I/O Remota para áreas clasificadas

Sistema I.S.1 - I/O Remota de R. STAHL

Sumario
Lo más avanzado en la operación intrínsecamente segura de  sensores / actuadores, barreras S.I. , Módulos con aislamiento galvánico e I/O remota ha sido brevemente descrita. La motivación  de la I/O Remota se demuestra en las bases de algunas tendencias dominantes en tecnología aquí consideradas  - automatización y protección contra explosiones. Las propiedades y ventajas de la tecnología de I/O Remota son examinadas aquí  con referencia al sistema I.S. 1 de R.Stahl, dejando a un lado los argumentos en favor de la I/O remota y sus posibilidades futuras de desarrollo.

Innovación:  una apreciación
El tipo de protección contra explosiones del tipo Seguridad Intrínseca (Ex i) ha probado su valor al rededor del mundo proveyendo protección contra explosiones a la tecnología de automatización de procesos en planta. Hoy en día se encuentran disponibles tres diferentes tecnologías ajustadas a la mayoría de las aplicaciones:

  • Barreras S.I. (barreras Zener)
    históricamente, las barreras son la clásica interfase S.I. Son económicas, tienen un diseño simple y se encuentran altamente disponibles. Un prerrequisito esencial para sus uso es una ecualización de potenciales de alto nivel.

  • Módulos de aislamiento Ex i con aislamiento galvánico
    Esta tecnología provee aislamiento entre los circuitos intrínsecamente seguros y los no S.I. En la práctica esto es alcanzado por medio de transformadores, opto acopladores, relés, etc. Ya que los circuitos no se encuentran conectados al potencial de aterramiento, presentan una alta inmunidad a la interferencia, Las versátiles opciones de interconexión facilitan la ingeniería, ejm. enlazando señales de 4-20mA a través de varias unidades.

  • I/O Remota con entradas y salidas Ex i
    Aquí no es necesario de instalar  "equipos de protección adicionales", al igual que con las barreras S.I. o los Aisladores Ex i. Mas bien, en esta tecnología se mezclan las entradas/salidas del sistema de automatización con su correspondiente interfase Ex i en una sola unidad. Un bus de campo la conecta al sistema de automatización mientras que sensores y actuadores intrínsecamente seguros pueden conectarse directamente a la I/O remota. Estos equipos son preferiblemente utilizados de forma loca, por ejemplo en áreas peligrosas Zona 2 o 1; de allí que los equipos de campo puedan conectarse por medio de cables cortos.

¿Por qué I/O remota? La tecnología de automatización de procesos para plantas requieren de protección contra explosiones y la misma se encuentra en una fase de cambios radicales. Estos cambios se activaron por tendencias descritas a continuación.

Digitalización

Como, por ejemplo, con la digitalización del sistema telefónico, aquí hubo un cambio en la tecnología de automatización para un amplio rango de procesos y plantas por varias décadas. Inicialmente se utilizaron computadores de proceso, controles PLC y controles distribuidos. Los sensores y actuadores conectados al proceso permanecieron análogos. Entre 1.980 y 1.990 una segunda ola de "digitalización" comenzó: transmisores con microprocesadores y tecnología de medición interna digital. Característico de esta generación es el modo híbrido, en los cuales los valores de proceso continúan disponibles en señales de 4..20 mA, pero al mismo tiempo es posible una comunicación digital con el instrumento de medición. Como un representante de esta etapa podemos mencionar al protocolo DE de Honeywell y HART de Rosemount. La tecnología de transmisión HART se a convertido en un estándar de facto. Después de esto, el equipo de campo completamente digital se ha hecho realidad. Desde 1.998, dos sistemas abiertos, por ejemplo aquellos soportados por varios fabricantes, han sido introducidos al mercado:  Profibus PA y Foundation Fieldbus. Denominados también como buses de campo tipo H1.

Unidad de automatización

Ventajas

Desventajas

Barrera S.I.



