes de control de hardware analógico y realizaban tareas esenciales para el control de procesos, como la ejecución de algoritmos PID. Los bloques de función siguen perdurando como método predominante de control para los proveedores de DCS, y se apoyan en tecnologías clave como Foundation Fieldbus en la actualidad.
Midac Systems, de Sydney, Australia, desarrolló un sistema de control digital directo distribuido orientado a objetos en 1982. El sistema central ejecutaba 11 microprocesadores que compartían tareas y memoria común y estaban conectados a una red de comunicación en serie de controladores distribuidos que ejecutaban cada uno dos Z80. El sistema se instaló en la Universidad de Melbourne.
La comunicación digital entre controladores distribuidos, estaciones de trabajo y otros elementos informáticos (acceso peer to peer) era una de las principales ventajas del DCS. La atención se centró debidamente en las redes, que proporcionaban las importantísimas líneas de comunicación que, para las aplicaciones de proceso, debían incorporar funciones específicas como el determinismo y la redundancia. Como resultado, muchos proveedores adoptaron el estándar de red IEEE 802.4. Esta decisión sentó las bases para la ola de migraciones necesarias cuando la tecnología de la información se trasladó a la automatización de procesos y el IEEE 802.3, en lugar del IEEE 802.4, se impuso como la LAN de control.
La era centrada en la red de la década de 1980Editar
En la década de 1980, los usuarios comenzaron a considerar los DCS como algo más que el control básico de procesos. Un ejemplo muy temprano de un DCS de control digital directo fue realizado por la empresa australiana Midac en 1981-82 utilizando hardware diseñado por R-Tec Australian. El sistema instalado en la Universidad de Melbourne utilizaba una red de comunicaciones en serie que conectaba los edificios del campus con una sala de control «frontal». Cada unidad remota ejecutaba dos microprocesadores Z80, mientras que el front-end ejecutaba once Z80 en una configuración de procesamiento paralelo con memoria común paginada para compartir tareas y que podía ejecutar hasta 20.000 objetos de control concurrentes.
Se creía que si se lograba la apertura y se podían compartir mayores cantidades de datos en toda la empresa se podrían lograr cosas aún mayores. Los primeros intentos de aumentar la apertura de los DCS se tradujeron en la adopción del sistema operativo predominante de la época: UNIX. UNIX y su tecnología de red complementaria, TCP-IP, fueron desarrollados por el Departamento de Defensa de EE.UU. para lograr la apertura, que era precisamente el problema que las industrias de procesos buscaban resolver.
Como resultado, los proveedores también empezaron a adoptar redes basadas en Ethernet con sus propias capas de protocolo propietarias. El estándar TCP/IP completo no se implementó, pero el uso de Ethernet hizo posible la implementación de las primeras instancias de gestión de objetos y tecnología de acceso global a datos. La década de los 80 también fue testigo de la integración de los primeros PLC en la infraestructura de DCS. También surgieron los historiadores de planta para aprovechar el mayor alcance de los sistemas de automatización. El primer proveedor de DCS que adoptó las tecnologías de red UNIX y Ethernet fue Foxboro, que introdujo el sistema de la serie I/A en 1987.
La era centrada en las aplicaciones de la década de 1990Editar
El impulso hacia la apertura en la década de 1980 cobró fuerza a lo largo de la década de 1990 con la creciente adopción de componentes comerciales listos para usar (COTS) y estándares de TI. Probablemente la mayor transición emprendida durante esta época fue el paso del sistema operativo UNIX al entorno Windows. Mientras que el ámbito del sistema operativo en tiempo real (RTOS) para aplicaciones de control sigue dominado por las variantes comerciales en tiempo real de UNIX o los sistemas operativos propietarios, todo lo que está por encima del control en tiempo real ha hecho la transición a Windows.
La introducción de Microsoft en las capas de escritorio y servidor dio lugar al desarrollo de tecnologías como OLE para el control de procesos (OPC), que es ahora un estándar de conectividad de facto en la industria. La tecnología de Internet también empezó a hacerse un hueco en la automatización y en el mundo, y la mayoría de los HMI de los DCS son compatibles con la conectividad a Internet. La década de los 90 también fue conocida por las «Guerras del bus de campo», en las que organizaciones rivales competían por definir lo que se convertiría en el estándar de bus de campo IEC para la comunicación digital con la instrumentación de campo en lugar de las comunicaciones analógicas de 4-20 miliamperios. Las primeras instalaciones de bus de campo se produjeron en los años 90. Hacia el final de la década, la tecnología comenzó a desarrollar un impulso significativo, con el mercado consolidado en torno a Ethernet I/P, Foundation Fieldbus y Profibus PA para aplicaciones de automatización de procesos. Algunos proveedores construyeron nuevos sistemas desde cero para maximizar la funcionalidad con el bus de campo, como Rockwell PlantPAx System, Honeywell con los sistemas SCADA Experion & Plantscape, ABB con System 800xA, Emerson Process Management con el sistema de control Emerson Process Management DeltaV, Siemens con el SPPA-T3000 o Simatic PCS 7, Forbes Marshall con el sistema de control Microcon+ y Azbil Corporation con el sistema Harmonas-DEO. Las técnicas de bus de campo se han utilizado para integrar aplicaciones de máquinas, accionamientos, calidad y control de estado en un DCS con el sistema Valmet DNA.
