Sistemas de control industrial

Un sistema de control industrial (ICS) incluye sistemas de control de supervisión y adquisición de datos (SCADA), sistemas de control distribuido (DCS) y configuraciones de sistemas de control compactas, como controladores lógicos programables (PLC), dispositivos electrónicos inteligentes (IED), unidades de terminales remotos (RTU) y otros dispositivos de campo. Un ICS aumenta el rendimiento, la seguridad y la fiabilidad mediante el continuo control y monitorización de todos los procesos industriales y la reducción del esfuerzo manual.

Los sistemas de control simples están montados en panel y se despliegan en controladores discretos pequeños que permiten el acceso visual directo del panel frontal y la intervención manual del operador si es necesario. Originalmente estos eran controladores neumáticos, pero ahora son casi todos electrónicos. Las redes de tales controladores electrónicos se comunican usando protocolos estándar del sector para crear sistemas complejos. Las redes permiten usar interfaces de operadores remotos o locales SCADA y hacen posible interconectar y secuenciar los controladores.

Los DCS son sistemas de control de procesos digitales que usan procesadores fabricados a medida como controladores y ya sea protocolos estándar o interconexiones patentadas para comunicación. Este proceso incluye módulos de conexión de campo y funciones de controlador que se dispersan en todo el sistema con control centralizado, ofreciendo gestión y visualización de supervisión para procesos industriales a gran escala.

Los SCADA son arquitecturas de sistemas de control que usan ordenadores, interfaces de usuario gráfico (GUI) y comunicaciones de datos en red para realizar gestión de supervisión de alto nivel. Los SCADA administran las interfaces del operador que monitorizan y expiden los comandos de procesos. Los módulos conectados en red a dispositivos periféricos, como controladores PID discretos y lógicos programables, ejecutan cálculos lógicos y control en tiempo real. Estos controladores están en interfaz con la maquinaria.

Los PLC son dispositivos modulares compactos con varias entradas y salidas (E/S) en una carcasa incorporada al procesador. La variedad puede llegar a dispositivos modulares grandes montados en rack con cientos de E/S en red con los sistemas SCADA. Los controladores lógicos programables (PLC), dentro de los ICS, sirven de puente útil entre el mundo físico y el cibernético. Los papeles cruciales que desempeñan los ICS y PLC los han convertido en objetivos de ciberataques sofisticados, diseñados para entorpecer su funcionamiento creando tanto malestar social como pérdidas financieras.

Varios protocolos de comunicaciones usan diversos entornos ICS. La mayoría de los protocolos está diseñada para fines específicos, como automatización de procesos, automatización de edificios y automatización de sistemas energéticos. Los protocolos ICS generalmente incluyen Bus de campo (PROFIBUS), Redes de automatización y control de edificios (BACnet), Protocolo de redes distribuidas (DNP3), Modbus, Comunicación de plataforma abierta (OPC), Ethernet para tecnología de automatización y control (EtherCAT) y Protocolo industrial común (CIP).

Ahora se habla de llevarlo todo online. La cuarta revolución industrial (Industria 4.0) —un término que reúne los sistemas ciberfísicos, como el internet de servicios y el internet de las cosas (IoT)— ha empezado a encontrar cada vez más eco entre los subcontratistas (OEM), propietarios de activos e integradores de sistemas. El futuro cercano será testigo del enrutamiento de una parte de la información de ICS a aplicaciones sofisticadas entre empresas mediante una red de área amplia donde la seguridad por oscuridad ya no ofrece una protección efectiva. Los ICS están conectados a Internet en proyectos como redes y ciudades inteligentes, aumentando así los riesgos de ataques por parte de actores maliciosos.

