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Revista
ABB
Revista técnica
del Grupo ABB
www.abb.com/abbreview
2 / 2006
Pioneering
Tecnologías
spirits
de sistemas
integrados
Soluciones de aplicación enlatadas
A revolution
in high integrados
dc current
Tendencias
de los sistemas
página 9
measurement
page 6
Team-mates:
MultiMove
functionality
heralds
Redes
de sensores
inalámbricos
página 39
a new era in robot applications
page 26
2004
El canto Best
de lasinnovations
líneas eléctricas
page 43
página
50
a
Las latas están bien establecidas
como envase para el transporte y
almacenamiento de muchos productos. Uno de los factores más importantes de este éxito es la simplicidad.
Si es necesaria una herramienta de
apertura, se trata simplemente del
modesto abrelatas, de uso universal.
El mundo de los ordenadores ha sido
durante mucho tiempo la antítesis de
todo esto. Incluso las tareas más
simples necesitaban del concurso de
un especialista. No así para los sistemas integrados. En ellos, el ordenador
es parte del dispositivo y reacciona
directamente a los acontecimientos
relevantes. En el caso extremo, nadie
se da cuenta de que está ahí, hasta
que se echa una mirada en el interior.
Editorial
Tecnologías de sistemas integrados
‘Embedded, Everywhere’, dispositivos integrados por doquier,
es el título de una agenda de investigación publicada en 2001
por la Academia Nacional de Ciencias de EE UU. En ella se
destacaba la importancia de la investigación de los ordenadores integrados para la comunidad científica. Hoy, cinco años
después, los dispositivos inteligentes integrados están muy
extendidos y se estima que su número ya supera al de habitantes del planeta. Se calcula que en 2010 habrá al menos tres
ordenadores integrados por habitante, el equivalente a 16.000
millones de máquinas, que serán 40.000 millones en 2020. La
Unión Europea está formulando actualmente una importante
iniciativa de investigación sobre la próxima generación de tecnologías de dispositivos integrados, que se concentrará en la
interacción entre redes integradas. ARTEMIS1), así se llama el
programa, une industrias e instituciones universitarias para
dirigir los trabajos de desarrollo, que estarán financiados por
los estados miembro y por la UE. Asia también es consciente
de la importancia de las tecnologías integradas para el crecimiento económico y la prosperidad del futuro. Ya existen programas subvencionados estatalmente en Japón, Corea y China,
cada uno de ellos con sus características y prioridades propias.
Estos programas, de carácter nacional e internacional, promueven el uso de dispositivos integrados en multitud de aplicaciones de todos los sectores industriales, en grandes infraestructuras, en los campos de la salud y el entretenimiento, y en
redes fijas y móviles.
¿En qué consiste esta tecnología, cómo la utilizamos en
ABB? ¿Con qué retos nos enfrentamos? ¿Adónde nos lleva
esta tecnología? Este número de Revista ABB está centrado
en estas cuestiones y encuentra respuestas para casi todos
los campos de Investigación y Desarrollo de ABB.
Los ordenadores integrados existen desde hace ya varias
décadas. Sus tareas han estado limitadas principalmente a
aplicaciones autónomas y a pequeñas redes con interacción limitada con el usuario. El término “integrado” hace
referencia a la naturaleza de estas tareas, que están relacionadas sobre todo con funciones subordinadas específicas
que escapan a la apreciación humana (mientras las tareas
se realicen correctamente). Por ejemplo, un automóvil
actual incluye más de 20 ordenadores integrados que se
ocupan de los sistemas de frenos, confort, control del motor, etc. La próxima fase prevista para estos dispositivos
integrados es su incorporación completa, como sistemas
inteligentes y de comunicación de redes basadas en sensores, capaces no sólo de intercambiar información entre
ellos mismos, sino también con redes diferentes. El crecimiento exponencial en complejidad, comparado con nues-
tro nivel actual de capacidad, crea un vacío tecnológico
para el que hemos de encontrar puentes de unión. De
aquí la importancia de iniciativas como la europea ARTEMIS y de sus programas análogos en EE UU y Asia.
Dos autores participan como invitados en este número de
Revista ABB, presentando a nuestros lectores las tecnologías
integradas. El Doctor Kostas Glinos, de la Comisión Europea,
describe en el primer artículo la importancia que la UE concede a esta tecnología y presenta con cierto detalle la iniciativa ARTEMIS. En el segundo artículo principal, el Doctor
Richard Zurawski, presidente del Grupo ISA de Santa Clara
(California), examina con más detalle el estado de las tecnologías integradas de hardware y software y se plantea adónde nos llevan las tendencias actuales. Un análisis del uso de
los sistemas integrados en la cartera de productos propia de
ABB completa la sección general.
A continuación se describen varias aplicaciones de los sistemas integrados. Esta serie de artículos cubre una gran variedad de productos que, gracias a la incorporación de tecnologías integradas ya en las primeras fases de diseño, ofrecen importantes ventajas al cliente.
La siguiente sección está dedicada a las diversas capacidades
de comunicación de los dispositivos integrados. Comunicación
inalámbrica y Ethernet industrial, buses de campo y ondas
portadoras sobre líneas de energía son sólo algunos ejemplos
que ponen de relieve cómo ABB puede soportar el intercambio de información en diferentes niveles y sobre diferentes
medios. Las dos últimas secciones de este número de Revista
ABB describen implementaciones de software y hardware.
Las tecnologías necesarias para ofrecer a nuestros clientes
las ventajas propias de un rendimiento mayor tienen una
amplitud considerable. Mantener actualizados los conocimientos en campos tan cambiantes y distantes entre sí
como son las aplicaciones de baja potencia para la generación y verificación de software, el proceso avanzado de
señales y las tecnologías FPGA es un gran reto para nuestros equipos de Investigación y Desarrollo de todo el mundo. Pero no cabe duda de que estos retos de investigación
son la mejor motivación para nuestros investigadores.
Espero que disfrute usted de la lectura de este número.
Peter Terwiesch
Chief Technology Officer
ABB Ltd.
Nota
1)
El nombre ARTEMIS está formado con las iniciales de Advanced Research &
Technology for EMbedded Intelligence and Systems.
Revista ABB 2/2006
3
Índice
Revista ABB 2/2006
Tecnologías de sistemas integrados
Tecnologías de sistemas integrados
6
El reto de los sistemas integrados
Gestión de la revolución de las tecnologías de digitales
integradas, uno de los sectores TI con mayor crecimiento
9
Tendencias de los sistemas integrados
Oportunidades y desafíos de System-on-Chip y de las
tecnologías de sistemas integrados en red para la automatización industrial
30
Los sistemas integrados amplían la
automatización
El sistema 800XA incorpora numerosos dispositivos
integrados.
35
Control de accionamientos
Nuevo sistema de gestión de la vida útil para tomar el
pulso al sistema
14
Tecnología de sistemas integrados en ABB
39
Redes de sensores sin hilos
Desafíos actuales y futuros. Más rendimiento y funcionalidad con tamaños menores y menos costes, nuevos
retos para los desarrolladores.
Introducción de las redes de sensores sin hilos en la
automatización industrial
18
Protección integrada de energía
Mejora de las aplicaciones integradas en la automatización de sistemas de energía para la protección de
muchas nuevas aplicaciones especiales
43
Ethernet de alto rendimiento
ABB amplía su gama de dispositivos compatibles con
Ethernet para mejorar la comunicación.
46
Buses de campo para accionamientos
23
Los motores del cambio
Los buses de campo avanzados mejoran la conectividad.
Por qué el controlador DTC de ABB se ha convertido
prácticamente en la solución ideal.
48
Medicina de motores
Chequeo para aumentar la productividad de los motores
26
Laminación y control
¿Qué tienen en común un tren ligero y un laminador?
Los dos utilizan el sistema AC800 PEC de control rápido
y flexible.
4
50
El canto de las líneas eléctricas
Refuerzo de las comunicaciones. ETL600 de
ABB transmite informaciones por las líneas eléctricas.
Revista ABB 2/2006
www.abb.com/abbreview
14
54
Ideas brillantes
El desarrollo de productos de ABB Distribution
Automation se beneficia de la cooperación internacional.
58
Robótica do-it-yourself
39
FlexPendant, el kit de desarrollo de software, pone sobre
la mesa un sistema de programación fácil de robots.
62
Patrones de diseño
Cómo creó ABB el controlador AC800 PEC.
66
Energía inalámbrica en productos sin cables
Menos cambios de dirección, más flexibilidad. La alimentación sin cables de los dispositivos en puntos de
difícil acceso reduce los costes de instalación y abre
nuevas posibilidades para los dispositivos electrónicos
distribuidos.
46
70
Hacia la mayoría de edad
FPGA llena el hueco entre hardware y software.
75
Procesamiento de señales en sistemas
integrados
Los nuevos algoritnmos para la instrumentación de
dispositivos aumentan el rendimiento y amplían la funcionalidad.
58
Revista ABB 2/2006
5
Courtesy Airbus
El reto de los
sistemas integrados
Kostas Glinos
¿Qué tienen en común un teléfono
móvil, un robot industrial, un cable de
módem, un reproductor MP3 y un
automóvil? Todos estos productos
utilizan sistemas integrados. De hecho, las tecnologías integradas constituyen uno de los sectores TI de más
rápido crecimiento hoy en día. Sin embargo, los fabricantes están sometidos
a una presión cada día mayor para
sacar al mercado productos innovadores cada vez más rápidamente y a precios cada vez más bajos y esto significa que garantizar la calidad del producto reduciendo al mismo tiempo el
coste, el tiempo de desarrollo y la
complejidad del sistema se ha convertido en todo un reto.
Europa está considerada como líder
mundial en tecnologías integradas
para los sectores aerospacial, de
automoción, industrial, de comunicación y de electrónica de consumo. Sin
embargo, esta posición de vanguardia
está amenazada por la competencia
global, la fragmentación y la falta de
coordinación en estos sectores industriales. Mantenerse a la vanguardia de
la tecnología de sistemas integrados
requerirá una inversión importante,
con objetivos claros, en investigación
y desarrollo.
Para afrontar estas cuestiones, la
Comisión Europea ha facilitado el
desarrollo de una iniciativa llamada
ARTEMIS. ARTEMIS es una amplia
alianza de actores de la industria y la
investigación en el campo de las tecnologías de sistemas integrados. La
asociación ARTEMIS agrupa numerosos sectores industriales muy fuertes
en Europa, entre ellos la automoción,
el sector aerospacial, la electrónica
de consumo, las comunicaciones, la
medicina y la fabricación.
E
tros negocios en un mercado globalizado y muy competitivo. Los ordenadores se han convertido en herramientas cotidianas integradas en todo tipo
de actividades sociales y comerciales.
Más destacable, aunque menos llamativa, es la revolución de la tecnología digital integrada, que se encuentra en todo tipo de equipos y sistemas y está
destinada a ampliar la funcionalidad y
mejorar el funcionamiento con bajos
costes. De hecho, casi todos los aparatos técnicos tienen ordenadores integrados: desde los simples electrodomésticos de uso general hasta las instalaciones, inclusive el control de las mismas,
como calefacción, aire acondicionado,
ascensores y escaleras mecánicas, y en
las unidades de fabricación, desde la
robótica hasta los sistemas de automatización y control de la producción. También se utilizan ampliamente en medicina, especialmente en equipos médicos
de diagnóstico y en los dispositivos inteligentes, cada vez más numerosos,
que se implantan en el cuerpo humano.
El sector del transporte también ha sido
testigo de la rápida proliferación de los
sistemas integrados en automóviles, camiones, trenes o aviones.
Las cifras son asombrosas: se estima
que más del 90 por ciento de todos
n menos de cuatro décadas, la tecnología de la información digital
ha revolucionado por completo nuestro mundo. Los equipos han evolucionado desde los primitivos mainframes,
que operan fundamentalmente como
ordenadores principales en centros de
cálculo, hasta los sistemas interconectados de ordenadores de sobremesa y
portátiles que utilizamos actualmente.
Esta amplia infraestructura digital influye profundamente en nuestros negocios y en nuestra vida familiar de
cada día: nos permite estar en contacto con amigos y parientes en todo el
mundo y nos ayuda a desarrollar nues6
Revista ABB 2/2006
El reto de los sistemas integrados
Tecnologías de sistemas integrados
ARTEMIS, Iniciativa europea para sistemas
integrados.
los equipos informáticos se encuentran
en sistemas integrados y no en sistemas de sobremesa. En términos de
valor de mercado, por ejemplo, sólo el
sector automovilístico representa cerca
del 5 por ciento del mercado mundial
de semiconductores (unos 200.000
millones de euros en 2005).
Más impresionante aún es la forma en
que los sistemas integrados aumentan
el valor de muchos productos. Por
ejemplo, los sistemas integrados representan actualmente el 20 por ciento del valor total de un automóvil medio y en 2009 este valor ascenderá
previsiblemente al 36 por ciento. Ese
mismo año, la electrónica y el software integrados constituirán el 22 por
ciento del valor de los sistemas de automatización industrial, el 41 por ciento de la electrónica de consumo y el
33 por ciento de los equipos médicos.
El índice de crecimiento supera actualmente el 10 por ciento anual en
todos los sectores de aplicación y se
espera que en 2020 habrá más de
40.000 millones de chips integrados
en todo el mundo.
Gracias a los grandes avances logrados
por la tecnología de semiconductores,
impulsada por la demanda de los clientes, que exigen productos y servicios
innovadores con más funciones y a precios más bajos, los sistemas integrados
han evolucionado desde los simples
ordenadores autónomos de los años
ochenta y primeros noventa del pasado
siglo, con un solo procesador, hasta los
refinados sistemas multiprocesadores
de hoy. Pero este desarrollo también
tiene una cara negativa: la creciente
complejidad de los sistemas, cada día
más difíciles de diseñar, ensayar y veriRevista ABB 2/2006
ficar. A medida que aumenta el grado
de interconexión de los sistemas, éstos
se hacen también más vulnerables. La
interoperabilidad real se ve obstaculizada por la falta de estándares abiertos
comunes y programas estándar personalizados (middleware). Aunque muchos de estos desarrollos siguen perteneciendo a sectores concretos, entre dichos sectores existen grandes sinergias
que es necesario aprovechar. Además,
no abundan los ingenieros expertos en,
por ejemplo, arquitectura de sistemas.
Estos problemas han de ser resueltos.
De otro lado, se espera que para 20091)
la inversión de la industria europea en
sistemas I+D integrados superará los
22.000 millones de euros anuales, casi
el doble de lo invertido en 2003.
Considerando los retos industriales y de
investigación mencionados y dada la importancia de la tecnología de sistemas
integrados para sectores industriales
fundamentales (desde la automatización
industrial y los equipos médicos hasta la
automoción y la aviónica), la Comisión
Europea ha dedicado una parte específica de su programa IST (Information Society Technologies) a la investigación de
sistemas integrados. Sólo en los tres últimos años ha invertido 140 millones de
euros en proyectos de colaboración entre la industria, la universidad y los centros de investigación. Estos proyectos se
centran en gran medida en el diseño de
sistemas, los sistemas críticos para la seguridad, la computación integrada, las
plataformas middleware, las redes de
sensores inalámbricos y los sistemas de
control distribuido e híbrido. Los sistemas integrados también constituyen uno
de los seis ‘pilares’ de investigación ICT
según las propuestas de la Comisión
Europea para el 7o Programa Marco que
debe iniciarse en 2007.