· Económico

· Dimensiones pequeñas

· Alta disponibilidad

· No requiere alimentación 


· Conexión a tierra

· Suceptible a interferencias

· Resistencia de línea


Aislador Ex i 


· Aislamiento galvánico

· Sin conexión a tierra

· Ingeniería sencilla

· Alta resistencia a interferencias


· Más costoso que las barreras

· Mayores dimensiones

· Requiere alimentación


I/O Remota


· Ausencia de cables e interfases

· Instalación local

· Extensión modular

· No se requiere de espacio en la sala de control


· Nueva tecnología

· Actalmente no para funciones de seguridad relevantes

Tabla 1: Ventajas y desventajas de varios de las tecnologías para circuitos intrínsecamente seguros

 

Descentralización
el principio dorado de la gerencia  "Tan descentralizado como sea posible y tan centralizado como sea necesario" es también relevante para la tecnología de automatización. Hoy en día se encuentran disponibles tecnologías para alcanzar sistemas de control descentralizados de lazo cerrado con alta confiabilidad, mientras que al mismo tiempo los datos y las configuraciones se almacenas en un banco de datos centralizado. La protección contra explosiones, por su lado, naturalmente sigue el principio a continuación: tecnologías de baja potencia para operación de equipos de medición y control, transmisión de datos intrínsecamente segura sobre interfases estándares.

Interfases estándares / Bus de campo
Buses de campo, o más adecuadamente "tecnología de bus de campo" se ha desarrollado en una tecnología altamente innovadora en los últimos 15 años, a pesar de todas las evasiones políticas de las compañías. Además de un rango de productos, protocolos, y funciones (Demasiado largos de enumerar), tenemos, de manera más importante, mayor estandarización, interfases digitales abiertas . Tanto como las mismas lo permitan, por ejemplo, la interconexión de I/O remotas y sistemas de automatización de varios fabricantes sin la necesidad de programación o el uso de módulos manejadores especiales.

Protección contra explosiones para Zona 2
Los estándares y regulaciones para la protección contra explosiones se encuentra en estado de cambio: por ejemplo la guía ATEX, la cual permite que soluciones no conformes sean certificadas al alcanzarse las metas de protección. Así, nuevas tecnologías pueden ser fácilmente utilizadas en este sector, el cual es cubierto por innumerables regulaciones.

En USA, las áreas clasificadas se dividen en  División 1 y División 2. División 2 es comparable a duras penas a la Zona 2 de IEC, y cubre más del 80% de las aplicaciones. El estándar EN 50 021 ("Equipos eléctricos para Zona 2") ahora provee de condiciones claras que permiten a los fabricantes desarrollar productos adecuados.

Zonas IEC / NEC

Divisiones NEC

 Zona 0 

 División 1  

 Zona 1

 Zona 2 

 División 2

Tabla 2: Comparación entre Zonas y Divisiones

Más sencillo, eficiente y económico

Todo aquel que extrae petróleo o fabrica substancias farmacéuticas está principalmente conciente de la optimización de sus procedimientos y procesos. Protección ambiental ahorro de energía, reducción de desperdicio, maximización de la calidad del producto y muchas otras metas se convierten en prioridades. Adicionalmente, la necesidad de mantener los costos bajos debe ser incluida. Los fabricantes de tecnología de automatización deben permitir todo esto, por ejemplo,  deben de proveer productos más eficientes y manejables por menos dinero.
El mercado para tecnología de automatización con protección contra explosiones de un mercado de suplidores a uno de compradores , con todas las consecuencias correspondientes: equipos más sencillo, eficiente y económico

I/O Remota -La primera generación

A principios de los 80's, Siemens desarrollo le multiplexor de campo FM 100 para el sistema de control de procesos Teleperm M, adecuado para su instalación en áreas Zona 1 y equipado con conexiones de seguridad intrínseca para sensores y actuadores. Un logro importante de ingeniería pero sin éxito en el mercado. No era el tiempo adecuado para esta tecnología y los usuarios potenciales no se encontraban listos para su uso.

