Digitalización industrial

Caminando hacia la Industria 4.0, el sistema DCS como “controller”

Por 25 noviembre, 2021 No Comments
el sistema DCS como controller en la industria 4.0

El concepto de un sistema DCS no es nuevo en la historia de la industria, la necesidad siempre ha estado ahí. Sin embargo, la tecnología actual hace posible el control total de la operativa de planta y despeja el camino para mejorar la productividad.

Para obtener este control total de lo que ocurre en fábrica, las empresas se enfrentan a un reto a la hora de implementar un sistema DCS: integración, comunicación y monitorización.

¿Qué es un DCS?

Un DCS (al que nos referimos siempre por sus siglas en inglés: Distributed Control System) es un sistema de control automatizado en el que se encuentran distribuidos todos los elementos de control de una fábrica (autómatas, controladores, dispositivos E/S, instrumentación, actuadores, etc.). Todos bajo una misma plataforma y conectados entre sí a través de una red de comunicación de alta velocidad. Es, por tanto, una ventana abierta que ofrece una excelente panorámica de todo el proceso productivo de una fábrica.

Si analizamos la importancia y necesidad de un sistema DCS se puede argumentar que ya desde sus inicios la industria ha buscado tener en un único lugar o punto de acceso al conocimiento de lo que ocurre en la fábrica, tal vez no con el mismo concepto, pero sí con un objetivo similar. Muchas empresas, por ejemplo, fueron pioneras con el uso de sinópticos en cuadros eléctricos que representaban una mínima situación de lo que estaba ocurriendo en su proceso.

“plataforma de control que engloba toda la automatización de fábrica”

La clave

Desde de esos primeros intentos, y hasta los más cercanos sistemas SCADA, estos sistemas han estado siempre orientados a la máquina, la línea, el proceso. Sin embargo, el concepto actual de DCS camina hacia un enfoque más global e incorpora información Total: no solo del proceso sino también de todos los servicios que afectan directamente al funcionamiento de una planta productiva.

Hablamos de tener bajo una misma plataforma todas las áreas de fábrica interconectadas como son los sistemas, procesos, servicios, energías, etc.

Un DCS, que en su concepción actual es una plataforma software que recibe y muestra en tiempo real información de lo que ocurre en planta, principalmente en la capa de automatización (nivel 0 y 1 de la ISA 95), permite intervenir de forma directa y reaccionar ante cualquier incidencia, fallo, alerta o desviación sobre lo previsto en la producción.

El Control Total de lo que está ocurriendo en fábrica coloca al sistema DCS en una óptima posición para anticipar problemas en la producción, tomar rápidas decisiones y reducir los tiempos de respuesta.

“controlar para tomar decisiones”

El DCS se ha convertido en una potente herramienta de ingeniería que impulsa y mejora toda la funcionalidad de planta. Hoy en día supone para las industrias un paso al frente en el proceso de transformación de su producción y la base sobre la que avanzar hacia una Smart Factory. Para aquellas empresas que ya lo tienen implantado, pensar en su ausencia supone “tener una fábrica a oscuras”.

Más eficiente & más rendimiento = mejor productividad

El Reto

Desde la perspectiva de la ingeniera de procesos, la implantación de un sistema DCS representa un triple desafío: integración, comunicación y monitorización.

Integración

Las fábricas actuales son complejas, tienen decenas, cientos de máquinas y procesos interconectados y dependientes. Dentro de ellas conviven de forma habitual: PLC’s, Controladores, PC’s Industriales, HMI, SCADA’s, buses de campo, protocolos de comunicación, etc.

Reto integración DCS como controller

De forma natural las fábricas han ido creciendo y evolucionando en función de la necesidad y premura en el tiempo. Este crecimiento poco estructurado ha dado como resultado la automatización de procesos sin tener en cuenta su integración global y estandarización, lo cual lleva a encontrar múltiples máquinas y procesos con diferentes protocolos de comunicación: OPC UA, Profinet, Industrial Ethernet, Profibus, DeviceNet, AS-i, trabajando de forma aislada y sin posibilidad de comunicación entre ellos. En la actualidad no es extraño incluso encontrar máquinas automáticas que no disponen de PLC o controlador, siendo necesario obtener la información a través de maniobras eléctricas, limitando enormemente la comunicación e integración.

Ante este panorama, cada máquina, proceso y servicio a integrar requiere una aproximación, el esfuerzo y trabajo para superar este reto debe ir dirigido a diseñar la arquitectura adecuada para llegar a comunicar con todos los sistemas de planta que formarán el DCS. Para ello es necesario conocer todo tipo de fabricantes, protocolos y dominar los procesos de la industria.

