Tendencias en los sistemas de E / S de automatización de procesos

Primero, algunas definiciones:

NOA - Namur Open Architecture:inventado por la Asociación de Usuarios de Tecnología de Automatización (NAMUR), esta es una forma de obtener valores adicionales y datos de gestión de activos (a veces llamados datos varados) de un instrumento mediante la instalación de un segundo canal de comunicación estándar paralelo que podría ser inalámbrico. Bluetooth, 4G / 5G, etc. y no afecta la conexión del sistema de automatización primario existente para el valor medido.

Ethernet:APL ™ - Capa física avanzada de Ethernet:fue creada por un organismo comercial de fabricantes de equipos, incluido OPC, y proporcionará Ethernet al campo, a instrumentos y sensores individuales. Aún en desarrollo, permitirá longitudes de cable largas y protección contra explosiones a través de la seguridad intrínseca con comunicación y alimentación a través de dos cables.

OPC UA - Arquitectura unificada de comunicaciones de plataforma abierta:es un protocolo de comunicación de máquina a máquina para la automatización industrial desarrollado por la Fundación OPC, un grupo de fabricantes de equipos.

MTP - Paquetes de tipo de módulo:es una metodología estandarizada en desarrollo, nuevamente de NAMUR, que proporciona un lenguaje común para describir las propiedades de los módulos de proceso independientemente del fabricante y la tecnología. Esto hace posible que cualquier sistema de automatización de nivel superior utilice MTP para controlar con precisión un Módulo / Paquete específico.

Tamaño del mercado del sistema de E / S de automatización de procesos

El tamaño general del mercado para los sistemas de E / S de proceso se estima en poco más de $ 3 mil millones, con un crecimiento de alrededor del 3.7% de CAGR. Siemens tiene aproximadamente el 14% de este sector con ABB al 10%, Honeywell al 9% y Rockwell al 8%.

Tendencias generales en los sistemas de E / S de automatización de procesos

• Descentralización:instalación distribuida de estaciones de E / S remotas en el campo en lugar de de forma centralizada en la sala de control principal

=> reducción del cableado de la planta

• Disminución de los buses de campo de la planta
• Cableado de los sensores de campo directamente a los tableros de terminales de E / S

=> eliminación de armarios de cableado cruzado

• Mayor flexibilidad con E / S universal, también conocido como E / S de enlace tardío, también conocido como e-Marshalling, también conocido como E / S configurable

=> desacoplar hardware y software de automatización, entregas del sistema más cortas (tiempo de comercialización) y cableado de campo más temprano

• Mayor implementación de sensores "inteligentes" con un mayor conjunto de datos

=> optimización de control avanzado, diagnóstico remoto y datos de gestión de activos

• El auge de las comunicaciones basadas en Ethernet en el campo

=> p. ej. PROFINET y Ethernet - APL ™

Una encuesta de LinkedIn de la comunidad de Automation produjo los siguientes resultados:

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No es de extrañar que las "estaciones de E / S remotas en campo" ganaran fácilmente en los 3 grupos, pero lo interesante es que "Tipo de E / S universal" quedó en último lugar en los grupos de ingenieros de instrumentos e ISA, que se consideran más automatización de procesos sesgada que el grupo de Automatización centrado en la automatización de fábricas. “Plant Fieldbus” también lo hizo mejor de lo esperado y ocupó el segundo lugar en todos los grupos.

Rechazo en Plant Fieldbus

Ha habido una tendencia histórica durante muchos años hacia la descentralización en el campo en lugar de volver a la sala de control principal. El ejemplo más extremo de esto fue el uso de buses de campo de planta para ahorrar en cableado de planta. Paradójicamente, ha habido una disminución en los buses de campo de la planta, mientras que la tendencia a usar estaciones de E / S remotas incluso en áreas peligrosas ha continuado.

Hubo un tiempo en que los buses de campo estaban de moda, especialmente en el sector del petróleo y el gas y la petroquímica. ¡¡Esto ha cambiado !! Como anécdota, una importante compañía petrolera explicó que hace 20 años un ingeniero tenía que justificar por qué no estaban usando Foundation Fieldbus (FF) para un nuevo proyecto, hace 10 años esto cambió a ninguna preferencia hasta ahora el ingeniero debe justificar por qué necesitan usar FF. en lugar de una solución HART convencional de 4-20 mA.

Uno de los principales beneficios percibidos del bus de campo fue el ahorro de costos y la simplificación del cableado de la planta; este ahorro se reduce en gran medida para las implementaciones en áreas peligrosas y, junto con el nivel de competencia técnica requerida para diseñar, instalar y mantener los sistemas de bus de campo, ha provocado la caída masiva a favor . Las instalaciones FF supuestamente tenían numerosos problemas de puesta a tierra y puesta a tierra. Muchos de los beneficios de diagnóstico remoto y administración de activos de los buses de campo se obtienen con señales HART convencionales sobre 4-20 mA de todos modos y, de hecho, el segundo canal paralelo propuesto por NOA proporciona esto sin afectar la conexión del sistema de automatización principal

La tecnología inalámbrica, que ofrece aún más beneficios para el cableado de la planta, está ganando popularidad y ocupando parte de la cuota de mercado de FF, pero principalmente con fines de indicación, baja velocidad de exploración y mediciones sin control. Sin embargo, con la tecnología inalámbrica no solo se deben considerar las rutas de transmisión, sino también el hecho de que si el transmisor no es autoalimentado y requiere cableado de alimentación de todos modos, ¿esto es realmente un ahorro?