En 2004 se creó la Plataforma Tecnológica ARTEMIS (Advanced Research and
Technology for EMbedded Intelligence
and Systems). ARTEMIS es una iniciativa de la industria que tiene por objeto
reforzar la posición de la UE como destacado actor global en el diseño, integración y suministro de sistemas integrados2). Su manifiesto, titulado ‘Building ARTEMIS’, fue firmado por 20 eje-
cutivos de varias compañías de la UE y
su objetivo es establecer e implementar
una estrategia europea, coherente y
completa para sistemas integrados, que
cubra, entre otros aspectos, las prioridades de investigación y desarrollo, las
infraestructuras de investigación necesarias y la política de estandarización,
además de los historiales de estudios.
Esta estrategia ha sido publicada recientemente como la ‘Agenda de Investigación Estratégica’ de ARTEMIS.
La fuerza que impulsa la iniciativa
ARTEMIS es la visión de una sociedad
donde todos los sistemas, máquinas y
objetos se han convertido en recursos
digitales, de comunicación y autogestionados. Estas transformaciones son posibles gracias a los avances de la tecnología de sistemas integrados y a su despliegue en gran escala, no sólo en la industria y los servicios, sino en todas los
campos de actividad humana. Este deCentro musical, por cortesía de Nokia
Cockpit del A380, por cortesía de Airbus
Notas
1)
Estudio FAST sobre ‘Tendencias mundiales y programas I+D en sistemas integrados, con vistas a
maximizar el impacto de una plataforma tecnológica en este campo’
2)
http://www.cordis.lu/ist/artemis/index.html
7
El reto de los sistemas integrados
Tecnologías de sistemas integrados
Automóvil, por cortesía de Daimler Chrysler
Sala de estar, por cortesía de Philips
Componentes integrados
sarrollo tendrá importantes consecuencias para la sociedad y la economía:
La vida en nuestra sociedad –y su
estabilidad y seguridad– dependerá
cada vez más de sistemas integrados.
La competitividad de la industria
europea en casi todos los sectores
dependerá de la capacidad de innovación en el campo de los sistemas
integrados.
Dada la importancia, cada día mayor, de los sistemas integrados para
el crecimiento de la productividad,
estas tecnologías serán vitales para
corregir el actual desequilibrio de
dicho crecimiento entre Europa,
Estados Unidos y Asia.
pero no suficiente. ARTEMIS facilitará
y estimulará el éxito europeo en sistemas integrados, estableciendo un entorno de ayuda a la innovación que
posibilite intensificar la cooperación y
la competencia en el desarrollo tecnológico. También estimulará proactivamente la emergencia de una nueva industria de suministro de nuevos componentes, herramientas y metodologías de diseño que apoyen a los sistemas integrados y se centrará en la I+D
para conseguir un uso más efectivo de
los recursos, evitando la fragmentación y facilitando el despliegue de las
soluciones.
Aunque los sistemas integrados personalizados añaden un gran valor en beneficio de los clientes y los proyectos,
y los productos individuales pueden
llegara a ser muy rentables, los mercados están muy divididos. Tradicionalmente, esto ha conducido a la fragmentación de la industria de suministros y de las inversiones en I+D. La
estrategia ARTEMIS ha sido concebida
para evitar esta fragmentación e incrementar la eficiencia del desarrollo tecnológico y, al mismo tiempo, facilitar
el establecimiento de un mercado competitivo de suministro de tecnologías.
La concepción, el diseño y el desplie-
gue de sistemas personalizados añadirán aún más valor a la mayoría de
productos y servicios en la futura sociedad de la información. Europa ha
sido muy fuerte en este campo durante las últimas décadas, con excelentes
resultados especialmente en los campos de la telefonía móvil, de los sistemas hechos a medida para los sectores
del transporte y aerospacial y de la ingeniería industrial. ARTEMIS tiene por
objeto obtener máximos beneficios del
potencial europeo, aunque siendo
consciente del potencial de los competidores globales. La iniciativa ARTEMIS eliminará barreras entre los sectores de aplicación, estimulando así la
creatividad y produciendo resultados
reutilizables en múltiples dominios.
Estoy profundamente convencido de
que la creación de un entorno que favorezca y apoye la innovación en sistemas integrados, concentrando nuestros
recursos de I+D en objetivos comunes,
ambiciosos, no sólo nos permitirá conseguir el máximo en términos de competitividad industrial, sino también mejorar la calidad de vida y la seguridad
de los ciudadanos. El éxito de esta iniciativa sólo será posible si todas las
partes implicadas –del sector público o
privado, de la industria o del mundo
universitario– colaboran estrechamente
comprometidos a favor de los objetivos
comunes. Los grandes progresos del
último año en esta dirección me han
convencido de que se cumplirán estas
condiciones y que este esfuerzo colectivo será un éxito.
Mantener una posición de vanguardia
en la tecnología de sistemas integrados requerirá importantes inversiones
en I+D, centradas en prioridades conjuntas específicas. Abordar los retos
de I+D es una condición necesaria,
Robot industrial, por cortesía de ABB
Kostas Glinos
Kostas Glinos trabaja en la Comisión Europea desde 1992. Actualmente dirige la unidad de Sistemas
Integrados del programa IST. Antes
de entrar a formar parte de la Comisión trabajó en diversas compañías multinacionales e institutos de
investigación de Estados Unidos,
Grecia y Bélgica. Es doctor en
Ingeniería Química y posee un
master en Gestión Financiera.
Kostas Glinos
Comisión Europea
Los puntos de vista expresados son los propios del
autor y no representan necesariamente el punto de
vista oficial de la Comisión Europea sobre este tema.
8
Revista ABB 2/2006
Tendencias de los
sistemas integrados
Oportunidades y retos de la tecnología de sistemas en chips y de sistemas
integrados interconectados en la automatización industrial
Grant Martin, Richard Zurawski
Courtesy Philips
Los avances de la tecnología de procesos y la disponibilidad de nuevas herramientas de diseño están ampliando el campo de aplicación de los sistemas
integrados, que se implementan como conjunto de chips en una placa o como
conjunto de módulos en un circuito integrado. La tecnología de sistemas en
chips (SoC, System-on-Chip) se está extendiendo actualmente en la automatización industrial para crear complejos dispositivos inteligentes de campo. Esta
tendencia va acompañada de la adopción de diseños basados en plataformas, lo
que facilita el diseño y la verificación de sistemas complejos SoC con una amplia
reutilización del hardware y software IP (Propiedad Intelectual). Otro importante
aspecto de la evolución de los sistemas integrados es la tendencia a interconectar nodos integrados aplicando tecnologías de redes especializadas, conocidas
frecuentemente como sistemas integrados interconectados (NES, Networked
Embedded Systems).
Revista ABB 2/2006
9
Tendencias de los sistemas integrados
Tecnologías de sistemas integrados
L
a tecnología SoC (System-on-Chip),
una revolución del diseño de circuitos integrados (CI), ha sido posible gracias a los avances de la tecnología de
procesos, que permiten integrar los
principales componentes y subsistemas
de un producto electrónico en un solo
chip o juego integrado de chips [1]. Este desarrollo ha sido muy bien acogido
por los diseñadores de chips complejos, ya que permite la máxima integración posible para obtener más rendimiento con menor consumo de energía
y ofrece otras ventajas de coste y tamaño. Estos factores son muy importantes
para el diseño y la utilización de SoC
es, con gran probabilidad, una de las
principales decisiones del desarrollo de
sistemas integrados en tiempo real.
Un procesador SoC es un circuito integrado complejo, o juego integrado de
chips, que combina los principales elementos o subsistemas funcionales de un
producto completo. Los diseños SoC
más exigentes incluyen al menos un
1
procesador programable y a menudo
una combinación de un procesador de
control RISC y un DSP de procesado de
señales digitales. También incluyen estructuras de comunicaciones sobre
chips: bus o buses de procesadores y de
periféricos y, en ocasiones, un bus de
sistema de alta velocidad. Para los procesadores SoC es muy importante que el
chip tenga unidades de memoria jerarquizadas y enlaces con memorias externas. Para la mayoría de las aplicaciones
de proceso de señales se proporciona
por medio de hardware cierto grado de
unidad funcional de aceleración, que
consigue más rendimiento y menos consumo de energía. Para la interconexión
con el exterior, el diseño de SoC incluye
varios bloques de proceso de periféricos
compuestos por componentes analógicos e interfaces digitales (por ejemplo,
para buses de sistema en el nivel de tarjeta o panel posterior). La futura tecnología SoC puede incorporar sensores y
actuadores basados en sistemas micro-
Dispositivo SoC típico para aplicaciones de consumo
Acceso a memoria externa
Flash
RAM
ICache
DCache
DMA
Bus de
sistema
Microprocesador
RAM
Flash
DCache
ICache
DSP
Bus periférico
PLL
Test
Descodificatión MPEG
PCI
Video I/F
USB
Audio CODEC
Disk
Controller
100 base-T
10
Puente de
bus
electro-mecánicos, o procesamiento químico (laboratorio en un chip) 1 .
Entre los diseños SoC más interesantes,
que comprenden hardware y software,
están los procesadores programables,
los sistemas operativos en tiempo real y
otros elementos de software dependientes del hardware. Así pues, el diseño y
uso de SoC implica, además del hardware, diseño e ingeniería en el nivel de
sistemas, compromisos de hardwaresoftware y particiones, así como arquitectura, diseño e implementación de
software.
Sistemas en chips programables
Recientemente se ha ampliado el campo
de aplicación de SoC. Además de circuitos integrados personalizados (custom
IC), circuitos integrados de aplicación
específica (ASIC) o componentes estándar de aplicación específica (ASSP), el
nuevo planteamiento incluye ahora el
diseño y uso de partes lógicas reconfigurables y complejas con procesadores
integrados. En algunos casos se incorporan, además, otros bloques de elementos con propiedad intelectual, disponibles en el mercado, como procesadores,
memorias o funciones especiales para
aplicaciones, que se adquieren a terceros.
Xilinx (Virtex-II PRO Platform FPGA,
Virtex-IV) y Altera (SOPC) son algunas
empresas que ofrecen estas matrices
FPGA de puertas programables por el
usuario. Esta tendencia hacia la tecnología SoC combina gran número de circuitos lógicos reconfigurables con procesadores RISC (reduced instruction set
computing) integrados, para aplicar a un
diseño combinaciones flexibles y adaptables de proceso de hardware y software. Los algoritmos con gran contenido de lógica de control y gran flujo de
datos de proceso pueden dividirse en el
procesador RISC de control, cuya lógica
reconfigurable acelera el hardware. La
combinación resultante no maximiza el
rendimiento ni minimiza el consumo de
energía ni los costes, en comparación
con custom IC o ASIC/ASSP para las
mismas funciones, pero a cambio es
muy flexible para modificar el diseño en
el campo y evita los grandes costes de
ingeniería que provocan los cambios en
el campo. Por tanto las nuevas aplicaciones e interfaces y los algoritmos mejorados pueden ser transferidos a productos que ya están en funcionamiento
real.
Revista ABB 2/2006
Tendencias de los sistemas integrados
Tecnologías de sistemas integrados
Otras soluciones, como las estructuras
lógicas del tipo matrices de puertas de
metal programables, junto con subsistemas de procesadores residentes y otros
núcleos –como los ofrecidos por “ASIC
Estructurados” de LSI Logic (RapidChip)
y NEC (Instant Silicon Solutions Platform)– son formas de SoC intermedias
entre el proceso “full mask” y las matrices de puertas programables por el
usuario. Este caso tiene dos inconvenientes específicos: lentitud de la creación de diseños (de un día a varias semanas); más trabajo de ingeniería no recurrente que en FPGA (pero mucho menos que un juego completo de máscaras); menos costes, más rendimiento y
menos consumo de energía que FPGA
(del orden del 15–30% peor que con
ASIC). Actualmente hay otros planteamientos mixtos de interés, como el caso
de ASIC/ASSP con una región FPGA en
un chip, para dar más opciones a los
equipos de diseño. Otra variante es la
combinación de un procesador configurable implementado en parte y permanentemente en silicio, junto con una región FPGA que se utiliza para la extensión de instrucciones y otras implementaciones de hardware de campo. La
compañía de semiconductores Stretch
inc, por ejemplo, utiliza el procesador
configurable Tensilica en este tipo de
plataforma SoC 1 .
Revista ABB 2/2006
2
Procesador LX de Tensilica
Caracterización base ISA
Opcional y configurable
Funciones configurables
Función opcional
Caracterización por el diseñador (TIE)
Controles de procesador
Instrucción Fetch/descodificación
Seguimiento/JTAG/OCD
Colas
definidas
por el
usuario/
puertos
hasta
1 M pins
Unidades de ejecución definidas por el
usuario, archivos e interfaces de registro
Preparación de la ejecución definida
paralelamente por el diseñador
FLIX, „N“ ancho
Unidades de ejecución definidas por el
usuario, archivos e interfaces de registro
Otros productos para este campo son
los núcleos de proceso e interfaces formados por bloques de multiplicación y
acumulación (MAC, Multiply–ACcumulate), destinados al procesado de imágenes y de señales de flujo de datos DSP,
y las interfaces serie de alta velocidad
para la comunicación por cable, entre
ellos los bloques serializadores/de-serializadores SERDES. Los SoC de integración de sistemas en chip programable
no son específicos de una aplicación,
pero tampoco completamente genéricos.
Queda por ver si los SoC tendrán éxito en aplicaciones de consumo de
gran volumen o quedarán limitados a
dos campos principales: la rápida
creación de prototipos de diseños que
serán reorientados hacia implementaciones ASIC o ASSP y los elementos
de gama superior, relativamente caros,
de infraestructura de comunicaciones,
que requieren flexibilidad in situ y para los cuales se pueden aceptar mayores costes y más consumo de energía
junto con un rendimiento menor.
Carga/memoria Unidad #2
Preparación
de ejecución
base ISA
Archivo
de registro
Interruptores, puntos de
inflexión, temporizadores
Memorias de
instrucción local
Base ALU
Unidad de
ejecución
opcional
Unidad de
ejecución definida
por el usuario
Interfaz de bus
externo
Interfaz de
procesador
(PIF) hacia
el bus del
sistema
Memorias de
instrucción local
Máquina Vectra LX
DSP
Carga de datos/
unidad de
memoria
Plataformas y plataformas
programables
Durante los últimos años el diseño se ha
concentrado en los SoC complejos y en
la reutilización de componentes virtuales, el llamado “diseño basado en plataforma” [1, 2], una metodología de diseño planificado que reduce el tiempo y
el trabajo requeridos –además de los
riesgos inherentes– al diseñar y verificar
un SoC complejo. Para ellos se reutilizan
ampliamente combinaciones de hardware [3] y software [4] con propiedad intelectual. A diferencia de la reutilización
de IP bloque por bloque, el diseño basado en plataforma ensambla grupos de
componentes para constituir una arquitectura de plataforma reutilizable, la
cual, a su vez se combina con librerías
de componentes virtuales de hardware y
software ya verificados y caracterizados,
para aplicaciones específicas, formando
una plataforma de integración SoC.