Después de 1.987 R. STAHL desarrollo esta idea con el Sistema de bus de campo para Zona 1 ICS MUX. Un nuevo concepto de fuente de alimentación en la Estación de Campo" aseguraba que todo el ensamblaje electrónico pudiese ser reemplazado en el área peligrosa durante operación, una característica importante cuando se llenan las demandas de la tecnología de procesos.

Lo más importante, este sistema fue el primero en ser utilizado donde la nueva tecnología pudo demostrar sus ventajas:

  • ningún espacio en el cuarto de control para extensiones (industria química)

  • conductos de cableado existentes repletos (refinería)

  • el peso del cableado es costoso (plataformas marinas)

A través de avanzados desarrollos (comunicación HART, VOS 200, seguridad intrínseca para Profibus DP etc.) el sistema creó un nuevo mercado, el mercado del futuro. Los fabricantes del sistema de control han contribuido con su aceptación, ya que han reconocido la necesidad de sistemas abiertos.

Tecnología aprobada - VOS 200 Estación de Campo

 ICS MUX VOS 200

Planificación de los usuarios con I/O remota
Dentro de los últimos dos o tres años la aceptación a cambio completamente. Muchas instalaciones, que fueron planificadas para 1.999 u después, serán equipadas con I/O remota. Diseñadores, usuarios, operadores y compradores reconocen los beneficios de esta tecnología.

Dentro de esta arena R. STAHL ha creado la segunda generación: I.S.1, un sistema I/O remoto para aplicaciones en áreas clasificadas.

I.S. 1 es simple

El sistema I.S.1 es muy simple. Sólo se requieren de tres componentes básicos para ser ensamblados e instalados.

  • El BusRail interconecta los módulos eléctricamente. El mismo puede ser montado en cualquier riel comercial de 35mm disponible. El puente de conexión maneja Datos, Direcciones y la alimentación completa del sistema, Varias secciones pueden ser conectadas en conjunto para extensión.

 BUSRAIL
 · Pasivo, altamente disponible
 · extensión simple por conexión conjunta
 · Posible montaje en varios segmentos de riel DIN

 Módulo de alimentación y CPU 
 ·
Conexión al bus de campo
 · Interfase al bus de servicio
 · Fuente de alimentación para 8 o 16 módulos de I/O
 · Posible redundancia

 Módulo de I/O con Entradas / Salidas Ex i
 ·
AI, AO, DI, DO
 · HART
 · PT 100, Termocuplas
 · Frecuencias

Los componentes del sistema I.S. 1

  • El módulo de alimentación y  CPU  maneja las conexiones a los varios buses de campo. Una fuente de alimentación para los módulos I/O incluyendo circuitos Ex i. la pantalla incorporada puede mostrar la conexión de la estación e información sobre los módulos o señales. La interfase de servicio permite la configuración, parametrización y la realización de pruebas en la estación de campo, si el bus de campo no soporta estas funciones.

  • Los módulos I/O pueden ser conectados en cualquier posición libre del PowerBus., su número esta restringido únicamente por la fuente de poder. Entradas y salidas son intrínsecamente seguras; los valores técnicos coinciden con los sensores y actuadores normalmente utilizados en la tecnología de procesos. Los módulos I/O poseen 4,8 o 16 canales y están diseñados para entradas o salidas análogas o digitales, sensores de temperatura y transductores de frecuencia. Los módulos HART Sobresalen del rango.

Todas las conexiones eléctricas (fuente de alimentación, bus de campo, equipos de campo) son enchufables y asegurables. Esto permite un rápido y confiable intercambio de módulos.