¿Por qué a PROFIBUS le ha ido mejor como Fieldbus?

A PROFIBUS le ha ido mejor en parte porque está establecido en sectores industriales fuera del petróleo y el gas, se ha convertido en el estándar del sistema eléctrico para que los MCC y VSD se comuniquen y muchos proveedores lo utilizan como su bus de E / S. PROFIBUS también está evolucionando hacia PROFINET, un protocolo súper determinista con velocidades, medios y componentes de Ethernet. PROFINET es especialmente adecuado para comunicaciones de E / S remotas como las utiliza Siemens.

¿Por qué la popularidad percibida de la E / S universal?

Nuevamente, esto es contrario a la tendencia a la descentralización, de regreso a E / S universales en la sala de control principal. Pero ciertamente, esto está sucediendo, impulsado por los fabricantes de DCS con la gran cantidad de sistemas de E / S universales y configurables que se lanzaron en los últimos años. Sin embargo, es posible que las encuestas anteriores muestren que esto no es tan popular entre los ingenieros de automatización del usuario final como las compañías de DCS nos quieren hacer creer.

Las E / S universales adoptan muchas formas, algunas con módulos de E / S de 16 o 32 canales que se pueden configurar por señal, otras en las que el módulo requerido se selecciona por canal. Los beneficios son la reducción de los tiempos de entrega del sistema de automatización, la instalación temprana del cableado de campo; y manejar cambios de E / S muy tarde en el ciclo de vida del proyecto.

Pero se requieren muchos tipos de E / S:con y sin alimentación, 2 y 4 cables, simplex y redundantes, áreas seguras y peligrosas, sin SIL y SIL, protección cada vez más contra cortocircuitos y circuitos abiertos, aislamiento galvánico, etc., no todos Los sistemas de E / S universales pueden manejar todo esto todavía.

Por ejemplo, si una solución requiere barreras de seguridad intrínsecas separadas, esto derrota al objeto. Las barreras universales ahora están disponibles pero, por supuesto, son más caras que una tarjeta de E / S con barreras integradas. Además, muchos sistemas de E / S universales no proporcionan una verdadera redundancia de E / S.

Es un mito que las E / S universales ahorran espacio al eliminar los gabinetes de cableado cruzado y de clasificación; esto es más un producto de la tendencia de terminar el cableado de campo directamente en la placa de E / S (o más exactamente a una unidad de terminación fija para que el La placa de E / S se puede quitar fácilmente). De hecho, la E / S universal es considerablemente menos densa que la E / S fija en el rango de 55 - 140 E / S por m en comparación con 400 - 500 E / S por m, por lo que necesita mucho más espacio que las E / S fijas.

¿La E / S universal es más rentable?

Sin duda, un módulo de E / S fijo dedicado de alta densidad es más rentable que una solución universal que debe tener todos los tipos de E / S incorporados o seleccionados por canal. Agregue a esto el ahorro de costos para el cableado de la planta cuando se utilizan E / S dedicadas de forma remota cerca de la unidad de proceso y el espacio reducido:¡esto debe ser un ganador!

Por supuesto, un sistema que combina E / S dedicadas de alta densidad con las capacidades de enlace tardío de E / S universales también es un argumento sólido. Esto se puede lograr cuando los módulos multicanal se conectan a un backplane genérico en el último minuto sin afectar el cableado de la planta ya terminado.

Por ejemplo, la E / S ET200SP HA de Siemens puede manejar hasta 896 señales en un gabinete estándar y las unidades son modulares para que las E / S y el tipo de terminación requeridos se puedan conectar a un panel posterior universal cuando sea necesario. Agregue a esto el uso de la tarjeta configurable (16 señales AI / DI / DO seleccionables por canal) para el último 10% en caso de cambios, es quizás la panacea definitiva para la unión tardía, la rentabilidad y el espacio.