Varias razones explican la creciente popularidad del diseño con base en plataformas: diseño más productivo, menos
riesgos, más facilidad de uso de componentes virtuales ya integrados, provenientes de otros campos de diseño, y
reutilización de arquitecturas SoC creadas por expertos. Entre las plataformas
industriales están las aplicaciones com-
Interfaz de memoria
local Xtensa
pletas para productos específicos como
Philips Nexperia y TI OMAP [5], las
SOPC reconfigurables y las basadas en
procesadores. Las plataformas basadas
en procesadores, como ARM PrimeXsys,
utilizada por numerosos procesadores
Tensilica extendidos y configurados, se
concentran en el procesador, en la
arquitectura de bus requerida y en los
periféricos básicos, así como en los
sistemas operativos en tiempo real y en
los programas básicos de control.
FPGA y los dispositivos SOPC constituyen una “metaplataforma”, es decir, una
plataforma para crear plataformas. Estos
dispositivos contienen capacidades básicas más genéricas y procesadores integrados IP, buses sobre chips, bloques IP
especiales como MACs y SERDES y otros
bloques IP ya cualificados. Los diseñadores pueden encargar estos dispositivos a empresas como Xilinx y Altera y a
continuación personalizar la metaplataforma con librerías IP de dominios específicos de la aplicación, antes de entregarla a los equipos de diseños derivados.
Sistemas integrados interconectados
Otro importante aspecto de esta evolución son los sistemas integrados distribuidos, llamados sistemas integrados in11
Tendencias de los sistemas integrados
Tecnologías de sistemas integrados
terconectados para resaltar la infraestructura de interconexión y el protocolo
de comunicación. Un sistema integrado
interconectado es un conjunto de nodos
integrados, distribuidos espacial y funcionalmente, interconectados por una
infraestructura de comunicación cableada y/o inalámbrica y de protocolos, que
interaccionan entre sí y con el entorno
por medio de sensores y actuadores. El
sistema también puede comprender un
nodo maestro que coordina la computación y la comunicación para conseguir
objetivos específicos.
Los controladores integrados en nodos
o dispositivos de campo, como sensores
y actuadores, se encargan de la conversión de señales, del proceso de datos
y señales y de la comunicación sobre
chips. La funcionalidad y las capacidades de proceso y comunicación de los
controladores, cada día mayores, han reforzado la extendida tendencia a interconectar dispositivos de campo en torno
a redes especializadas, frecuentemente
llamadas redes de áreas de campo, que
normalmente son un enlace de comunicación digital multipunto y bidireccional
[6]. En general, el uso de redes especializadas (de áreas de campo) es ventajoso: la combinación de hardware y software integrados es más flexible, el sistema ofrece mejores prestaciones y se
simplifican la instalación, actualización y
mantenimiento del sistema.
Los sistemas integrados interconectados
están presentes en numerosas aplicaciones (automoción, trenes y aviones, edificios de oficinas y aplicaciones industriales) y están dedicados principalmente a
3
la supervisión y el control. Algunos
ejemplos representativos son las redes
que conectan dispositivos de campo,
como los sensores y actuadores con
controladores de campo, concretamente
los controladores PLC para automatización industrial o las unidades de control
electrónico (ECU) para la automoción.
También se utilizan en interfaces hombre-máquina, por ejemplo, en visualizadores del salpicadero de automóviles y
en el sistema SCADA (control de supervision y adquisición de datos) para automatización industrial. Las tecnologías
de redes especializadas son tan diversas
como los campos de aplicación. Por
ejemplo: PROFIBUS, PROFInet o EtherNet/IP (ambas con comunicación en
tiempo real) para el control y automatización industrial; LonWorks, BACnet, y
EIB/KNX para la automatización y control de edificios; CAN, TTP/C y FlexRay
para la automoción; y Train Communication Network (TCN) para la automatización de trenes. La diversidad de requisitos de las aplicaciones (tiempo real
flexible/riguroso, seguridad crítica, topología de red, etc.) exige gran variedad
de soluciones y el uso de protocolos basados en diversos principios de operación. El resultado de ello ha sido una
plétora de redes para numerosas aplicaciones específicas [6] 3 .
Dados los requisitos de comunicación
de las aplicaciones, las redes de áreas
de campo –a diferencia de las redes
LAN– suelen tener bajas velocidades de
transferencia de datos, manejan paquetes pequeños de datos y generalmente
han de operar en tiempo real, lo que
Típica arquitectura de red de área de campo en la automatización industrial
Control
network
controller
Field area
network
(Fieldbus)
I/O modules
switchgear
drives
puede hacer necesaria la transferencia
de datos determinista o de tiempo limitado. No obstante, en las redes de campo ya son comunes velocidades de
transferencia de datos superiores a 10
Mbit/s, como en las redes LAN. Las redes de áreas de campo para automatización industrial (a diferencia de la automatización y control de edificios) no tienen gran necesidad de funciones de encaminamiento o de control de extremo
a extremo. En consecuencia, en estas
redes sólo se utilizan las capas 11 (capa
física), 2 (capa de enlace de datos, inclusive implícitamente la capa de control de acceso al medio) y 7 (capa de
aplicación, inclusive capa de usuario)
del modelo de referencia ISO/OSI [7].
Para garantizar una respuesta determinista hay que utilizar esquemas de planificación apropiados, frecuentemente
en sistemas operativos en tiempo real
de dominios específicos de aplicación o
en aplicaciones en tiempo real, “desnudas” (mínimas) y personalizadas.
Los sistemas integrados interconectados
para aplicaciones en que la seguridad es
crítica, como x-by-wire, que adopta soluciones electro-mecánicas para sustituir
soluciones mecánicas o hidráulicas por
sistemas eléctricos/electrónicos, han de
tener un alto grado de dependencia que
garantice la seguridad del sistema a los
fallos. Como ejemplos mencionaremos
el control de vuelo en aviones y de conducción por cable en automóviles, cuyo
fallos pueden poner en peligro vidas
humanas, propiedades o el medio ambiente. Para evitar estos riesgos es necesario suministrar servicios fiables, a
prueba de fallos, a petición del usuario.
La dependencia de los sistemas x-bywire es un requisito principal, pero también una restricción a la hora de adoptar
este tipo de sistema.
Aunque el uso de redes de áreas de
campo basadas en líneas cableadas es
muy común, la tecnología inalámbrica,
inclusive las soluciones híbridas de líneas con o sin cables, resulta muy interesante en varios campos de aplicación. En la automatización industrial,
por ejemplo, las redes de dispositivos
inalámbricos (sensores y actuadores)
pueden proporcionar ayuda para las
operaciones móviles, como en el caso
instrument
motor
Nota
1)
Véase en la figura 1, página 47, una breve descripción del modelo OSI.
12
Revista ABB 2/2006
Tendencias de los sistemas integrados
Tecnologías de sistemas integrados
de robots móviles, y para la supervisión y control de equipos en entornos
peligrosos y de difícil acceso. Una categoría independiente es la de redes
de sensores inalámbricos, concebida
específicamente para la supervisión.
Oportunidades y retos de
SoC y MPSoC
Numerosas oportunidades se derivan
del eficiente diseño, sin errores, de
SoC y especialmente de un SoC multiprocesador (MPSoC, Multi-Processor
System-on-Chip), que combina las
ventajas del proceso en paralelo y de
la alta capacidad de integración de
SoC. Otros campos de interés son la
verificación de núcleos integrados en
SoC, los cálculos de energía, la seguridad de los sistemas integrados y el
desarrollo de sistemas de seguridad
crítica en el contexto de control por
cable (vuelo, conducción) y otras aplicaciones [8].
Densidades de circuitos y frecuencias de
operación cada vez mayores, así como
el uso de diseños de sistemas sobre
chips, han producido un gran volumen
de datos de prueba para los actuales circuitos integrados basados en núcleos incorporados. Reducir el volumen de datos y el tiempo son dos retos importantes a la hora de verificar los circuitos de
este tipo. Otros problemas son la creciente disparidad entre las prestaciones
de diseño y el equipo automático utilizado para las pruebas, que ha convertido las pruebas de velocidad, especialmente las de circuitos de alta velocidad,
en un desafío, con el resultado de pérdida creciente de productividad, alto coste
de las pruebas funcionales hechas manualmente y mayores costes de equipos
de prueba de alta velocidad y gran número de patillas.
La creciente disipación de energía, resultado del aumento de densidad de
circuitos integrados y de la frecuencia
del reloj, afecta directamente al coste
de encapsulado y refrigeración, además de a la fiabilidad y a la vida útil.
Éstos y otros factores, como la alimentación por baterías y el tamaño limitado de los dispositivos (como en el caso de los portátiles), hacen que el diseño para bajo consumo de energía
sea prioritario en los sistemas integrados. Las técnicas y metodologías de
diseño que tienen por objeto reducir
la disipación de energía, tanto estática
como dinámica, suelen concentrarse
Revista ABB 2/2006
en los siguientes campos: optimización en el nivel de sistema/aplicación,
que explora la implementación de tareas con diferencias de potencia/energía en función de las características
del servicio; subsistemas de proceso
con bajo consumo de energía, como
el escalado de tensión y frecuencia, el
escalado de recursos dinámicos y la
selección de núcleos de procesadores;
finalmente, los subsistemas de memoria con bajo consumo de energía, como la optimización jerárquica de memoria caché, los nuevos esquemas de
partición horizontal y vertical de memoria caché y el escalado dinámico
de elementos de memoria.
Los recursos de anchura de banda comercial para la computación, memoria
y ancho de banda de comunicación de
los controladores en dispositivos integrados (dispositivos de campo en automatización industrial, por ejemplo),
relativamente limitados, plantean retos
considerables a la implantación de políticas eficaces de seguridad que, en
general, exigen importantes recursos.
Esto limita la aplicabilidad de los principales protocolos criptográficos, incluso de las versiones personalizadas
por los proveedores. Los sistemas operativos que se ejecutan en controladores pequeños suelen implementar únicamente los servicios esenciales y no
ofrecen la posibilidad de autentificación o control de acceso para proteger
los dispositivos de campo cuya misión
y seguridad son críticas. La creciente
demanda de acceso remoto para procesar datos en fábrica puede exponer
los sistemas de automatización a posibles ataques contra la seguridad electrónica y con ello comprometer la integridad de estos sistemas y la seguridad de la planta. La exigencia de disponibilidad del sistema y/o de la planta puede tener como consecuencia
que la actualización del software de
seguridad en dispositivos de campo en
funcionamiento resulte poco práctica o
esté plagada de riesgos.
Grant Martin
Grant Martin
Tensilica, USA
Richard Zurawski
Grant Martin es Director científico
en Tensilica, Inc. Su licenciatura y
máster en Matemáticas los hizo en
la Universidad de Waterloo (Canadá). Ha trabajado en Burroughs
(Escocia), BNR/Nortel (Canadá) y
Cadence Design Systems en San
José (California) antes de ingresar
en Tensilica en 2004.
ISA Group, USA
r.zurawski@ieee.org
Bibliografía
[1] H. Chang, L. Cooke, M. Hunt, G. Martin,
A. McNelly, L. Todd: Surviving the SOC Revolution:
A Guide to Platform-Based Design. Kluwer Academic
Publishers, 1999.
[2] A. Sangiovanni-Vincentelli, G. Martin: PlatformBased Design and Software Design Methodology
for Embedded Systems. IEEE Design and Test of
Computers 18 (2001) 6, 23–33.
Richard Zurawski
[3] M. Keating, P. Bricaud: Reuse Methodology
Manual for System-on-a-Chip Designs. Kluwer
Academic Publishers, 1998 (First Edition),
Richard Zurawski es Presidente
de ISA Group (San Francisco).
Ha ocupado puestos ejecutivos en
diversas empresas de la región de
San Francisco y en Kawasaki Electric (Tokyo) y ha sido catedrático
del Instituto de Ciencias Industriales de la Universidad de Tokyo. Es
editor de una colección de libros
sobre tecnología de información
industrial (CRC Press/Taylor &
Francis). Tiene un máster en Ingeniería eléctrica y es licenciado en
Ciencias Computacionales.
1999 (Second Edition), 2002 (Third Edition).
[4] G. Martin, C. Lennard: Invited CICC paper. Improving Embedded Software Design and Integration
for SOCs. Custom Integrated Circuits Conference,
May 2000, 101–108.
[5] G. Martin, H. Chang (Editors): Winning the SOC
Revolution: Experiences in Real Design. Kluwer
Academic Publishers, 2003.
[6] R. Zurawski (ed.): The Industrial Communication
Systems, Special Issue. Proceedings of the IEEE,
93 (2005) 6.
[7] Zimmermann H.: OSI Reference Model: The ISO
model of architecture for open system interconnection. IEEE Transactions on Communications,
28(4): 425–432, 1980.
[8] R. Zurawski (ed.): Embedded Systems Handbook.
Taylor & Francis, 2005.
13
Tecnología de sistemas
integrados en ABB
Christoffer Apneseth
Los sistemas integrados se utilizan en
una gama de productos y aplicaciones de ABB que crece a medida que
van evolucionando las tecnologías
subyacentes. Los avances de esta
tecnología implican por un lado más
rendimiento y más funciones y por
otro lado menores costes y tamaños.
Aunque todo ello beneficia al usuario
final, la creciente complejidad de los
sistemas integrados plantea nuevos
retos a los desarrolladores. Este artículo es una breve introducción al uso
y aplicación de la tecnología de sistemas integrados en productos eléctricos y de automatización de ABB y a
los retos actuales y futuros.
14
Revista ABB 2/2006
Tecnología de sistemas integrados en ABB
Tecnologías de sistemas integrados
L
os sistemas integrados
son sistemas informáticos
de propósito especial totalmente incorporados y alojados en los dispositivos de
los que forman parte o que
controlan (de ahí el término
‘sistemas integrados’, literalmente ‘empotrados’). Aunque ésta es una definición
generalmente aceptada de
sistemas integrados, no proporciona muchas pistas sobre las características especiales que poseen estos sistemas.
Instalación de instrumentos avanzados in situ
¿Cómo está aplicando ABB
los sistemas integrados?
Para comprender mejor la finalidad de la tecnología de sistemas
integrados parece conveniente responder a algunas preguntas sobre la
tecnología subyacente.
En primer lugar la siguiente: ¿En qué
se diferencian los sistemas integrados
de los sistemas informáticos de propósito general? La respuesta es ‘depende’. Por definición, un sistema integrado se diseña para realizar un conjunto
de tareas predefinidas, cuya complejidad puede variar desde la simple supervisión de funcionamiento de un
conmutador eléctrico, hasta controlar
los movimientos de un potente robot
industrial altamente flexible. Las dos
soluciones, en consecuencia, serán
completamente diferentes. La primera
solución se optimiza para un gran volumen de producción de muy bajo
coste y para ejecutar un pequeño conjunto de algoritmos predefinidos. La
última solución se diseñaría para calcular complejas trayectorias de movimientos programables y transformar
las señales que controlan los motores
del manipulador.
La segunda pregunta que debemos
formularnos es la siguiente: ¿Por qué
necesitamos sistemas integrados? La
respuesta es que los ordenadores de
uso general, como los PC, serían demasiado costosos para la mayor parte
de los productos que están incorporando actualmente alguna forma de
tecnología de sistemas integrados.