La integración hace posible que todos los procesos puedan comunicarse, transmitir y recibir órdenes, así como actualizarse remotamente, optimizando su lógica para mejorar la producción.

Comunicación

Una vez definida la arquitectura de máquinas, procesos y servicios a integrar, se debe establecer una línea de comunicación entre todos.

Reto comunicación industrial

Aquí el reto es asegurar que el dato, la información que queremos recoger de cada elemento, llegue a su destino en tiempo y forma para que sea válido, operativo. Para ello es necesario diseñar una estructura de comunicaciones con una doble función:

  1. Recoger todo lo que está ocurriendo en fábrica.
  2. Permitir conexión entre sistemas.

Con el avance de la digitalización hay que asegurar el tráfico de información con una red industrial estable y segura. Existen amenazas que pueden impedir que se consiga ese objetivo, como por ejemplo las conexiones IoT o el exceso de información.

Sin embargo, hay un elemento crítico en toda red de comunicación industrial que suele pasar inadvertido muchas veces y que a largo plazo puede ser diferencial: que la red no está bien diseñada, bien segmentada. ¿Qué datos deben llegar a qué área de trabajo con más o menos rapidez para asegurar el funcionamiento continuo de las máquinas y evitar paradas propiciadas por un uso indebido?

En la actualidad las redes permiten diferentes formas de segmentación virtual del tráfico, pero si tomamos el estándar marcado por la ISA 95, la funcionalidad y tipología del dato toman el protagonismo necesario para sentar las bases de una buena segmentación.

“No es difícil imaginar una carretera de alta ocupación en la que el tráfico está separado por carriles diferenciados para cada tipo de vehículo (automóviles, camiones, vehículos de emergencia…) y aplicar el símil en el diseño de una red industrial que tenga en cuenta la velocidad con la que el dato debe llegar a destino y su tipo de carga”.

Cada nivel de trabajo en planta maneja unos tiempos. La comunicación entre máquinas opera en apenas milisegundos y un fallo puede generar paradas de producción, pérdidas económicas. En cambio, las consultas con sistemas superiores (SCADA, MES o ERP) operan en tiempos de segundos, tal vez minutos.

Además, cada nivel de comunicación puede trasladar tipos de datos diferentes, como las consultas de visualización de SCADA que consumen más volumen de datos que una comunicación entre PLC’s y controladores.

En definitiva, cada nivel de este estándar genera en la red industrial una demanda que debe estar bien segmentada para evitar sobrecargas y bloqueos que desencadenen en fallos de comunicación.

Estandarización

Monitorización

Una vez integrados y conectados todos los sistemas y elementos a través de una óptima red de comunicación, es necesaria una herramienta que permita operar, controlar y supervisar todos los procesos de la fábrica. Esta herramienta es la estación del operador, un espacio que engloba gráficamente, de una forma ágil, sencilla e intuitiva todas las operaciones disponibles en planta.
Ya hemos visto que cuando nos asomamos a la industria encontramos fábricas extensas, complejas, con un montón de dispositivos, máquinas, procesos, sistemas. De todo eso ¿qué es lo más importante para controlar?

La tentación será monitorizar todo el proceso productivo con un gran detalle, pero para que el sistema DCS tenga un retorno inmediato, el exceso de información no le beneficia, es necesario simplificar, mostrar solo aquellos indicadores que van a proporcionar información relevante y sobre los que es imprescindible para poder tomar decisiones rápidamente.

DCS Sistema control - monitorizacion

Y ¿Cómo es la visualización? Con la ayuda de las nuevas tecnologías – incluidos los diseños 3D – se ha mejorado gráficamente esa monitorización para que sea un fiel reflejo de la realidad, es como ver las máquinas, líneas o sistemas en primera persona. Mejorando la compresión de los procesos en los usuarios y facilitando la interacción.

Si la integración y la comunicación se trabajan con éxito, la monitorización es simplemente un paso natural.

El mañana

Hoy en día los algoritmos, matemáticas y modelos predictivos empiezan a tener un papel con mayor relevancia en la industria y serán un recurso más del operador responsable del DCS en el Control Total de una planta.

“El Machine Learning y el Deep Learning facilitarán la toma de decisión”

La comunicación en tiempo real con la máquina/fábrica inteligente facilitará un dialogo en primera persona con el proceso, en el que la máquina y el usuario convivirán para mejorar la integración, comunicación y monitorización de la producción.

“Tan sencillo como llegar a tu puesto de trabajo y preguntar al sistema cómo está funcionando la fábrica”