Ejemplo de gabinete de conexión directa 56 módulos de E / S, hasta 896 E / S 800 x 2000 mm (ancho x alto)

Funciones:

• Acceso por un lado, 400 mm de profundidad
• Temperatura ambiente del armario -20 .. + 40 ° C
• Alimentación de energía redundante de 120/230 V CA
• conexión directa hasta 2,5 mm²
• Comunicación PROFINET mediante cable de cobre o fibra óptica
• Hasta 56 cables de campo (20 mm de diámetro)

 1 - MCB y RCB de alimentación 
 2 - Fuente de alimentación SITOP AC / DC 8200 40A (Siemens, 6EP3334-8SB00-0AY0) 
 3 - Módulo de redundancia SITOP PSE202U (Siemens, 6EP1961-3BA21) 
 4 - Distribución de energía y fusión de cartuchos 
 5 - agregar. HW, p. Ej. SCALANCE XC206-2-SFP (Siemens, 6GK5 206-2Bs00-2AC2) 
 6 - T 200SP HA con módulo de interfaz y adaptador de bus 
 7 - Cable de repuesto y terminales M (tierra) 
 8 - Perfil para fijación y apantallamiento de cables 
 9 - conducto de cables 

¡Los contratistas de ingeniería (EPC) prefieren la E / S de enlace tardío!

Los EPC prefieren la vinculación tardía porque pueden especificar la E / S muy tarde en el ciclo de vida del proyecto. Se sabe desde hace mucho tiempo que la instrumentación se finaliza después de que se completan las tuberías, el diseño mecánico y del proceso, y cualquier cambio posterior se filtra finalmente al Sistema de Automatización.

La E / S universal no es toda la historia, por supuesto, el DCS debe poder configurarse de modo que el software aborde los puntos de E / S de forma genérica y no específicamente en el canal del módulo del bastidor. Esto permite que el software de la aplicación se desacople de la compilación del hardware y se desarrolle al principio del proyecto antes de que finalmente se defina la E / S.

Ethernet en el campo

La tendencia hacia instrumentos / sensores más inteligentes ha llevado a la iniciativa de Ethernet en el campo, primero como bus de E / S para estaciones de E / S remotas en el campo, originalmente PROFIBUS DP y luego PROFINET se usa ampliamente para esto ahora. Luego, eventualmente, a Ethernet directamente a los instrumentos / sensores individuales. Esta tendencia seguramente debilitará el argumento a favor de la E / S universal.

Una solución verdaderamente universal para conectar y producir

Un ejemplo de una solución verdaderamente universal para conectar y producir es la unidad de campo compacta (CFU) de Siemens que utiliza PROFINET (que pronto será Ethernet - versiones APL ™) para distribuir la unidad de forma remota cerca del proceso y luego se pueden conectar hasta 8 instrumentos PROFIBUS PA. conectado y reconocido automáticamente en cualquier puerto. Esto proporciona flexibilidad, simplificación y ahorros masivos en cableado de planta y cajas de conexiones, etc. Esta unidad encaja bien con Ethernet en la tendencia de campo y podría producir un renacimiento para los instrumentos Profibus PA.

De instrumentos a paquetes a MTP

La tendencia hacia instrumentos más inteligentes podría verse como instrumentos cada vez más cercanos a paquetes o módulos, por derecho propio. De hecho, NOA y MTP, ambos desarrollados por NAMUR, son soluciones complementarias. MTP es más importante para instalaciones de campo verde, mientras que NOA se destaca para los sitios existentes de campo marrón. Cuando NOA se usa para aplicaciones de campo verde, idealmente usaría OPC UA para la comunicación.

La automatización modular MTP y la arquitectura abierta NOA NAMUR son complementarias

Conclusiones

1. Existe una tendencia histórica hacia la descentralización de las estaciones de E / S, sin embargo, la disminución de los buses de campo y el aumento de las E / S universales están contrarrestando esta tendencia. Mientras que el crecimiento continuo de E / S remotas y la iniciativa de Ethernet en el campo demuestran que esta tendencia de descentralización sigue siendo válida.
2. Los buses de campo, especialmente Foundation Fieldbus, están disminuyendo debido a la competencia técnica y las instalaciones con problemas históricos.
3. PROFIBUS sigue siendo popular porque se utiliza fuera del petróleo y el gas, se ha convertido en un estándar de facto para las comunicaciones en sistemas eléctricos y muchos proveedores utilizan PROFIBUS DP y ahora PROFINET como bus de E / S.
4. Los EPC favorecen las soluciones de E / S de enlace tardío porque pueden definir las E / S en el último minuto del ciclo de vida del proyecto, se reducen las entregas del sistema de automatización y el cableado de la planta se puede instalar y terminar antes.
5. Las soluciones de E / S dedicadas de alta densidad pueden ser más rentables y eficientes en espacio, especialmente cuando se utilizan de forma remota para ahorrar en el cableado de la planta. Los sistemas de E / S fijos dedicados tienen una densidad tan alta como alrededor de 470 E / S por m, mientras que las E / S universales pueden ser tan bajas como alrededor de 55 E / S por m.
6. En la práctica, es probable que los sistemas fijos de E / S remotas de alta densidad, E / S universales, NOA y Ethernet - APL ™ coexistan durante algún tiempo y se conviertan en los preferidos en ciertas áreas. Pero, ¿prevalecerá alguna estrategia? Solo el tiempo lo dirá:¡quédate para dar un paseo interesante!