Una solución general podría no satisfacer varios requisitos funcionales o
de rendimiento, tales como las limitaciones en consumo de potencia y las
Revista ABB 2/2006
limitaciones de tamaño, fiabilidad o
funcionamiento en tiempo real.
Sistemas integrados, ¿dónde se
encuentran?
ABB lleva más de un siglo desarrollando tecnologías de energía y automatización. y de la energía eléctrica.
Los conceptos básicos de algunas de
estas tecnologías han evolucionado
lentamente: los modernos transformadores de potencia, por ejemplo, funcionan en la actualidad según los mismos principios que en los inicios de
la transmisión de energía eléctrica. A
pesar del enorme progreso de las tecnologías de conmutación y de la ciencia de materiales, un interruptor automático sigue estando basado en los
mismos principios que hace cincuenta
años. Ahora que disponemos de peTecnología moderna de transformadores
queños y potentes microcontroladores a bajo precio, los
componentes de sistemas integrados van encontrando
aplicación en estos productos,
maduros desde hace mucho
tiempo. En estos productos,
los sistemas integrados suelen
asumir una función auxiliar:
se utilizan para supervisar,
proteger o controlar la función básica del producto. La
tecnología es una forma de
proporcionar estos atributos a
mejor precio o con más valor
añadido que con otras soluciones alternativas.
Otras series de productos que
ofrece ABB serían inconcebibles sin la tecnología de sistemas integrados. Buen ejemplo de ello son los
sistemas de control distribuido (DCS)
que pueden automatizar y controlar
de forma segura grandes y complejas
plantas industriales, como refinerías
petrolíferas, centrales eléctricas y fábricas de papel. En los primeros tiempos de la automatización industrial se
utilizaba lógica de relés para diversas
funciones sencillas de control. La llegada de los circuitos integrados y de
los primeros microcontroladores comerciales en los años setenta y ochenta permitió utilizar controladores industriales programables para ejecutar
una lógica de control más compleja.
Hoy día, el Sistema ABB de Automatización Ampliada 800xA de la plataforma Industrial IT integra dispositivos
de campo inteligentes, ampliamente
distribuidos, con funciones de sistemas de alto nivel que optimizan los
activos de producción además del
proceso propiamente dicho.
Retos en aplicaciones industriales de
sistemas integrados
En este número de Revista ABB se
discute una gran variedad de oportunidades y retos relacionados con la
introducción de la tecnología de sistemas integrados en la cartera de productos y soluciones de ABB. Muchas
de las ventajas y requisitos son típicas
de los sistemas integrados en general
–como el bajo coste, el pequeño tamaño, etc.– mientras que otras son específicas de las aplicaciones industriales.
15
Tecnología de sistemas integrados en ABB
Tecnologías de sistemas integrados
Requisitos industriales
Los requisitos industriales
varían enormemente de una
aplicación a otra, pero entre
ellos están generalmente los
siguientes:
Disponibilidad y fiabilidad
Seguridad
Respuesta determinista en
tiempo real
Consumo de energía
Tiempo de vida útil
Transmisión de energía sin cables:
a alimentación de energía b bobina primaria
c conmutación con bobinas secundarias
b
Ciclo de vida útil
a
Disponibilidad y fiabilidad
Los sistemas eléctricos han
de tener una gran disponibilidad y fiabilidad para minimizar el coste de explotación (es decir, minimizar el
tiempo de mantenimiento
programado e imprevisto).
Seguridad
Mientras que los clientes generalmente
exigen que sus sistemas integrados
sean de alta calidad y muy fiables, este aspecto no es necesariamente vital
si, por ejemplo, es necesario reiniciar
un PDA (personal digital assistant)
cada vez que una aplicación provoca
un fallo del sistema. En aplicaciones
industriales, por el contrario, un fallo
del sistema podría tener efectos devastadores. En una plataforma petrolífera,
por ejemplo, es necesario detectar una
fuga de gas y provocar una parada de
seguridad del proceso, ya que de otro
modo correrían peligro activos muy
valiosos e incluso vidas humanas. Análogamente, la inestabilidad en las redes de transmisión y distribución eléctrica debe detectarse antes de que se
pueda propagar y provocar grandes
apagones. Las consecuencias económicas y la seguridad personal dependen
de que los sistemas tengan una gran
integridad. ABB emplea los sistemas
integrados en las configuraciones que
cumplen funciones críticas. Para ofrecer productos probados y certificados,
de alta integridad, se aplican procesos
de desarrollo y metodologías de diseño especiales.
Propiedades de tiempo real
‘Tiempo real’ es un término frecuentemente asociado a los sistemas integrados. Puesto que los sistemas integrados se usan para controlar o supervisar procesos en tiempo real, han de
ser capaces de realizar fiablemente
16
como “cosecha de energía”.
Aunque se disponga de energía, el diseño con bajo consumo es necesario para reducir
la generación excesiva de
calor, que haría necesarios
dispositivos de refrigeración
costosos y susceptibles de
generar errores.
c
ciertas tareas en un plazo de tiempo
dado. Pero la definición de ‘tiempo
real’ varía con la aplicación. Por ejemplo, una reacción química puede ser
lenta y es probable que baste con leer
la temperatura en un punto una vez
por segundo. Sin embargo, el programa ha de ser previsible. En el otro extremo de la escala, los dispositivos de
protección de equipos de alta tensión
necesitan muestrear corrientes y tensiones a razón de miles de veces por
segundo para detectar y actuar en una
fracción de ciclo, si es necesario.
Consumo de energía
A primera vista parece que el consumo de potencia de la electrónica industrial no es un problema importante,
dada la abundancia de energía disponible. Sin embargo, no siempre se dispone de energía y la necesidad de
mantener bajos los costes de instalación ha creado una demanda de productos y sistemas que no requieren
alimentación eléctrica aparte para la
electrónica; estos dispositivos son
autosuficientes energéticamente y
satisfacen sus necesidades extrayendo
pequeñas cantidades de energía de su
entorno. Los sensores inalámbricos
para la automatización de edificios,
fábricas o procesos han de funcionar
durante años con baterías o autónomamente. Las fuentes de alimentación
independientes pueden ser diseñadas
para extraer niveles minúsculos de
energía desde fuentes electromagnéticas o solares, gradientes de temperatura o vibraciones en el entorno inmediato, lo que con frecuencia se conoce
Otro requisito frecuente de
los sistemas industriales integrados es la gran duración de
la vida útil del propio producto y el ciclo de vida de la serie de productos. Mientras
que los productos modernos
de la electrónica de consumo
tienen actualmente una vida
útil inferior a cinco años –desde cuándo no se ven teléfonos de más años–,
la mayor parte de los equipos industriales han de funcionar en el terreno
durante 20 años o más.
Esto plantea varios retos, no sólo a la
robustez de la electrónica, sino también al manejo del producto durante
toda su vida útil, puesto que los componentes del hardware, los sistemas
operativos y las herramientas de desarrollo evolucionan y los productos
concretos van quedando obsoletos.
Cuestiones fundamentales del
desarrollo de sistemas integrados
Algunos desafíos propios del diseño
de sistemas integrados no han cambiado realmente durante las dos últimas décadas. Por ejemplo, los esfuerzos por conseguir más rendimiento
con menores costes y tamaños se
mantendrán mientras lo permitan los
avances de las tecnologías subyacentes.
Otros retos relacionados con el diseño
de sistemas están cambiando rápidamente. La complejidad, la conectividad y la utilidad son tres campos que
merecen una atención muy especial.
Complejidad
Aunque la densidad de transistores y
las velocidades de los circuitos integrados, cada día mayores, ofrecen
muchas oportunidades, son mejoras
que conllevan un reto muy importante
que han de afrontar los desarrolladores (personas, equipos, organizaciones): ¿cómo manejar la complejidad
añadida?
Revista ABB 2/2006
Tecnología de sistemas integrados en ABB
Tecnologías de sistemas integrados
Hoy día, un moderno sistema integrado puede constar de cientos de miles
de líneas de código de programación.
Cada vez más frecuentemente, los
productos incluyen sistemas integrados complejos. Las organizaciones de
desarrollo han de evolucionar con los
productos y tecnologías y es necesario
establecer procesos, métodos y herramientas de desarrollo adecuados. ABB
aprovecha su presencia en todo el
mundo, de modo que las mejores
prácticas desarrolladas en una parte
de su organización las aplica en otras
partes de la misma para mejorar el
rendimiento general. El desarrollo
de plataformas de productos es otro
medio eficaz para garantizar la reutilización y aumentar la eficiencia.
Conectividad
Antes del extenso despliegue de la
comunicación digital, los sistemas
integrados operaban casi siempre de
modo autónomo. Algunos tenían
capacidades de supervisión y control
remoto, pero generalmente ejecutaban
Módulo de comunicación para la transmisión
por radio
Brazo de robot equipado con conmutador de
proximidad sin cables
autónomamente la mayoría de las funciones. Este aspecto está cambiando
rápidamente. Actualmente, los sistemas integrados suelen formar parte de
redes distribuidas refinadas. Los sensores sencillos con electrónica basada
en transmisores han sido sustituidos
por complejos dispositivos de campo
inteligentes. La consecuencia es la imposibilidad de diseñar diferentes productos independientes entre sí, sino
que éstos han de tener algunos componentes comunes. La comunicación
ha dejado de ser una pequeña parte
de un sistema para convertirse en una
función muy importante. Donde, antes, la comunicación en serie peer-topeer (de igual a igual) era la única
forma de conectar un dispositivo a un
sistema de control, actualmente se integran numerosos dispositivos complejos por medio de buses de campo.
La necesidad de conectar diferentes
aplicaciones en los sistemas para asegurar la información y los servicios en
los dispositivos de campo, está impulsando la implantación de tecnologías
ICT estándar, como Ethernet y los servicios web.
Utilidad
Los dispositivos de campo complejos
suelen ser programables o configurables. Un transductor de presión puede
contener actualmente varios cientos
de parámetros. La interacción con un
dispositivo –desde un panel interno o
desde una aplicación de software en
el sistema– se ha hecho más compleja.
A menudo se ha subestimado la tarea
de ocultar esta complejidad al usuario
al crear un dispositivo de fácil uso.
Mientras que la mayoría de los requisitos son absolutos o fácilmente cuantificables, la ‘utilidad’ es más difícil de
definir. No obstante, un sistema intuitivo y fácil de utilizar reducirá los
costes de puesta en servicio y mantenimiento. El sistema evitará errores y
contribuirá mucho a la satisfacción
general del cliente.
Por esta razón, la utilidad es prioritaria en el diseño y desarrollo de los
productos de ABB, desde la fase conceptual hasta las pruebas finales.
Últimas tendencias de los sistemas
integrados
ABB está dando forma al futuro de la
energía y de la automatización con
nuevos productos y soluciones innovaRevista ABB 2/2006
doras y en esta tarea cada día son más
importantes las tecnologías de sistemas
integrados. Esa es la causa de que,
para tener controlada esta evolución,
ABB tenga que anticiparse a las tendencias y oportunidades emergentes.
Una de estas tendencias es la tecnología SoC de sistemas sobre chips (Systems on Chip). La emergencia de SoC
permite que sistemas extremadamente
potentes –hardware y software– se
ejecuten en plataformas configurables
que contienen todos los bloques funcionales de un sistema integrado:
microprocesadores, DSPs, lógica de
hardware programable, memoria,
procesadores de comunicaciones y
controladores de displays, entre otros
ejemplos.
Otras tendencias son las de los sistemas internos de comunicación inalámbrica y de los dispositivos integrados,
interconectados y autoconfigurables.
Estas tendencias permiten un uso extendido de los dispositivos de campo
inteligentes en aplicaciones hasta ahora no factibles debido a los costes de
cableado. ABB figura a la vanguardia
del desarrollo de tecnologías y aplicaciones que aprovechan los últimos
avances en investigación, junto con
tecnologías de otros sectores industriales, como las telecomunicaciones y
la electrónica de consumo.
Hoy por hoy no se puede predecir
con exactitud cómo serán los sistemas
eléctricos y de automatización de aquí
a veinte años. Pero, sea cual fuere el
desarrollo, los sistemas integrados serán los principales actores que habilitarán e impulsarán el cambio.
Christoffer Apneseth
ABB Corporate Research, ABB AS
Billingstad, Norway
Christoffer.apneseth@no.abb.com
17
Thema
Protección
integrada de
energía
Aplicaciones integradas en la automatización de
sistemas eléctricos
Kornel Scherrer
18
Desde los inicios de la electrificación, hace ya más de 130 años,
proteger los activos contra los cortes o caídas de tensión ha sido un
objetivo fundamental. Desde entonces, nuevas tecnologías integradas
de información, incorporadas a la
automatización de sistemas eléctricos, gestionan los aspectos relativos
a la protección, además de otras
muchas aplicaciones especiales.
Esta evolución y sus futuras tendencias se discuten de forma resumida
en este artículo, dedicado a la automatización de sistemas eléctricos
aplicada a la generación, transmisión y distribución de electricidad.
Revista ABB 2/2006
Protección integrada de energía
Tecnologías de sistemas integrados
L
a automatización de sistemas eléctricos tiene su origen en la protección de equipos de alta o media tensión en caso de daños provocados por
un fallo del sistema de energía. Entre
estos equipos están los aparatos de
conmutación de potencia, los interruptores y líneas de transporte de
energía, así como los motores y generadores. Los primeros dispositivos de
protección se desarrollaron hace más
de 130 años, cuando se iniciaron los
primeros proyectos de electrificación.
Por aquel entonces, los dispositivos
de protección se basaban en principios electromecánicos y actuaban de
forma completamente mecánica. Todavía hoy existen muchos de estos
relés electromecánicos en muchos
sistemas eléctricos instalados por todo
el mundo. A medida que surgieron
nuevas tecnologías de componentes
electrónicos y de semiconductores,
surgieron también nuevas posibilidades de proteger los sistemas eléctricos
y se diseñó una segunda generación
de dispositivos de protección con
componentes electrónicos. Estos relés
de estado sólido habilitaron nuevas
aplicaciones que incorporaban mejores funciones de protección, además
de mediciones de potencia, disparo
de alarmas y análisis de tendencias
básicas. Finalmente, gracias a la disponibilidad comercial de microprocesadores en los primeros años ochenta
del pasado siglo, surgió la protección
numérica. La tecnología de microprocesadores ha puesto a nuestra disposición una gran profusión de nuevas
funciones. Estos dispositivos numéricos integrados ofrecen actualmente
ventajas esenciales en cuanto a protección, control, monitorización y autosupervisión, así como para la comunicación de datos.
los clientes, calidad y fiabilidad de la
energía, servicio con valor añadido, rendimiento financiero, menores costes de
explotación y mantenimiento y gestión
de activos, son tan sólo algunos de los
retos que impulsan la implementación
de modernas soluciones de automatización en el campo del suministro de
energía. La comunicación de datos en
tiempo real es una característica fundamental y el acceso desde cualquier
lugar a la información del proceso es
esencial para sacar provecho de las soluciones modernas.
Áreas de aplicación de la automatización de sistemas eléctricos
La automatización de sistemas eléctricos
es un caso claramente diferenciado de la
automatización industrial en general.