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Interfaces de entrada / salida

Las interfaces de entrada/salida o E/S son la interacción entre un dispositivo de procesamiento central, como un PLC, y los dispositivos de entrada y salida. Las entradas son las señales o los datos que reciben los sistemas de procesamiento desde un dispositivo de entrada digital, como un interruptor, relé o contactor, o desde entradas analógicas de varios sensores que indican el estado de los parámetros físicos, como la temperatura, la presión, etc. Las salidas son las señales o los datos que se envían desde los sistemas de procesamiento hacia los dispositivos de salida digital, como un indicador, una lámpara, una alarma, un relé o contactor y dispositivos de salida analógica, como motores, válvulas y controladores proporcionales, etc.

Cada módulo E/S puede contener hasta 32 canales con atributos específicos de tensión y corriente, y puede basarse en rack o ser distribuido o independiente o expansible. Normalmente los terminales de abrazadera de roscar conformaban las conexiones por cables, aunque muchos usuarios ahora se están cambiando a los terminales de abrazadera de resorte por su resistencia a la vibración y cableado más simple.

Algunos módulos E/S vienen con funcionalidades especializadas, como frecuencia (Hz), resistencia (ohms) o tensión (mVs). Los circuitos integrados de detección de temperatura (ICTD), termopares (TC) y detectores de temperatura de resistencia (RTD) son versiones de inteligencia artificial (AI) especializada, ya que con frecuencia se usan para ofrecer alta densidad de entrada. Todos los canales en un módulo normalmente son similares en formato básico, pero algunos sistemas más nuevos mezclan los cuatro tipos básicos de módulos acomodando entradas discretas y salidas discretas.

Algunos proveedores de sistemas E/S ofrecen módulos E/S multifunción que reciben señales relacionadas en los puntos de los terminales correspondientes y usan configuración centrada en software para crear atributos individuales específicos.

Los sistemas E/S modernos usan protocolos de Ethernet abierto. Algunos de estos sistemas E/S pueden aprovechar la tecnología de alimentación por Ethernet (PoE) comercial para hacer funcionar E/S remotas o hasta alimentar bucles de potencia. Los sistemas E/S tienen configuración basada en software, ya que es importante regular el módulo E/S para monitorizar o controlar los enlaces de comunicación del sistema. Se requiere ocasionalmente un adaptador de comunicaciones para validar los módulos E/S a fin de que conversen con un sistema de supervisión.

Como es posible usar el Ethernet estándar para crear redes de sistemas E/S modernos y no se limitan a las comunicaciones maestro-esclavo, están disponibles nuevas posibilidades de arquitecturas para llenar el vacío entre cableado tradicional y comunicaciones inalámbricas inteligentes y entre E/S del IIoT. Estos sistemas pueden conectar control E/S con tecnologías de informática embebida para convertir esclavos remotos en nodos de datos distribuidos. Pese a la ubicuidad casi total de los equipos de campo inteligentes y los dispositivos del IIoT, todavía continúa la demanda en instalaciones nuevas y antiguas para supervisar y comandar puntos E/S cableados convencionales. En los sistemas más antiguos, estarán conectados a un sistemas E/S controlado por un controlador. Los sistemas E/S más modernos ofrecen funcionalidades flexibles para facilitar el diseño, la instalación y el mantenimiento, ahorrando tiempo y dinero.

La última generación de sistemas E/S va más allá ofreciendo una mayor conectividad mediante redes Ethernet a pares, otros dispositivos y sistemas de software y sin limitarse a un solo maestro. Estas nuevas E/S posibilitan la creación de sistemas de automatización totalmente adaptados para el IIoT.

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Conectividad

La conectividad industrial es vital para la perfecta integración de los dispositivos. El control y la automatización industrial dependen en gran medida de cables y conectores para transferir datos, potencia y comandos entre máquinas industriales en las fábricas, la nube y la informática. Los entornos industriales requieren un diseño de conectividad resistente, duradera y de alto rendimiento. Debe ser a prueba de aceites, tolerar altas temperaturas y funcionar indefectiblemente en la cadena de arrastre.