I.S.1 es flexible

El sistema I.S.1 esta diseñado para poder ser instalado en áreas clasificadas (Zona 1 o Zona 2 / División 2) o en áreas seguras. La capacidad de mezclar los tipos de instalación es importante para aplicaciones prácticas. De aquí que el BusRail y los módulos I/O están diseñados para que puedan ser utilizados en cualquiera de las áreas anteriormente mencionadas. Esto reduce el número de unidades diferentes, las cuales pueden ser almacenadas como partes de repuesto, por ejemplo. únicamente para el módulo de alimentación y CPU existe una versión especial encapsulada, necesaria para su instalación en áreas Zona 1. El diseño consiste de una base , la cual se conecta al BusRail y de un módulo a prueba de llamas con electrónica encapsulada, que puede ser substituido durante operación en la Zona 1.

Instalación en cuarto de control

(área segura)

Instalación en Zona 2

(área clasificada)

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Figura 1: I.S.1 para diferentes necesidades de instalación

El I.S.1 tiene un alto desempeño

Adicionalmente a la protección contra explosiones existen mayores de mandas sobre los sistemas de I/O Remota para las condiciones especiales extremas de las plantas de proceso: alta confiabilidad, en particular en procesos continuos; comunicación con transmisores y actuadores HART; períodos de reparación cortos, simpleza de extensión; etc.

Los módulos del  I.S.1he I.S.1permiten la conexión directa de instrumentos de campo HART. La señal de 4..20mA es procesada como un transmisor o actuador convencional. Una estación de campo se comporta de manera transparente para los comando HART, por ejemplo datos de parametrización o diagnóstico son intercambiados directamente entre un equipo de campo y la base de datos central de HART( a través del bus de servicio, por ejemplo). 

Un diseño comprensible de redundancia asegura que incluso cuando ocurran fallas en un módulo, los efectos permanezcan restringidos. el bus interno  del I.S. 1  tiene, por ejemplo, diseño esencialmente redundante, por lo que un módulo I/O defectuoso no podrá llevar a la falla de toda la estación de campo. El módulo de alimentación y CPU, el "módulo central" de la estación de campo puede ser rápidamente reemplazada en el caso de una falla. La más alta confiabilidad puede alcanzarse con un módulo CPU redundante (en espera). En este caso, todas las funciones centrales dela estación de campo, alimentación y conexión al bus de campo se encuentran presentes en duplicado.

Que sucede sí...  
Falla general, En una estación de campo Todas las fallas se señalan con LEDs y vía Bus de campo y bus de servicio
Circuito abierto o en corto en le lazo del sensor / actuador señal de falla en el módulo I/O
No hay comunicación con el módulo de salida el comportamiento de cada salida es parametrizada individualmente (timeout, salida = x o último valor)
No hay valor en el módulo de entrada valor de entrada en el bus de campo parameterizado (entrada = x o último valor)
I/O defectuosa Señal de falla en el módulo CPU
Módulo I/O reemplazado módulo CPU & recarga los parámetros recientes automáticamente
Módulo CPU & fuente de poder defectuoso  CPM redundante toma el control del bus de campo y  la estación de campo
Módulo CPU & fuente de poder reemplazado parámetros actuales son recargados automáticamente vía Profibus o CPM redundante.

Tabla 3 – estrategia de fallas para I.S. 1


I.S.1 es económico

Los costos han aumentado no únicamente en la compra de materiales o servicios. Cuando consideramos " los costos del ciclo de vida" muchos factores juegan parte, I.S. 1 reduce los costos de ingeniería y mantenimiento en comparación con le cableado convencional en todas las fases del proyecto.

  • La planeación e instalación es simplificada por la omisión de los módulos de aislamiento Ex i, terminales, cables, etc. Las estaciones de campo I.S.1 reemplazan completamente las cajas de terminales en campo (distribución en campo inteligente).

  • El número de unidades a ser provistas en total es significativamente reducida. El alto número de canales de los módulos I/O también reduce los costos por señal.

  • Al arrancar, los microprocesadores en todos los módulos suministran un diagnóstico detallado necesario para una rápida y precisa descripción de fallas.