Debido a la proximidad con equipos de
alta y media tensión, las soluciones de
automatización de los sistemas eléctricos
tienen que satisfacer requisitos más rigurosos. Respecto de la automatización industrial, las diferencias principales son la
señalización de tensiones más altas, la
detección de corriente y tensión altas, la
detección de sucesos con una precisión
de 1 ms, el corto tiempo de respuesta
(del orden de algunos milisegundos) y
los requisitos más estrictos de verificación EMC (compatibilidad electromagnética) y EMI (interferencias electromagnéticas). A continuación se presentan y
describen algunas aplicaciones típicas de
automatización de sistemas eléctricos.
El número de componentes de sistemas
integrados está creciendo rápidamente.
Los componentes, con sus diversas tareas, cubren todo el proceso de suministro de energía eléctrica, desde la pro-
Impulsores de la automatización de
sistemas eléctricos
Mientras que, en el pasado, la única finalidad de un dispositivo de protección
era proteger un equipo de alta y media
tensión, el entorno comercial actual de
la transmisión y distribución de la energía eléctrica impone nuevos requisitos
que exigen nuevas soluciones. Los aspectos técnicos van acompañados de
un gran número de nuevos retos. Liberalización del mercado de la electricidad, especial atención a los clientes de
compañías eléctricas, conservación de
Revista ABB 2/2006
19
Protección integrada de energía
Tecnologías de sistemas integrados
ducción al consumo. Un criterio básico
para la caracterización de un sistema integrado, o de un componente del sistema, es su capacidad para reaccionar ante sucesos o condiciones del proceso en
una franja determinista de tiempo. Estas
aplicaciones en tiempo real tienen una
ejecución típicamente cíclica. El tiempo
de ciclo determina la mayor rapidez de
la respuesta y, por consiguiente, ha de
ser diseñado específicamente para la
aplicación. En general, las aplicaciones
más cercanas al proceso de suministro
de energía requieren tiempos de ciclo
más cortos que las aplicaciones situadas
en lugares remotos, como son los centros de control de la red. La figura pequeña representa una estructura típica
de suministro eléctrico que incluye varias aplicaciones de automatización con
diferentes características. En general, la
funcionalidad básica de la automatización de sistemas eléctricos incluye la
protección del equipo del sistema eléctrico, el control del flujo de potencia, la
monitorización del proceso de suministro energético y la supervisión del estado del equipo.
Central eléctrica
El control industrial es la tecnología de
automatización predominante en una
central eléctrica. Sin embargo, los equipos con mayores tensiones, como los
generadores de potencia, utilizan dispositivos de automatización de sistemas
eléctricos, entre cuyas funciones suelen
estar las siguientes:
Protección y control de generadores
Funciones de control del funcionamiento síncrono (Synchrocheck), que
garantizan una temporización correcta cuando el generador está conectado a la red de transmisión de energía
Protección y control de interruptores
Todos los dispositivos de automatización de los sistemas eléctricos están
integrados por lo general en el sistema de automatización de las centrales
eléctricas, permitiendo controlar
centralizadamente toda la estación.
Red de transmisión de energía
Típicamente, en cada extremo de una
línea de transporte de energía eléctrica
hay situada una subestación. La aplicación más característica en la red de
transmisión es la función de protección
de la línea de transporte, integrada como tarea dedicada en el sistema de au20
tomatización instalado en la subestación.
La protección diferencial de la línea se
basa en dos dispositivos electrónicos
que miden la tensión y la corriente en
ambos extremos de la línea. Enlaces de
comunicación especializados transmiten
estas mediciones, que en condiciones
normales de operación no deben mostrar diferencia alguna. Una diferencia en
las cantidades indicaría un fallo en la línea y se activarían (dispararían) los interruptores en cuestión de milisegundos,
desconectando la línea de la red de
transmisión. Tales fallos pueden ser
temporales, en caso de un rayo, o permanentes, como cuando cae un árbol.
En caso de fallo temporal, las funciones
de automatización reconectarán la línea
automáticamente.
Otra aplicación común es la protección
de distancia que realiza una función similar, pero basada en la impedancia de
la línea y no en las diferencias de tensión o de intensidad. En caso de producirse un fallo en la línea, el dispositivo
integrado no sólo la desconectará, sino
que también dará alguna indicación de
a qué distancia de la subestación se ha
producido el fallo.
Todos los dispositivos de automatización en una subestación están conectados típicamente a una terminal o pasarela (gateway) de comunicación remota,
que intercambia información con el centro de control de la red.
Aunque la red de transmisión opera con
corriente alterna (AC), para la transmisión de energía a largas distancias generalmente se emplea corriente continua
de alta tensión (HVDC). La energía se
ha de convertir en ambos extremos de
la línea, de alterna a continua y de continua a alterna, mediante convertidores
controlados por tiristores. Estos circuitos
requieren equipos de control y protección muy refinados y potentes, que opera en tiempos muy pequeños, del orden
de 100 nanosegundos.
Subestación de transmisión
En la subestación, grandes transformadores de potencia aislados con aceite
convierten los niveles de tensión desde
una tensión de transmisión de 240 kV a
110 kV, por ejemplo. Sistemas específicos de interruptores permiten controlar
fiablemente el flujo de potencia. Son
muchos los sistemas integrados que se
instalan con fines de automatización. En
general, cabe distinguir entre funciones
de protección de objetos, como es la
protección de líneas, transformadores o
interruptores, y las funciones de protección de sistemas, por ejemplo de las barras colectoras. Los cortocircuitos en la
subestación pueden alcanzar valores de
hasta 100.000 amperios. Por tanto, los
dispositivos de protección tienen que
reaccionar en 10 a 20 ms para desconectar la parte defectuosa de la estación.
Por razones de seguridad de funcionamiento, se suelen utilizar dispositivos
integrados independientes para la protección y el control. Así pues, una subestación puede necesitar muchas docenas de dispositivos de automatización,
que en grandes estaciones pueden llegar a ser varios cientos. Los dispositivos
de automatización son componentes de
sistemas modulares con una cantidad
variable de entradas y salidas de proceso y con diversas potencias de cálculo.
Subestación de distribución primaria
La subestación de distribución primaria
realiza las mismas funciones que una
subestación de transmisión pero a niveles
inferiores de tensión. Transformadores
más pequeños de potencia convierten los
niveles de tensión de 110 kV a 38 kV,
por ejemplo. A este nivel, la protección y
el control suelen estar integrados en un
único dispositivo que ejecuta simultáneamente todas las funciones. La energía
afectada por una avería es menos vital
que en un sistema de transmisión y, por
consiguiente, los requisitos de respuesta
en tiempo real son algo menos estrictos.
No obstante, los tiempos de operación siguen estando en el rango de algunas
decenas de milisegundos.
Subestación de distribución secundaria
La subestación de distribución secundaria está situada más cerca de los consumidores y opera a niveles más bajos de
tensión. Puede incluir o no un transformador, y el sistema completo es considerablemente menos complejo que en
una subestación primaria.
La sofisticación de la automatización está
también muy limitada y casi siempre se
reduce a funciones sencillas de protección. Los dispositivos están estandarizados y disponibles a muy bajo coste. Por
lo general no se emplea comunicación
en este nivel de la red de distribución.
Estación generadora de potencia
distribuida
La aplicación más común de un generador de potencia distribuida es servir coRevista ABB 2/2006
Protección integrada de energía
Tecnologías de sistemas integrados
mo fuente de energía de reserva en caso
de emergencia para consumidores críticos con especiales necesidades de electricidad, como pueden ser hospitales,
diversas aplicaciones industriales o una
infraestructura con carácter crítico. Una
aplicación esencial en tales estaciones
es el conmutador de transferencia desde
la fuente de energía normal a la fuente
de reserva. La integración de funciones
apropiadas de automatización garantiza
la ejecución correcta de las funciones de
todos los dispositivos utilizados, como
son, entre otras, desconectar la línea
de energía, arrancar el generador y conectar este último al consumidor crítico.
En caso de que el suministro de energía
deba mantenerse sin interrupción, como
normalmente se requiere en centros de
servidores de información, se utilizarían
grandes baterías o tecnología de volantes de inercia para acumular energía y
vencer el retardo en el arranque del generador. Las operaciones de transferencia se pueden ejecutar de forma rápida
y completa en pocos milisegundos,
manteniendo sin interrupción el equipo
informático vital.
Automatización de alimentadores
La aplicación de dispositivos de protección y control fuera de la subestación y
en la línea de distribución de potencia
se conoce como automatización de alimentadores. Entre sus funciones típicas
están la protección contra sobrecorrientes, la localización de averías y la reconexión de interruptores. La restauración
rápida e inteligente de alimentadores de
distribución averiados es otro buen
ejemplo de las modernas funciones
integradas de automatización.
Red industrial
Tecnología de automatización de subestaciones
Los primeros dispositivos de protección
y control numérico de sistemas eléctricos utilizaban unidades especiales de
proceso de señales digitales (DSP). Las
implementaciones actuales están impulsando la gran potencia de cálculo
disponible en unidades de proceso central (CPU) de propósito general. En este
sentido, los microcontroladores
PowerPC proporcionan una gran potencia de cálculo con bajo consumo de
energía y, por consiguiente, baja disipación de potencia. Se utiliza memoria de
acceso aleatorio (RAM) para ejecutar
programas, mientras que la memoria de
sólo lectura, programable y borrable
(EPROM), almacena información de
programas y de configuración. Una
configuración típica puede incluir un
microcontrolador PowerPC a 400 MHz,
64 Mbytes de EPROM y 64 Mbytes de
RAM. La CPU puede comprender ade-
más matrices de puertas programables
por el usuario (FPGA, Field Programmable Gate Array) que integran funcionalidad lógica y de preproceso de señales. Un dispositivo de automatización
incluye generalmente varias placas de
circuito impreso (PCBA, Printed Circuit
Board Assembly) en consonancia con
los requisitos correspondientes a la diversidad y número de circuitos diferentes de entrada y salida. La comunicación entre módulos tiene lugar en serie,
a alta velocidad, permitiendo a la CPU
enviar y adquirir datos desde/hacia los
módulos de entrada y salida. Se diseñan
circuitos de aplicaciones específicas para optimizar los objetivos técnicos y
económicos globales. La figura inferior
muestra un ejemplo de un módulo CPU
de alto rendimiento conectado a un
módulo de comunicación Ethernet con
entrada binaria.
e
Dispositivo Ethernet multipuerto con acceso
óptico y eléctrico de 100 Mbits/s a Ethernet
f
18 entradas binarias de 300 V
g
Entrada binaria de procesado ASIC
a
EPROM
b
FPGA, preprocesado de señales
c
Dispositivo interno de
comunicación a 100 bits/s
Alimentación de energía
h
RAM
i
Microcontrolador PowerPC
d
c
b
h
a
i
d
e
Los grandes consumidores de energía
eléctrica, como parques industriales,
plantas químicas y fábricas, mantienen
su red de distribución de potencia in
situ para alimentar motores y otros
grandes equipos. Para ello se instala un
gran número de dispositivos que realizan funciones de protección, control y
medición. Todos estos dispositivos de
automatización de sistemas eléctricos
suelen estar integrados en el sistema de
control del proceso global.
Centro de control de la red
El centro de control de la red es el emplazamiento central desde donde se
dirige el funcionamiento de la red. Potentes sistemas de adquisición de datos
y control supervisor (SCADA) recogen
información de todas las subestaciones
y realizan cálculos complejos. En este
nivel se ejecutan aplicaciones de gestión de la energía, habilitando la operación correcta y estable de los generadores, red de transmisión y consumidores. En él se realizan cálculos complejos del flujo de potencia para supervisar las condiciones críticas y permitir
que el personal de control de la red
tome las medidas apropiadas.
Los dispositivos integrados de automatización de sistemas eléctricos realizan funciones vitales en tiempo real
en todos los niveles del sistema y de
la jerarquía de control. El gráfico de la
figura 1 clasifica las aplicaciones antes mencionadas de acuerdo con su
requisito de respuesta en tiempo real.
g
Tendencias tecnológicas
f
Revista ABB 2/2006
El futuro de los componentes integrados en la automatización de sistemas
eléctricos estará determinado por tres
tendencias tecnológicas distintas.
21
Protección integrada de energía
Tecnologías de sistemas integrados
Requisitos de tiempo real para aplicaciones integradas en una jerarquía de sistemas eléctricos
1
Ciclo de aplicación típica
1s
100ms
10ms
1ms
1ms
HVDC, 100ns
Centro de
control de
la red
Red de
transmisión
Subestaciones
primarias
Generación
distribuida de
energía
Subestaciones
secundarias
Redes
industriales
Red de
baja
tensión
Sincronización temporal: adquisición de datos analógicos: 1..30 s
Eventos en el sistema: 1 ms
Integración electrónica
A medida que avance la tecnología de
circuitos integrados, se irán incorporando cada vez más funciones en un único
dispositivo de automatización. Como
consecuencia del aumento de velocidad
del reloj de la CPU y de una mayor memoria, un solo dispositivo integrado será
capaz de ejecutar nuevas funciones adicionales, que actualmente se procesan
con diversos dispositivos o incluso fuera
de línea. Además, las modernas implementaciones de sistemas se basan en
plataformas más genéricas de electrónica y de software, permitiendo así una
configuración sumamente económica
para aplicaciones específicas.
establecida. Ya se han comercializado
los primeros interruptores inteligentes
para aplicaciones de tensión media con
una buena aceptación por parte del
mercado. Está en marcha la investigación necesaria para los niveles de alta
tensión y ha de mejorar la aceptación
del mercado 2 . Sin embargo, todas las
áreas de aplicación tienen en común el
continuo impulso hacia una mayor integración, aunque cada campo progrese
de forma diferente.
Comunicación de datos
La tendencia más fuerte, sin embargo,
lleva hacia una comunicación más intensa y más rápida, que en general
conlleva la implementación de Industrial Ethernet. El nuevo estándar
IEC61850 del sector de compañías
eléctricas promueve la interoperabilidad en todos los niveles de un siste-
ma de automatización de energía eléctrica, ampliando las ventajas y la
aceptación de la tecnología de comunicación base. Los dispositivos futuros
incluirán funcionalidad integrada de
redes multipuerto como, por ejemplo,
capacidades de encaminamiento y
conmutación, así como temporización
de alta precisión. Además, la mayoría
de los protocolos de uso más común,
como Modbus y DNP, se ampliarán
para la interconexión Ethernet, permitiendo la utilización de una multitud
de protocolos estándar en una única
red Ethernet.
Los actuales dispositivos de protección y control tienen el potencial para
convertirse en nodos de redes con
plena capacidad de comunicación y
con funcionalidad de automatización.
Tendencias futuras en tecnología de
protección eléctrica integrada
Son muchos los sistemas integrados
muy avanzados que se emplean en el
proceso de suministro de energía
eléctrica a todos los niveles. La función de estos sistemas es proteger los
componentes del sistema eléctrico, el
control del flujo de potencia y la monitorización del proceso, además del
estado de su equipo.Los dispositivos
de automatización de sistemas eléctricos se integran en redes de comunicación para intercambiar información
entre varios de estos dispositivos, así
como con sistemas supervisores.