El cableado es fundamental en la automatización industrial. El cableado de protocolos de comunicación en entornos de control industrial conlleva necesidades particulares. Los armarios eléctricos necesitan conectores industriales, cables de conexión, carril DIN, bloques de terminales y gestión de cables. Los sensores y solenoides requieren conjuntos DIN M12, M8 o cuadrados, acompañados por centros de distribución. Cada vez se ven más conjuntos RJ45 y M12-8 en las fábricas debido a la creciente adopción de las comunicaciones por Ethernet. Aún las aplicaciones inalámbricas necesitan cables durante la interrupción de la alimentación.

Un cable generalmente tiene un conductor, pantalla, aislamiento y cubierta externa. Los cables de pares trenzados sin apantallar (UTP) y apantallados (STP) son dos de las principales variedades de cables para entornos industriales. Un cable apantallado posibilita la transmisión fluida de la señal, ya que el apantallado protege el cable ante interferencias externas de radiofrecuencia y potencia, pero es más costoso que los cables sin apantallar.

Los tubos termorretráctiles protegen los cables ante químicos y condiciones climáticas variadas. El versátil producto también es apto para codificar por color, proteger contra tirones y en mazos de cables. También se usa contra tirones en cables de conexión, transición de conector a cable y sellado posterior de conectores. Los termorretráctiles también se usan como elemento de protección para unir cables o conductores sueltos en mazos.

Los conectores industriales son esenciales en diversas aplicaciones, como entornos fabriles, maquinarias, minería, exploración geofísica, generación/distribución de energía eléctrica y equipos agrícolas, entre otros. Los conectores de trabajo pesado son una solución configurable versátil. Ofrecen estanco IP69K máximo, 216 contactos y son aptos para condiciones adversas. La corriente nominal va de 10 A a 200 A. El sistema de conector M8 / M12 tiene conectores, módulos E/S y conjuntos de cables completos.

La gama de productos de conectores de trabajo pesado (HDC) modulares es altamente configurable y resistente, ideal para aplicaciones de robótica y automatización. Tal disposición combina potencia con tecnologías de interfaz establecidas. Las fundas y carcasas ofrecen orientación vertical y acodada y estanco IP65 a IP69k.

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Comunicaciones

Los sistemas de comunicaciones industriales son el eje central de cualquier arquitectura de sistemas de automatización. Ofrecen un procedimiento sólido de intercambio de datos, flexibilidad y controlabilidad de los datos para conectar varios dispositivos y gestionan la integridad de los datos y el control en tiempo real en condiciones exigentes de instalaciones a gran escala. Por consiguiente, las redes industriales impulsaron la implementación de abundantes protocolos de comunicación entre los controladores digitales, diversas herramientas de software relacionadas con la automoción, dispositivos de campo y sistemas externos.

Un protocolo de comunicación describe las reglas de los mensajes digitales y formatos necesarios para intercambiar mensajes entre dispositivos. Estos se ejecutan usando canales de comunicaciones inalámbricas o con cables y son esenciales para cualquier sistema de automatización complejo. La mayoría de los sistemas automatizados modernos usa redes de comunicación digital compartida con diversos tipos de protocolos, como RS-485, PROFIBUS, EtherCAT PROFINET, control CAN, Ethernet/IP, PowerLink, PROFINET, Modbus, Modbus™ TCP/IP y otros.

Los sensores, diversos controladores (PLC, HMI, DCS) y actuadores son los dispositivos de campo de menor nivel en la automatización industrial. Los sensores transmiten información diagnóstica y los controladores computan dichas señales de control condicional y las trasmiten a los actuadores. Los controladores industriales, como los PLC, sistemas de ordenadores y unidades de control distribuido, conforman el nivel de control y gestionan tareas como la configuración de dispositivos de automatización, cargando todos los datos de las variables del proceso y del programa, supervisando el control, ajustando las variables y archivando el histórico.

Ethernet es una clase de tecnología de red basada en la propuesta “maestro-esclavo”. Se instala una red con cables en un área local en una edificación. La red de control de nivel compuesta por Ethernet industrial con protocolos TCP/IP enlaza las unidades de control con los ordenadores.