  • el rápido reemplazo de todos los componentes es importante para el mantenimiento: todos los módulos pueden ser substituidos durante operación en áreas peligrosas, tanto en Zona 1 como en Zona 2. No es necesario un trabajo de ajuste tales como ajuste de funciones, direcciones de bus mediante interruptores DIP o de rotación. Todos los parámetros son automáticamente recargados.

Una característica especial

Las estructuras típicas de plantas contienen sensores y actuadores estándares así como intrínsecamente seguros. Una estación de campo I.S.1 puede por supuesto emplearse sobre aplicaciones en áreas no clasificadas. Una opción interesante descansa en el hecho  de que se pueden combinar módulos I/O para señales Ex i con módulos para señales no Ex i en una misma estación de campo. Mayores ahorros en espacio y material puede realizarse de esta forma. Esta mezcla de señales esta limitada inicialmente a instalaciones en la Zona 2 ; en una mayor etapa del desarrollo el I.S.1 ofrecerá estas posibilidades para Zona 1 para por ejemplo válvulas solenoides  Ex e.

Protección contra explosiones para el bus de campo

El bus de campo, de ser instalado en Zona 1, debe de cumplir además con las regulaciones de protección contra explosiones. una conexión bajo tecnología Ex e es básicamente posible; para trabajos de servicio y mantenimiento  o extensiones el bus sin embargo deberá desconectarse. También se prohíbe el uso de conexiones auto roscadas , que ofrecen una buena protección contra interferencia incluso a altas velocidades de transmisión de datos. Las estaciones de campo en Zona1 son por lo tanto operadas sobre un segmento de bus de campo intrínsecamente seguro. Simplemente se conecta un repetidor al bus de campo proveyendo el aislamiento para el segmento Ex i. Las limitaciones de dicho segmento son: Hasta 1,5 Mbs por 200 mts de cable y un máximo de 10 estaciones conectada. Para mayores distancias de transmisión existen los correspondientes repetidores de aislamiento para cables de fibra óptica. Con ellos la longitud del cable puede alcanzar 2000 mts.

Figura 2: Posibles estructuras del sistema

Una solución transitoria?

Ocasionalmente se oye que la I/O remota, de done quiera que venga, es necesaria únicamente para el período de transición hasta  que los sensores y actuadores puedan ser manejados directamente del bus de campo. Los siguientes puntos contradicen dichas afirmaciones:

  • La conexión de equipos binarios sencillos tales como contactos y válvulas solenoide  o sensores de temperatura (Pt 100 o termocupla) al I/O Remoto es mucho más económico en comparación a los equipos para bus de campo.

  • La base instalada para equipos de campo HART continuará creciendo. I/O remota ofrece integración de comunicaciones HART y esto provee las bases para el control central de la base de datos de instrumentos de campo

  •  La I/O remota no será reemplazada por el bus de campo, pero la I/O remota integrará los sensores y actuadores para bus. El usuario tendrá la facultad de escoger la tecnología que mejor se adapte a sus necesidades.

  • Interfases OPC , tecnología ActiveX, etc. Asegurarán que las I/O remotas se integren de una mejor forma a la estructura de l sistema de automatización. El acceso a los datos de proceso, parámetros de equipos e información de diagnóstico se harán posible desde una estación central de ingeniería tanto para I/O remotas como para buses de campo subordinados y sus equipos. Las primeras implementaciones de Profibus DP con las extensiones DP V1 estarán disponibles el año próximo.

  • Ethernet con TCP/IP será utilizado ampliamente en la automatización industrial. La I/O remota es el equipo adecuado para definir una interfase entre los equipos de campo y Ethernet.

Finalmente, perspectiva posterior no debe ser omitida: La descentralización de funciones de lazo abierto y cerrado . Los bloques de función como son manejados hoy en día en PLC's o sistemas de control distribuido o PC's podrán alternativamente ser integrados al I/O remota.

Veredicto: El futuro le pertenece a la I/O Remota.

la 2da generación de I/O Remota de R. STAHL