Nivel de integración
Las tendencias tecnológicas predicen
un nivel aún mayor de complejidad
Integración de equipos de conmutación
funcional para cada dispositivo y tamLos sistemas integrados se incorporarán
bién una integración más profunda
también al propio equipo de conmutacon aparatos de alta y media tensión.
ción. Actualmente, los dispositivos de
La necesidad de automatización y coautomatización se instalan en paneles
municación crecerá continuamente.
de los equipos de conmutaPara responder a esta demanción y se conectan al aparato
da futura, los dispositivos de
2 Integración de dispositivos en relación con los niveles de tensión
mediante un extenso cableaautomatización tendrán que
do. Por tanto, el aparato y sus
contar con una refinada capafunciones de automatización
cidad de comunicación de daBaja tensión
Media tensión
Alta tensión
< 1 kV
1..20 kV
10..52 kV
> 70 kV
constituyen una unidad funtos y de interconexión.
cional global, conocida también como aparato inteligente.
Actividades de ingeniería de
hardware, como diseño y cableado, serán sustituidas por
Kornel Scherrer
ingeniería de software y confiDistribution Automation
guración. La electrónica inteABB Management Services Ltd.
grada en equipos de baja tenZürich, Suiza
sión está sólidamente arraigakornel.scherrer@ch.abb.com
da y es una tecnología bien
22
Revista ABB 2/2006
Los motores del cambio
Control integrado de motores basado en DSP
Ilpo Ruohonen
Cuando una persona sube a una escalera
mecánica, no espera que la velocidad de
la misma se reduzca por efecto de su peso: más bien, la potencia de salida ha de
aumentar para que la escalera mantenga
constante su velocidad. En las aplicaciones industriales también se espera que las
correas, ejes y bombas mantengan los
valores de velocidad prefijados o el par
motor con independencia de que cambien
las condiciones de operación. Estos requisitos no se cumplen por las propiedades
inherentes a los motores, sino gracias al
uso de sistemas de control de motores
(accionamientos).
Un criterio importante en favor de un
sistema de control determinado es su
velocidad de respuesta. ¿Cuánto tiempo
se necesita para responder al cambio de
un parámetro y compensarlo Los avances
de la tecnología de microprocesadores no
sólo hacen posible un caudal de datos
mayor en tales sistemas, sino que además
permiten implementar funciones matemáticas cada vez más complejas. El método
DTC (Direct Torque Control), desarrollado
por ABB, se basa en potentes procesadores de señales digitales (DSP) que proporcionan respuestas muy rápidas y un sistema de control preciso y sensible.
D
se implementa sobre un microcontrolador integrado en el accionamiento.
Esta tecnología fue utilizada comercialmente por ABB por primera vez en
1995, convirtiéndose rápidamente en
el método de control preferido para
accionamientos CA, sobre todo para
aplicaciones exigentes o críticas en las
que no podía comprometerse la calidad del sistema de control. Para comprender la interacción de la teoría de
control y los avances en control inte-
grado, es necesario considerar la historia de DTC.
TC (Direct Torque Control) es un
método de control que proporciona un excelente tiempo de respuesta del par motor a los controladores
electrónicos de motores de velocidad
variable (accionamientos de CA) 1 .
Para máquinas CA de inducción, DTC
proporciona rendimientos y velocidades de respuesta que alcanzan los límites teóricos de la máquina en cuanto a control del par y de la velocidad.
DTC usa un algoritmo de control que
La emergencia de una nueva tecnología
La función principal de un accionamiento de velocidad variable (VSD,
Variable Speed Drive) es controlar el
flujo de energía suministrada desde la
red a un proceso a través del eje de
un motor. Dos magnitudes físicas describen el estado del eje: el par y la
velocidad. El control del flujo de ener-
Diagrama de bloques de DTC
Líneas
Núcleo DTC
Estatus del par
Controlador de velocidad + compensador
de aceleración
Controlador de par de
referencia
Par de referencia
Velocidad de
referencia
Comparador
de par
Rectificador
Señales de control
Comparador
de flujo
+
-
Comandos de
posición de
conmutación
Par interno de
referencia
Selector
puls.
óptimas
Bus CC
PID
Estatus del flujo
Posiciones de
Flujo efectivo conmutación
Par efectivo
Controlador
de flujo
de referencia
Optimización de
flujo On/Off
Detención del flujo
On/Off
Velocidad efectiva
U
f
U
f
Inversor
ASIC
Modelo
adaptativo
de motor
Flujo interno de referencia
M
3~
Intensidad del motor
Revista ABB 2/2006
Tensión CC de bus
23
Los motores del cambio
Tecnologías de sistemas integrados
Fábrica de Ideaplast en Italia con un extrusor
de línea simple (detalle de la cabeza del extrusor y del bobinado de los rollos de película)
Transportador fiable, para la automatización
de panaderías (Fazer Bakery, Finlandia).
gía depende del control de estas magnitudes.
En la práctica se puede controlar cualquiera de las dos magnitudes y su implementación se conoce como “control de par” o “control de velocidad”.
Cuando un VSD opera en modo de
control del par motor, la carga determina la velocidad. Análogamente,
cuando opera en modo de control de
velocidad, la carga determina el par.
En ambos casos existe una relación
entre el par, la corriente real y el flujo
magnético real en la máquina. La idea
de DTC es utilizar el flujo magnético y
el par motor como variables básicas
de control, contrariamente a la forma
en que los tradicionales accionamientos de CA controlan la frecuencia y la
tensión de entrada, aunque en principio es similar a como se realiza con
un accionamiento de CC.
Además, con los tradicionales accionamientos que utilizan modulación por
anchura de impulsos (PWM, Pulse
Width Modulation) y vectores de flujo
magnético, la tensión aplicada al motor requiere una etapa moduladora. El
tiempo de esta etapa se añade al tiempo de proceso de la señal, limitando
por tanto la velocidad de respuesta
del sistema de control y, por consiguiente, el tiempo de respuesta del
par y de la velocidad.
Estación elevadora de presión en Pietersaari
(Finlandia), accionamientos con DTC e IPC
(Intelligent Pump Control)
El hecho de que DTC no requiera modulador es una de las razones de que
este método de control ofrezca unas
respuestas tan rápidas, diez veces más
rápidas que con el método convencional de control vectorial del flujo. Además, DTC consigue este control rápido, basado en el campo magnético,
sin necesidad de realimentación de la
velocidad: usa una avanzada teoría de
motores para calcular el par motor y
el flujo magnético del estator.
DSP hace posible el progreso
tecnológico
Aunque, teóricamente, ya se conocían
las ventajas de utilizar DTC, su implementación tuvo que esperar hasta que
los avances del control integrado hicieron posible ejecutar los ciclos de
control primarios a una frecuencia
suficientemente alta. Los microprocesadores convencionales, por ejemplo
24
los que se utilizan en los ordenadores
personales, no consiguen un caudal
de datos suficientemente alto. La introducción de los procesadores de señales digitales (DSP) hizo posible la
implementación de DTC. Estos procesadores se desarrollaron en principio
para la industria de las telecomunicaciones, pero hoy día han encontrado
un uso muy extendido para el control
de accionamientos. Un moderno accionamiento DTC calcula el par real
en el eje del motor al menos 40.000
veces por segundo (cada 25 µs). Esto
proporciona una reacción extremadamente rápida a las variaciones de carga en el eje del motor, así como a los
cambios en la velocidad o el par fijados como referencia por el usuario.
El tiempo de reacción de DTC es tan
rápido que abre nuevas posibilidades
para el control de velocidad variable.
Por ejemplo, un accionamiento DTC
es ideal para proteger la mecánica
contra sobrecargas y variaciones bruscas de la carga. Además, el rápido
control del par motor significa que se
pueden implementar fácilmente algoritmos refinados para amortiguar vibraciones mecánicas en aplicaciones
con resonancias mecánicas intrínsecas.
Análogamente, un accionamiento DTC
puede detectar rápidamente una pérdida de par de carga causada por una
avería mecánica, por ejemplo por la
rotura de una cinta transportadora, y
actuar para evitar que se produzcan
otros daños. Dado su corto tiempo de
respuesta existen muchos otros ejemplos de DTC integrado en funciones
protectoras para las máquinas y motores.
Mientras que, por lo general, en accionamientos de baja potencia para
aplicaciones no muy exigentes se siguen métodos de control más sencillos, como el control vectorial sin sensores, DTC se usa preferentemente en
aplicaciones más exigentes, que requieren un tiempo muy corto de respuesta del par motor para conseguir
un rendimiento óptimo. Puesto que
los accionamientos de alta potencia
obligan a hacer importantes inversiones, DTC también se usa en estos tipos de accionamientos de ABB, con
independencia de la aplicación.
Revista ABB 2/2006
Los motores del cambio
Tecnologías de sistemas integrados
Extensión a otras aplicaciones
Con la llegada de DTC poco queda
por mejorar en el método de control
de accionamientos de velocidad variable: ya no es el convertidor de frecuencia el que limita el rendimiento
de un accionamiento de velocidad
variable, sino el propio motor. La investigación ha derivado recientemente
hacia la aplicación de DTC en otros
marcos. Se han abierto algunos nuevos apasionantes campos de desarrollo del control integrado de
accionamientos.
Uno de ellos es la aplicación de DTC
en motores de imanes permanentes.
Aunque los principales aspectos de
los motores de imanes permanentes
se conocen ya desde hace tiempo, su
explotación comercial tuvo que esperar al debido desarrollo de los materiales magnéticos.
Los imanes de NdFeB (neodimio, hierro y boro) están disponibles desde
1987, pero fueron necesarias diversas
mejoras en la composición de los materiales antes de que las propiedades
mecánicas y magnéticas de estos imanes permitieran usarlos en la fabricación de motores. Desde entonces no
han dejado de perfeccionarse las técnicas de producción y, actualmente,
Control de motores
Existen dos tipos básicos de sistemas
de control de motores. Los sistemas
de control de bucle cerrado tienen
codificadores en el motor que informan del estado del mismo. La información se utiliza para realimentar el
algoritmo de control. Los sistemas de
bucle abierto son más sencillos, ya
que prescinden de estos codificadores, aunque a costa de perder precisión en el control. ¿Es posible conseguir precisión en un bucle cerrado
que no dispone de codificadores? Esto es justamente lo que hace el método DTC de ABB: utiliza funciones
matemáticas para predecir el estado
del motor. La precisión y repetibilidad
que ofrece este sistema son equiparables a las de los sistemas de bucle
cerrado normales, pero con la ventaja
añadida de que la velocidad de respuesta es hasta diez veces mayor.
Revista ABB 2/2006
ya son viables comercialmente los
motores de imanes permanentes de
gran potencia.
El motor de imanes permanentes es
un motor síncrono, es decir, funciona
según principios algo diferentes a los
de un motor asíncrono. ABB ha creado una versión de DTC adaptada específicamente para motores de imanes
permanentes. Esta combinación de
DTC y motores de imanes permanentes (PM-DTC) ofrece varias ventajas.
Aunque compatibles con los accionamientos tradicionales, los motores se
fabrican en bastidores y dimensiones
mecánicas estándares de CEI y la
combinación PM-DTC ofrece un control más preciso sin necesidad de codificadores y un alto par motor a bajas
velocidades. Ello ha permitido suprimir las cajas de engranajes en las máquinas de papel. Los accionamientos
PM-DTC pueden reducir mucho los
costes. En comparación con las soluciones tradicionales, estos accionamientos tienen menos componentes
(ni engranajes, ni acoplamientos, ni
codificadores), requieren menos trabajo de ingeniería, ahorran espacio,
reducen los costes de mantenimiento,
emiten menos ruidos, tienen mayor
disponibilidad y son más eficientes
desde el punto de vista energético.
Muchas de estas ventajas pueden atribuirse al desarrollo de DTC y a los
avances en el campo del control integrado. Las máquinas de papel figuraban entre las primeras aplicaciones de
la tecnología PM-DTC, otras aplicaciones actuales son la propulsión de barcos y las turbinas eólicas.
Otra nueva aplicación de DTC está en
la sección de entrada de los accionamientos. Con algunas modificaciones,
ABB ha aplicado DTC a la unidad de
alimentación que está conectada a la
red y proporciona energía a la unidad
inversora. Con la ayuda de DTC ha
sido posible crear un accionamiento
que produce solamente una distorsión
armónica muy baja.
En los accionamientos tradicionales, la
energía se suministra a través de un
puente pasivo de diodos conectado a
las redes. El inconveniente de este
método es que el puente de diodos
distorsiona la tensión en la red, lo
cual puede afectar a otros equipos
Las oficinas modernas tienen innumerables
equipos sensibles, que requieren mantener el
nivel más bajo posible de armónicos en la red.
Los accionamientos con bajo nivel de armónicos que utilizan DTC son ideales para este tipo
de entorno.
conectados a la misma. Una solución
muy eficaz para mitigar este problema
es utilizar un accionamiento con una
sección de entrada “activa” controlada
con DTC. La unidad de alimentación
de DTC controla la corriente de la
línea y elimina las distorsiones armónicas leves. Las distorsiones armónicas
intensas se eliminan utilizando un
pequeño filtro. El resultado es una
corriente de línea prácticamente
sinusoidal y sin perturbaciones.
Las soluciones tradicionales se basan
en aumentar el número de impulsos
en la unidad de alimentación, en inversores de 12 ó 24 impulsos, y en la
utilización de un voluminoso transformador de desplazamiento de fase. La
sección de entrada activa con DTC no
necesita tal transformador y el paquete en conjunto es considerablemente
más pequeño. Estos ejemplos ilustran
una importante tendencia: los avances
de la electrónica han producido un
aumento de la potencia de cálculo integrado y de la memoria en el accionamiento. Esto, a su vez, ha traído
consigo el éxito de la implementación
de un método de control superior, el
DTC. Las ventajas de DTC han conducido por su parte a nuevas aplicaciones y funciones. Los accionamientos
actuales son más pequeños, más rápidos, más eficientes, más fiables y más
fáciles de usar que los de la generación anterior. Esto ha sido posible
gracias a los avances del control integrado.
Ilpo Ruohonen
ABB Oy
Helsinki, Finlandia
ilpo.ruohonen@fi.abb.com
25
Laminación y control
Plataforma de control AC 800PEC, para numerosas aplicaciones
Armin Eichmann, Andreas Vollmer
La gran fiabilidad, velocidad y precisión que requieren los accionamientos y convertidores de potencia exigen
controladores de alto rendimiento. El controlador AC 800PEC de ABB está integrado en el sistema de control
800xA, desarrollado con gran éxito por nuestra compañía y que goza de gran aceptación. El controlador AC 800PEC es adecuado para numerosas aplicaciones y no está limitado estrictamente al control de la electrónica de potencia, ya que entre sus aplicaciones están los laminadores del sector del metal, cuyo
proceso completo controla. Los dos ejemplos
siguientes ilustran la acertada
integración del AC
800PEC1) en aplicaciones de tracción de locomotoras e instalaciones
de laminación.
Control rápido en una
aplicación de tracción
Los trenes modernos se están haciendo más ligeros y ágiles para reducir los costes de explotación y hacer
más atractivo este medio de transporte. Los convertidores de potencia
de a bordo han de seguir la misma
tendencia ofreciendo mayores velocidades, más capacidad de respuesta y
más fiabilidad, y todo en una superficie menor. Conozcamos el convertidor de potencia CC750® de ABB.