Las redes de área local (LAN) funcionan como redes de comunicación para producir características deseadas. Los datos Ethernet enlazan las capas dentro de la red. Funciona como una capa física y define el tipo de conectores, las señales eléctricas y las velocidades de las señales.

Las redes de área amplia (WAN) Ethernet se usan comúnmente en la planeación de fábricas y la gestión del intercambio de información. Las WAN Ethernet emplean las pasarelas industriales como redes de información. Las tecnologías de comunicación inalámbrica son ideales para soluciones de automatización flexibles y eficientes y evitan las desventajas del cableado y las conexiones programadas asociadas. Se tienen en consideración múltiples métodos de comunicación según el intervalo entre los puntos de transmisión y recepción; por ejemplo, GSM o CDMA para mayores distancias, y Bluetooth, HART Zigbee inalámbrico y Wi-Fi para distancias más cortas. Wi-Fi ofrece gran ancho de banda y se integra fácilmente con las redes de protocolo de internet (IP). Bluetooth abarca una gran variedad de necesidades de transferencia y consumo energético. La tecnología Bluetooth LE de bajo consumo ofrece posicionamiento en interiores a partir de resistentes balizas de baterías que pueden funcionar entre varios meses y un año.

Una red 5G es un activo clave en la infraestructura de la automatización industrial, ya que se prevé el encaminamiento del sector de la fabricación hacia la organización distribuida de la producción, con bienes conectados (productos con capacidad de comunicación), procesos de bajo consumo, robots colaborativos y logística de fabricación integrada. Un sistema de entidades de usuario final reside en la cúspide de la estructura en red, usando servicios de comunicaciones integrales facilitados por la red 5G. Tal tipo de red ofrece comunicación horizontal dentro y a lo largo de una estructura vertical.

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Fuentes de alimentación

Las redes de fuentes de alimentación industriales ofrecen una alimentación de tensión fija de 24 VDC altamente disponible dentro de límites específicos. La tensión de salida se genera desde diferentes fuentes de alimentación, como redes CA y CC, suministro unifásico y trifásico de hasta 500 VAC.

Se requiere una variedad de fuentes de alimentación para el funcionamiento de maquinaria industrial, generalmente para convertir alta tensión CA a baja tensión CC con el fin de alimentar controladores lógicos programables, E/S y dispositivos HMI. La diferencia entre las fuentes de alimentación que se usan en aplicaciones comerciales e industriales reside en las aplicaciones esenciales en instalaciones de producción Clase 1 Div 2 (entornos potencialmente explosivos) o incluso en temperaturas extremas de - 40 °C a 70 °C.

Las fuentes de alimentación de modo conmutado (SMPS) y lineales son dos métodos principales de controlar las fuentes de alimentación CC reguladas. Las SMPS ligeras, compactas y muy eficientes tienen factores de forma más pequeños y conexión paralela directa mediante MOSFET ORing integrados. Cambian la potencia CA de entrada a potencia de alta frecuencia mediante la conmutación de alta velocidad de los semiconductores. La SMPS tiene funcionalidades actualizadas para mejorar la fiabilidad y seguridad eléctrica de las máquinas y la redundancia paralela de los componentes en sistemas complementarios. Más allá de estos factores, las fuentes de alimentación industriales pueden asegurar el futuro de las capacidades requeridas para las infraestructuras de digitalización industrial de las fábricas inteligentes y las iniciativas de la Industria 4.0.

Las fuentes de alimentación CA-CC y los convertidores CC-CC están disponibles en múltiples formatos con diversos tamaños, capacidades y formas, entre otros. Las aplicaciones finales pueden requerir una combinación de convertidores CA-CC y CC-CC o de punto de carga no aislado para responder a las necesidades de las diversas fuentes de alimentación, sistemas de alimentación y aislamiento de subsistemas como electrónica de control, cargado de baterías y puertos de comunicaciones.