El impacto de los COTS, sin embargo, fue más pronunciado en la capa de hardware. Durante años, el principal negocio de los proveedores de DCS ha sido el suministro de grandes cantidades de hardware, especialmente de E/S y controladores. La proliferación inicial de los DCS requirió la instalación de cantidades prodigiosas de este hardware, la mayoría de ellos fabricados desde la base por los proveedores de DCS. Sin embargo, los componentes informáticos estándar de fabricantes como Intel y Motorola hacían prohibitivo para los proveedores de DCS seguir fabricando sus propios componentes, estaciones de trabajo y hardware de red.
Cuando los proveedores hicieron la transición a los componentes COTS, también descubrieron que el mercado de hardware se estaba reduciendo rápidamente. Los COTS no sólo suponían una reducción de los costes de fabricación para el proveedor, sino también una disminución constante de los precios para los usuarios finales, que cada vez se hacían más eco de lo que percibían como costes de hardware excesivamente elevados. Algunos proveedores que anteriormente eran más fuertes en el negocio de los PLC, como Rockwell Automation y Siemens, pudieron aprovechar su experiencia en la fabricación de hardware de control para entrar en el mercado de los DCS con ofertas rentables, mientras que la estabilidad/escalabilidad/fiabilidad y la funcionalidad de estos sistemas emergentes siguen mejorando. Los proveedores tradicionales de DCS introdujeron una nueva generación de sistemas DCS basados en las últimas normas de comunicación e IEC, lo que dio lugar a una tendencia a combinar los conceptos/funcionalidades tradicionales de PLC y DCS en una solución única para todos, denominada «Sistema de automatización de procesos» (PAS). Las diferencias entre los distintos sistemas siguen existiendo en áreas como: la integridad de la base de datos, la funcionalidad de preingeniería, la madurez del sistema, la transparencia de las comunicaciones y la fiabilidad. Aunque se espera que la relación de costes sea relativamente la misma (cuanto más potentes sean los sistemas, más caros serán), la realidad del negocio de la automatización suele operar estratégicamente caso por caso. El siguiente paso de la evolución actual se llama Sistemas de Automatización de Procesos Colaborativos.
Para agravar el problema, los proveedores también se estaban dando cuenta de que el mercado de hardware se estaba saturando. El ciclo de vida de los componentes de hardware, como las E/S y el cableado, suele ser de entre 15 y más de 20 años, lo que supone un reto para el mercado de sustitución. Muchos de los sistemas más antiguos que se instalaron en los años setenta y ochenta siguen utilizándose hoy en día, y hay una base considerable de sistemas instalados en el mercado que se acercan al final de su vida útil. Las economías industriales desarrolladas de Norteamérica, Europa y Japón ya contaban con muchos miles de DCS instalados, y con la escasa o nula construcción de nuevas plantas, el mercado de nuevo hardware se desplazaba rápidamente a regiones más pequeñas, aunque de más rápido crecimiento, como China, América Latina y Europa del Este.
Debido a la reducción del negocio del hardware, los proveedores comenzaron a realizar la difícil transición de un modelo de negocio basado en el hardware a otro basado en el software y los servicios de valor añadido. Es una transición que todavía se está llevando a cabo en la actualidad. La cartera de aplicaciones que ofrecen los proveedores se amplió considerablemente en los años 90 para incluir áreas como la gestión de la producción, el control basado en modelos, la optimización en tiempo real, la gestión de activos de planta (PAM), las herramientas de gestión del rendimiento en tiempo real (RPM), la gestión de alarmas y muchas otras. Sin embargo, para obtener el verdadero valor de estas aplicaciones, a menudo se requiere un considerable contenido de servicios, que los proveedores también proporcionan.
Sistemas modernos (2010 en adelante)Editar
Los últimos desarrollos en DCS incluyen las siguientes nuevas tecnologías:
- Sistemas y protocolos inalámbricos
- Transmisión remota, registro e historiador de datos
- Interfaces y controles móviles
- Servidores web incorporados
Cada vez más, e irónicamente, los DCS se están centralizando a nivel de planta, con la capacidad de iniciar sesión en el equipo remoto. Esto permite al operador controlar tanto a nivel de empresa ( macro ) como a nivel de equipo (micro), tanto dentro como fuera de la planta, ya que la importancia de la ubicación física disminuye debido a la interconectividad, principalmente gracias al acceso inalámbrico y remoto.
Cuanto más se desarrollan y perfeccionan los protocolos inalámbricos, más se incluyen en los DCS. Los controladores DCS están ahora a menudo equipados con servidores integrados y proporcionan acceso web sobre la marcha. Está por ver si el DCS liderará el Internet Industrial de las Cosas (IIOT) o si tomará prestados elementos clave.
Muchos proveedores ofrecen la opción de una HMI móvil, preparada tanto para Android como para iOS. Con estas interfaces, la amenaza de violaciones de seguridad y posibles daños a la planta y al proceso son ahora muy reales.