FLIRT2 de la Red Ferroviaria Federal
Suiza (SBB) 1 [1] así como de los vehículos GTW para los operadores THURBO (Thurgau-Bodensee Bahn) y RM
(Regionalverkehr Mittelland), todos
ellos fabricados por Stadler Rail AG.
1
Desde su primera operación comercial,
en diciembre de 2003, han entrado en
servicio, en total, unos 250 vehículos.
Todos estos convertidores de potencia
son controlados por medio de unidades
AC 800PEC de ABB.
Los convertidores de potencia CC750® de ABB son parte integrante
de los modernos trenes ligeros FLIRT.
E
l convertidor IGBT de baja tensión
CC750® constituye el núcleo del
circuito de potencia del tipo de tren
26
Revista ABB 2/2006
Laminación y control
Tecnologías de sistemas integrados
Configuración del sistema
El CC750® fue desarrollado como convertidor de tracción para trenes eléctricos, regionales y suburbanos, de
unidades múltiples. El CC750®, que
dispone de alimentación auxiliar integrada, es adecuado para diversas
tensiones de catenaria, por ejemplo
15 kV / 16,7 Hz y 25 kV / 50 Hz. El
convertidor utiliza módulos IGBT de
transistores bipolares de puerta aislada (Insulated Gate Bipolar Transistor)
con tensión de bloqueo de 1.200 V,
tanto en su circuito de alimentación
de tracción como en el convertidor
auxiliar.
La configuración del sistema principal
se muestra en 2 . Dos sistemas convertidores CC750® idénticos ( 2d y 2e ) se
conectan a la catenaria 2a por medio
de un transformador común de alta
tensión, refrigerado por aceite 2c . Los
dos sistemas convertidores son completamente redundantes: en caso de
que uno de ellos falle, el vehículo
puede seguir funcionando, aunque
con menor potencia.
Disposición de los convertidores de tracción en THURBO GTW, dos unidades CC750® que
proporcionan una potencia total de tracción de 1,1 MW.
2
a
b
c
d
f
g
pantógrafo (catenaria de 15 kV, 16 2/3 Hz)
interruptor principal
transformador
y e unidades convertidoras de
potencia CC750®
devanado de transformador auxiliar para
alimentar la calefacción del tren
inversor de red (entrada de 390 V)
h
i
j
l
m
n
enlace de CC (750 V)
inversor de tracción (480 V / 0 – 170 Hz,
potencia de tracción 750 kVA)
y k motor de tracción asíncrono
alimentación auxiliar trifásica
(50 kVA / 3 x 400 V CA)
cargador de batería (12 kW / 36 V CC)
pulsador de freno
a
b
d
e
l
c
m
n
h
j
k
Sistema de control integrado
Para el hardware de control 3 se eligió un concepto descentralizado que
consta de las siguientes unidades:
Controlador AC 800PEC 3e , sistema
de control de proceso de nivel superior, desarrollado por ABB. Se
puede programar usando MATLAB®/
Simulink® y Real-Time Workshop®.
La tarjeta de interfaz PEBB 3b
(Power Electronics Building Block),
utilizada como dispositivo E/S remoto universal. Esta tarjeta controla
y protege los convertidores IGBT.
Los enlaces con los controladores
de los módulos IGBT son bidireccionales.
Tarjeta Combi E/S 3c : un dispositivo
E/S remoto universal para aplicaciones de tracción de alta velocidad.
Módulos auxiliares 3a 3d , que comprenden fuentes de alimentación y
transductores intermedios de corriente y tensión, así como el control de los dispositivos conmutadores y desconectadores.
Además, el sistema del hardware incluye mediciones de corriente alterna
y tensión continua (muestreo síncrono), protección contra sobrecorrientes
y bloqueo de modulación y disparo.
Para garantizar una gran tolerancia a
Revista ABB 2/2006
f
las interferencias electromagnéticas, la
comunicación entre el controlador AC
800PEC, la tarjeta de interfaz PEBB y
la tarjeta Combi E/S se realiza por fibra óptica. Un enlace óptico adicional
conecta el sistema de control de los
convertidores con el sistema de control del vehículo, de nivel superior,
por medio de un bus CANopen. La
conexión con un ordenador central
dedicado a la programación y supervisión se establece por medio de un enlace Ethernet.
g
i
Panel del hardware de control del convertidor CC750®
3
a
b
c
d
e
módulo auxiliar
tarjeta de interfaz PEBB
tarjeta Combi E/O
módulo auxiliar
AC 800PEC
a
Software de control de AC 800PEC
Los sistemas de control digital de alta
velocidad representan la más avanzada tecnología en electrónica de potencia. Por lo general, para aquellas funciones en las que el tiempo es un factor sumamente crítico, en el rango de
microsegundos y tiempos inferiores,
se usan matrices de puertas programables por el usuario (FPGA, Field-Programmable Gate Array) que utilizan
avanzadas herramientas de programa-
b
c
d
e
27
Laminación y control
Tecnologías de sistemas integrados
ción VHDL (lenguaje de
descripción del hardware
de circuitos integrados de
muy alta velocidad). En el
rango de velocidades intermedias (desde 100 µs hasta
milisegundos), AC 800PEC
proporciona una capa de
software basada en MATLAB®/Simulink® con RealTime Workshop® [2]. Este
entorno permite la programación gráfica de alto
nivel, en el nivel de
abstracción conceptual adecuado para los ingenieros
de control y de sistemas.
Todas las funciones de
Tabla 1
Tareas del software y sus tiempos de ciclo
Control del vehículo
por CANopen
AC 800PEC,
Tarea C
MATLAB®/
Simulink®
con Real-Time
Tarea B
Workshop®
Tarea A
FPGA, VHDL
Tareas (ejemplos)
instrucciones de
velocidad y par motor
máquina de estado,
protección lenta,
controlador de flujo
Tiempo de ciclo
50 ms
1 ms
controladores de
250 µs
corriente, detección
de salto del pantógrafo
controladores muy
50 µs
rápidos de corriente
moduladores,
Rango de ns
protección
muy rápida
Tren de laminación en el sector del metal
En la industria del metal cada día es mayor la exigencia de calidad de los productos y de productividad y flexibilidad
de las instalaciones. La nueva generación de sistemas ABB de automatización de trenes de laminación incluye
una serie de soluciones integradas y
avanzadas que satisfacen las necesidades de los clientes en cuanto a calidad y
rendimiento de sus productos. El uso de
la plataforma de automatización 800xA
de ABB con el potente controlador AC
800PEC hace posible una automatización uniforme en el nivel de fábrica, integrando sin fisuras soluciones avanzadas
en el sistema de control del proceso.
4
Laminador totalmente bajo control
E
n los talleres de laminación en caliente y en frío 4 , la exigencia de
rentabilidad y productividad de la
planta y de mejor calidad del producto no deja de crecer. Al mismo tiempo, el laminador ha de ser flexible para adaptarse a la creciente variedad de
productos. La calidad de la banda metálica y el rendimiento del laminador
dependen de varios factores, como el
diseño mecánico, el equipo eléctrico,
las alimentaciones auxiliares y la estrategia de control. Para conseguir la
calidad de producto deseada es necesario controlar minuciosamente todas
las variables asociadas.
La Tabla 2 proporciona una relación de
los datos básicos de un tren de lami-
codificación, transferencia y
supervisión están integradas en
la plataforma. El ingeniero
queda así liberado del costoso
trabajo de codificación de bajo
nivel, susceptible a los errores.
Los sistemas de control constan generalmente de componentes con diferentes constantes de tiempo. Por consiguiente, el software contiene subtareas que se ejecutan a intervalos diferentes. En el software
de control utilizado para el
CC750® se han implementado
tres ciclos de software que se
ejecutan en tiempos de ciclo
de 1 ms, 250 µs y 50 µs Tabla 1 .
nación en frío. Para poder controlar
una instalación tan grande y compleja
como ésta y satisfacer las altas exigencias de velocidad procesual y de calidad del producto hay que disponer de
un potente controlador que maneje
todas las funciones requeridas, desde
el control binario de bajo nivel hasta
las soluciones de control de avanzada
tecnología. El controlador AC 800PEC
es ideal para satisfacer estos requisitos. Además de la total integración en
la plataforma de automatización
800xA con comunicación por unidades E/S, accionamientos, diversos sistemas de buses de campo y la interfaz
hombre-sistema, sus ventajas residen
en su gran capacidad de programación (basada en IEC 61131-3) y en el
rendimiento alcanzado por la CPU 5 .
La función más exigente de un laminador es el control del espesor. Mantener el grosor de la lámina con una
pequeña tolerancia es uno de los requisitos fundamentales del laminador.
Table 2
Relación de datos básicos de un
laminador en frío
Máxima fuerza del laminador = 30 MN
Máximo peso de cilindros en una
plataforma = 40 toneladas
Máxima aceleración del laminador = 2 m/s2
Máxima velocidad del laminador = 150 km/h
Mínimo grosor de la lámina = 6 µm
Tolerancia de grosor = 0,5 ... 1,0 por ciento
28
Revista ABB 2/2006
Laminación y control
Tecnologías de sistemas integrados
5
Típica configuración del sistema para la aplicación de trenes de laminación
OperateIT y
Servidor MES
Sala de ordenadores
Sala de control central
Planeidad
Espesor
MMS, TCP/IP
DriveBus
...
• Preparación de entrada y bobina, preajustes y registro
• Manipulación de
sección de salida y
rodillo, transporte de
bobina
• Sección de laminador
y cambio de rodillo
de trabajo
• Sistema hidráulico,
lubrificación y aceite
de laminación
6
• Preajuste y
registro
• Control maestro de referencia
• Control de
bobinadora,
accionador de
la laminadora y
rodillo deflector
• Control de
fuerza de
rodillo
• Control de
posición
• Control de
espesor
• Control de
inclinación
• Flexión y
desvío del
rodillo
• Control de
planeidad
que no tienen totalmente en cuenta la
relación existente entre el grosor y la
posición y tensión de los cilindros [3].
Utilizando el potente controlador AC
800PEC y su capacidad para implementar Código C, además del nivel de
programa CEI 61131-3 estándar, se ha
desarrollado una nueva solución de
control de espesores para laminadores
en frío, basada en un concepto de
control MIMO (Multi-Input MultiOutput) de entradas y salidas múltiples. El cliente se beneficia de una
mejora de la desviación del grosor de
hasta el 50 por ciento (dependiendo
del producto).
Una potente solución general
Gracias a los diferentes niveles de
programación de AC 800PEC, este
controlador es idóneo para una gran
variedad de aplicaciones, desde los algoritmos de control rápidos en la
electrónica de grandes corrientes hasta las aplicaciones de control de procesos.
Concepto de control MIMO con adaptación dinámica y on-ine de parámetros
Programa de pasada, ajuste y adaptación
Punto de
ajuste
Objetivos de
control
Armin Eichmann
Parámetros
ABB Switzerland Ltd.
Turgi, Suiza
armin.eichmann@ch.abb.com
Diseño/adaptación del controlador
Modelo de planta on-line
Andreas Vollmer
Parámetros de
controlador
Controlador
MIMO
Estimación
on-line
Perturbación
dinámica FF
ABB Automation GmbH
Mannheim, Alemania
andreas.vollmer@de.abb.com
Laminadora
PID
Desacoplador
dinámico
Bibliografía
[1] Peter Bruderer Stadler Rail Bussnang, Description
of FLIRT train, Railvolution 4/04 pages 58–72
[2] The Mathworks, User Manual Release 12.1, In
particular Matlab, Simulink, Real Time Workshop,
Stateflow, Stateflow Coder
[3] ABB in metals, http://www.abb.com
El criterio de referencia es el estirado3)
profundo de las chapas de aluminio y
acero para la fabricación de latas o
piezas para carrocerías de automóviles. Cuanto más se pueda reducir la
variación del grosor, tanto menor será
el grosor mínimo permisible con el
que puede operar el laminador. Esto
trae consigo mejoras como el menor
consumo de material, la reducción de
peso y menores costes. Para conseguir
Revista ABB 2/2006
un control eficaz del proceso de laminación, los sistemas mecánicos, eléctricos e hidráulicos, la instrumentación
y la estrategia de lubricación y control
han de estar perfectamente armonizados, sin fisura alguna 8 .
Los modernos algoritmos de control
de espesores están compuestos por
bucles individuales de control predictivo. Estos algoritmos son limitados en
cuanto a los espesores posibles, ya
Notas
1)
Más información sobre AC 800PEC, en “Patrones
2)
FLIRT: Siglas de “Flinker Leichter Innovativer Regio-
de diseño”, página 62.
nal Triebzug” o “Fast, Lightweight Innovative Regional Train” (Tren regional innovador, rápido y ligero)
3)
Se denomina estampado al proceso de transformar
la chapa metálica en piezas cilíndricas o en forma
de caja usando un troquel. En el estirado profundo,
la profundidad de la pieza es mayor que su diámetro.
29
Los sistemas integrados
amplían la automatización
El sistema 800xA incorpora numerosas aplicaciones integradas
Kai Hansen, Tomas Lindström, Lars Mårtensson, Hans Thilderkvist
Los usuarios esperan –y exigen– que
los sistemas de automatización tengan
más funciones que nunca. Los componentes de sistema integrados en un
sistema de control hacen posible gran
parte de la funcionalidad requerida.
Soluciones avanzadas de automatización, como el sistema 800xA de automatización ampliada de ABB, precisan
de la integración de numerosas tecnologías para ejecutar la gran cantidad
de funciones de mejora de la productividad que demandan los clientes de
las industrias de procesos de transformación. Dado que hay fábricas que
pueden operar bajo control remoto y
teniendo en cuenta la necesidad imperiosa de mantener operativa la producción las 24 horas del día durante varios años, sin interrupción alguna, los
clientes de las industrias de procesos
de transformación necesitan disponer
de opciones que les permitan un sencillo mantenimiento y reconfiguración
sin interrumpir la producción. Este artículo estudia las tecnologías de sistemas integrados que ayudan al sistema
800xA a satisfacer estas necesidades.
30
Revista ABB 2/2006
Los sistemas integrados amplían la automatización
Tecnologías de sistemas integrados
L
os sistemas integrados son sistemas
informáticos controlados por microprocesadores que forman parte de un
sistema o equipo de mayores dimensiones. Estos sistemas están dedicados a tareas específicas que contribuyen a la
funcionalidad global del sistema. Dependiendo de la naturaleza del sistema y de
su función, un sistema integrado ha de
satisfacer requisitos muy diferentes.
Componentes integrados en el
sistema 800xA
Los componentes integrados que se utilizan con el sistema 800xA permiten
ofrecer muchas soluciones distintas para muchos requisitos diferentes, entre
ellos los siguientes:
Ejecución en tiempo real: A menudo es
vital que una tarea determinada, además de ser calculada correctamente, esté concluida en un tiempo determinado.
El sistema 800xA satisface requisitos
1
desde tiempo real “riguroso”, donde es
fundamental el tiempo exacto, hasta
tiempo real “flexible”, donde el tiempo
de respuesta es menos crítico.
Flexibilidad: Los componentes integrados pueden estar dedicados a una única
tarea predefinida o a varios trabajos
fundamentalmente diferentes. Comparemos, por ejemplo, la diferencia de flexibilidad de un módulo E/S (entrada/salida) con la de un ordenador normal de
sobremesa.