Las fuentes de alimentación CA y los convertidores CC-CC están integrados en los equipos finales de marco abierto, montaje en PCB, montaje en chasis, formatos cerrados o de base de placa enfriada, o se pueden adaptar a aplicaciones particulares. Los avances como las topologías resonantes ZVS (conmutación a tensión cero) y ZCS (conmutación a corriente cero) y los métodos de rectificación síncrona ofrecen menor disipación de calor y mayor eficiencia de conversión.

La selección de la fuente de alimentación debe tener en cuenta muchos factores, como los requisitos de tamaño, la sobrecorriente integrada, cortocircuitos, protección contra la sobretemperaturas y corrección de factor de potencia para su funcionamiento en condiciones peligrosas. Los conectores de potencia industriales están diseñados para suministrar alimentación segura fiable a equipos en condiciones adversas extremas. Están disponibles diversos modelos de fuentes de alimentación que cumplen con las normas UL, CSA y VDE o EN.

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Seguridad y protección

La protección de los circuitos es un elemento esencial de cualquier instalación industrial. Es crucial cumplir con los códigos nacionales y proteger los equipos, los procesos y a las personas ante cualquier exceso de energía que pueda causar daños y problemas de seguridad.

Los dispositivos de protección fiables mantienen y monitorizan los entornos de los sistemas sin obstaculizar el funcionamiento normal. Los circuitos de protección integrados ofrecen soluciones resistentes, fáciles de implementar y de alto rendimiento que responden rápidamente a eventos peligrosos (si ocurren). Estos circuitos son compactos y de eficiencia energética y garantizan el funcionamiento estable por largos periodos, lo que los hace invaluables en las aplicaciones industriales.

Las sobrecorrientes o cualquier condición anormal pueden ser graves. Las consecuencias incluyen fallos en el aislamiento del conductor, daños en los equipos, incendios, daños personales, electrocución y pérdida de la propiedad. Un equipo enfrenta una sobrecarga cuando funciona por encima de su carga total o un conductor supera su ampacidad admisible. Una sobrecarga persistente puede causar una acumulación de condiciones térmicas peligrosas en los conductores y las cargas de los circuitos. Los disyuntores se usan como seguro en contra de dichas condiciones peligrosas.

Un cortocircuito describe una sobrecorriente en que la corriente supera la corriente nominal de carga total del circuito y ocurre en un periodo relativamente corto. Este tipo de fallo es una consecuencia de la desviación de la corriente de su ruta de flujo.

Los fusibles sirven de eslabón débil intencional en un circuito electrónico o eléctrico. Estos dispositivos sensibles a la corriente proporcionan protección fiable para aquellos circuitos en condiciones de sobrecorriente o sobrecarga. La corriente que fluye en un elemento fusible en condiciones normales tiene una magnitud inferior o igual a su corriente nominal. Cuando se da un fallo, la corriente que fluye por el elemento fusible escala rápidamente y abre el circuito.

Los dispositivos de protección contra sobrecorrientes de coeficiente de temperatura positivo (PTC) responden rápidamente ante un aumento en la temperatura. En condiciones normales, tiene una mínima resistencia y por ende un impacto nominal en un circuito. Un dispositivo PTC en condición de sobrecorriente pasará de su estado de baja resistencia general a su estado de alta resistencia, pero tras la sobrecorriente se restablece a su estado normal de baja resistencia.

Las sobretensiones son una razón principal para los fallos en los dispositivos eléctricos. Un transitorio describe un aumento repentino en el flujo de la potencia. Los transitorios tienen diversos orígenes, los más comunes son internos, como la conmutación de carga e incluso el funcionamiento normal de los equipos. Un dispositivo de protección contra transitorios (SPD) se cablea en paralelo al equipo que protege para que durante un transitorio de tensión reduzca la impedancia en unos pocos nanosegundos y en consecuencia se diverja la corriente de impulso.

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