Disponibilidad: Puesto que los distintos
procesos tienen diferentes requisitos de
reserva, el nivel de redundancia de un
sistema ha de ser flexible.
Coste: El coste unitario admisible para
un componente suele estar estrechamente relacionado con la cantidad de
componentes que se necesita. Es importante considerar si el componente se
utilizará miles de veces en una instalación o en un solo caso.
Severidad del entorno: En entornos industriales, los componentes han de estar preparados para resistir al calor, a
las vibraciones y al polvo.
Distribución de inteligencia integrada
Como sistema de automatización ampliada, el sistema 800xA distribuye la
inteligencia y la potencia de cálculo
allí donde es más conveniente 1 . La
distribución puede adoptar la forma de
diferentes tipos de servidores que proporcionan servicios, a los clientes o
entre sí. En el lado de control, la lógica se puede distribuir con varios controladores que intercambian cálculos y
medidas. El proceso previo abarca desde los módulos E/S que filtran y dan
hora a los paquetes de datos, hasta los
sensores y actuadores que ejecutan
funciones avanzadas de proceso previo
y de diagnóstico. Los módulos de comunicación especiales son buses E/S
Vista general simplificada de una planta de transformación basada en el sistema 800xA
Nivel de
cliente/servidor
Clientes remotos
Puestos de trabajo
Servidores del sistema
Red de control
Nivel de control
Automatización
de proceso
Automatización
y seguridad de
proceso
Seguridad
Nivel de dispositivo
S800 E/S
S900 /E/S (Ex)
Accionamientos
de velocidad
variable
Bus de campo de a. v. a
dispositivos de enlace
(FF HSE/HI, PB DP/PA)
MCC
Revista ABB 2/2006
31
Los sistemas integrados amplían la automatización
Tecnologías de sistemas integrados
explorados para datos de entrada y
salida.
En su gran mayoría, los componentes
del sistema se implementan como sistemas integrados, con un diseño optimizado para necesidades específicas:
Los módulos E/S con proceso simple de
señales se pueden implementar totalmente con componentes de hardware,
siendo la lógica ejecutada en parte en
una matriz de puertas programable por
el usuario (FPGA). Los módulos E/S,
sensores y actuadores inteligentes más
complejos se basan en microcontroladores integrados que ofrecen más flexibilidad funcional. Muchos de ellos utilizan algún tipo de sistema operativo en
tiempo real.
Los módulos de comunicación pueden
implementar una pila de protocolos, en
parte en hardware y en parte en firmware, que se ejecuta en la unidad
central de proceso (CPU) integrada. Para dividir el trabajo es posible procesar
mensajes acíclicos con la CPU y manejar mensajes cíclicos con una unidad de
acceso directo a memoria (DMA), y en
ocasiones con un circuito integrado de
2
aplicación específica (ASIC, Application-Specific Integrated Circuit) dedicado a la tarea.
El módulo procesador del AC 800M usa
un sistema operativo comercial en tiempo real y ejecuta una de las aplicaciones integradas más complejas y flexibles. El usuario define por completo
casi todas sus funciones 2 .
Nivel de cliente/servidor
En el nivel de cliente/servidor, varios
sistemas de software se combinan para
incorporar la funcionalidad operacional, por ejemplo presentando a los
operadores valores medidos y el estado
del proceso. Los sistemas también soportan funciones de ingeniería, puesta
en servicio y mantenimiento de todo el
sistema. En este nivel, los servidores y
los ordenadores estándar se basan en
tecnología Windows en lugar de sistemas integrados, pero incluso en este
caso se dispone de soluciones especiales, como redundancia de servidores y
redes para garantizar una alta disponibilidad del sistema.
Puesto de trabajo ampliado 800xA
Nivel de controlador
Los sistemas integrados más avanzados
se encuentran en este nivel, en el que
los componentes han de resistir condiciones duras de vibración y calor. Un
controlador debe tener también una alta
flexibilidad y soportar funciones simples, que abarcan desde el control binario hasta el control PID (proporcional,
integral y diferencial) avanzado. ABB
dispone de una serie de unidades controladoras, la más avanzada de las cuales es el módulo procesador del AC
800M 3 .
Para conseguir la deseada flexibilidad
de opciones de comunicación, el módulo procesador del AC 800M dispone de
varias interfaces diferentes de comunicación 4 :
Dos puertos Ethernet permiten la
comunicación con el nivel de cliente/
servidor y otros controladores.
El bus ModuleBus admite módulos
S800 E/S conectados directamente.
El bus de ampliación de comunicación (CEX, Communication EXpansion) permite conectar otros módulos
de comunicación.
Hay dos puertos RS232 disponibles
para protocolos de comunicación en
serie.
También se dispone de un enlace con
una unidad de control de redundancia (RCU, Redundancy Control Unit).
La eliminación de partes móviles, como
los discos duros y ventiladores, garantiza la fiabilidad de la unidad de control
en condiciones ambientales severas. En
4
3
Controlador AC 800M montado en un
armario de bastidor
Módulo procesador de AC 800M, la unidad central del controlador
Redundancy Control Unit (RCU) Link
Connector
Power supply card
CPU card
Plug-in CPU unit
Serial RS232 ports
Ethernet
DIN-rail Back-plane unit
32
Communication
Expansion (CEX) bus
Revista ABB 2/2006
Los sistemas integrados amplían la automatización
Tecnologías de sistemas integrados
el módulo procesador del AC 800M, el
programa y los datos se almacenan en
memoria Flash PROM (memoria programable sólo de lectura) y RAM (memoria
de acceso aleatorio) y, gracias a la eficiencia energética de la CPU, la unidad
se refrigera únicamente mediante circulación natural de aire. Los problemas de
mantenimiento prohíben el uso de ventiladores mecánicos.
Si el módulo procesador de un sistema
de control se basa en un microcontrolador integrado, se reduce el número de
componentes necesarios, así como los
costes y el consumo de energía. Para la
mayor parte de la lógica interna adicional necesaria se utiliza una matriz de
puertas FPGA. Los puertos Ethernet y
los puertos serie se implementan en el
microcontrolador. Además, varias funciones especiales que podrían haberse
implementado en unidades discretas de
hardware, por ejemplo la interfaz
ModuleBus, el bus CEX y la unidad de
control de redundancia, se implementan
como módulos o bloques funcionales
en la matriz de puertas FPGA. Las capacidades combinadas del procesador y
del sistema operativo en tiempo real
permiten al software ejecutar diversas
tareas para la respuesta en tiempo real
de los bucles de control y la comunicación oportuna con el operador de la
planta.
La tarea principal del módulo procesador, y por tanto una tarea prioritaria, es
la ejecución de la lógica de control del
proceso, consistente en un conjunto de
cálculos que definen en qué momento
se han de abrir y cerrar válvulas, arrancar motores, la velocidad de éstos, etc.,
además de las demás acciones que con-
Comunicación
El sistema 800xA incluye muchas unidades diferentes que se comunican a través de un bus o una red 5 .
El sector de automatización de procesos
utiliza varios estándares para la comunicación entre controladores de procesos
y unidades periféricas, como sistemas
E/S, sensores y actuadores inteligentes
y otros dispositivos de campo. El controlador AC 800M soporta una amplia
gama de estos protocolos, entre ellos
buses normalizados internacionalmente
como PROFIBUS, Foundation Fieldbus
PM865
CI853
SM810
Control
Network
RS232
CI851
RS232
CI854
PROFIBUS DP
CI855
PROFIBUS DP
CI856
MB300
CI857
S100 I/O
INSUM
DriveBus
FF HSE
Revista ABB 2/2006
CI858
Interfaces de comunicación utilizadas con AC 800M
CI860
5
trolan directamente el proceso. Puesto
que el cálculo se basa en datos de entrada y salida, la lógica del proceso de
control depende totalmente de la precisión con que se lean estos datos. El
software del sistema integrado ha de
manejar la lógica de control del proceso
y la lectura E/S de una forma suficientemente flexible, que permita efectuar
cambios lógicos sin perder el control
del proceso de producción en curso.
La alta disponibilidad del AC 800M se
garantiza por medio de unidades redundantes de CPU del controlador. La incorporación de redundancia en sistemas
integrados es una empresa complicada,
ya que requiere un detallado conocimiento de todos los fallos posibles de
un sistema y de las soluciones de redundancia apropiadas para gestionar
cada tipo de fallo. Algunos procesos
son más importantes que otros y por
tanto surgen complicaciones adicionales, pero el AC 800M permite detectar
los fallos críticos e implementar una
CPU completa de reserva en menos de
10 ms.
y HART, que facilitan la comunicación
con diversos componentes del sistema,
como son los sistemas E/S y los sensores y actuadores inteligentes.
Los protocolos de comunicación en serie, como Modbus y otros, que pueden
ser implementados por el usuario en la
lógica de control, constituyen otro grupo de protocolos de comunicaciones
soportados por el AC 800M.
Un tercer grupo de protocolos de comunicaciones soportados por el AC
800M proporciona conectividad para
otros productos específicos, como el
sistema INSUM de control de motores
de ABB, los sistemas avanzados de accionamiento de ABB y los distintos sistemas E/S que usan protocolos de comunicación dedicados.
La mayoría de estas opciones se implementan como módulos dedicados de
comunicación que se conectan al módulo procesador con el bus CEX. Los
módulos de comunicación implementan
los protocolos y el intercambio de los
datos y del estado del proceso, con el
módulo procesador a través de una interfaz de software estandarizada. Los
datos se intercambian por medio de
memoria de doble acceso (Dual Port)
en el módulo de comunicación, al que
accede el módulo procesador a través
del bus CEX.
Los requisitos de ejecución en tiempo
real en un módulo de comunicación
pueden ser muy complejos, en parte
por la gran cantidad de datos que se
han de procesar y en parte porque las
limitaciones de temporización del protocolo pueden ser muy estrictas. Estos
dos problemas justifican el uso de un
módulo dedicado de comunicación con
una CPU local integrada, en lugar de,
simplemente, añadir más componentes
de hardware en el módulo procesador.
En lugar de utilizar un módulo dedicado
adicional en el bus CEX se implementan
algunas opciones de comunicación que
utilizan el bus ModuleBus. Ciertos accionamientos por motor se pueden conectar directamente con este bus, ya
que utilizan el mismo protocolo que el
módulo S800 I/O de entrada/salida.
La comunicación HART para sensores y
actuadores inteligentes se implementa
mediante módulos E/S especiales que,
además de manejar señales normales de
proceso, manejan la señal FSK (modulación por desplazamiento de frecuencia) digital que se superpone a la señal
del proceso.
33
Los sistemas integrados amplían la automatización
Tecnologías de sistemas integrados
Sustitución en directo
6
Comunicación redundante
Algunos módulos de comunicación soportan redundancia. La comunicación
con unidades por medio de PROFIBUS
y Foundation Fieldbus HSE (High Speed
Ethernet), por ejemplo, emplea módulos duales de comunicación para eliminar puntos de fallos individuales entre
el controlador y la unidad externa.
Dispositivos de E/S e instrumentos
El nivel de dispositivos, que incluye las
unidades de E/S e instrumentación, se
encuentra un escalón más abajo, hacia
el proceso. El número de unidades E/S
(por ejemplo, unidades de entrada digital) en una planta es mucho mayor que
el número de controladores. Por consiguiente, el coste de los componentes es
un factor a considerar, además de la razón por la cual en este caso se utilizan
procesadores integrados poco avanzados con más frecuencia que en los controladores. También podría ser preferible una simple planificación de tareas,
en lugar de un sistema operativo completo en tiempo real. Sin embargo, la
respuesta en tiempo real es tan importante en este nivel como en el nivel del
controlador.
34
Los módulos de sistema integrados ofrecen gran flexibilidad
S800 E/S
Para conseguir una alta disponibilidad, los módulos de
comunicación se pueden
intercambiar estando en funcionamiento el controlador.
De este modo, en caso de
avería de un módulo de comunicación es posible sustituirlo por otro de reserva sin
necesidad de reiniciar el controlador ni, por tanto, de interrumpir el proceso de producción. Esta estrategia también facilita
reconfigurar el controlador y, por tanto,
modificar las opciones de comunicación
sin detener el controlador. La lógica de
control y los enlaces de comunicación
no modificados siguen funcionando durante la reconfiguración. La única parte
de la aplicación de control afectada es
la que utiliza datos del módulo de comunicación modificado.
Para apoyar esta función, el software
del sistema integrado que accede a los
módulos de comunicación está capacitado para manejar unidades que sufren
fallos repentinos y responder configurando y reiniciando un módulo en buen
estado.
Es posible que algunas partes del sistema E/S tengan que ser ‘intrínsecamente
seguras’, es decir, adecuadas para entornos peligrosos. Esto se puede conseguir encerrando el equipo en un alojamiento de alto precio o, preferiblemente, utilizando unidades E/S con muy
bajo consumo de energía, de modo que
no se generen chispas eléctricas potencialmente peligrosas. ABB proporciona
una amplia gama de unidades E/S para
diferentes necesidades, entre ellas el
sistema S800 I/O 6 .
El sistema S800 I/O consta de un gran
número de módulos distintos de soluciones de hardware y software con
características específicas propias. Por
ejemplo, el hardware de la entrada/salida de seguridad del S880 se basa en un
microcontrolador integrado y en un módulo FPGA. Como módulo E/S de seguridad emplea una solución dual, en la
que el microcontrolador y la matriz de
puertas FPGA ejecutan un protocolo
esclavo ModuleBus y la lógica para la
entrada y salida de datos y diagnósticos.
Los requisitos de tiempo real en esta
unidad son muy estrictos. Cuando se recibe un mensaje desde el controlador, la
respuesta ha de darse en un plazo de
330 ms. El incumplimiento de este ‘plazo límite’ lleva al controlador a suponer
que la unidad E/S no está funcionando
y a pasar a la siguiente unidad. El módulo de E/S también tiene que gestionar
los datos de configuración y todos los
posibles estados de error.
La gran cantidad de sistemas
integrados que se encuentran
en una planta típica de procesos de transformación ofrece
numerosas soluciones de hardware y software. Organizar estos componentes en un único
sistema unificado es todo un
reto, pero los resultados bien
merecen el esfuerzo. Como
muestra este análisis, muy simplificado, las diferentes exigencias que
han de satisfacer las distintas partes de
un sistema crean elementos heterogéneos dentro de un sistema unificado.
Con el sistema 800xA, ABB ha reunido
componentes óptimos integrados de
hardware y software y los ha combinado para proporcionar un sistema fiable
con todas las funciones avanzadas que
hoy en día necesitan las industrias de
procesos de transformación.
Los mejores equipos y sistemas de la
gama, diseñados conjuntamente con los
usuarios finales, continuarán mejorando
la automatización de la producción y
aumentando la eficiencia. ABB es una
de las compañías líderes mundiales en
la automatización de procesos y por
tanto una buena elección para conseguir dos factores fundamentales para
cualquier sector industrial que quiera
prosperar: la capacidad y la productividad.
Tomas Lindström
ABB Automation Technologies AB
Västerås, Suecia
tomas.lindstrom@se.abb.com
Lars Mårtensson
Fuente de alimentación
Hans Thilderkvist
Otro importante aspecto de todos los
dispositivos integrados en un sistema
de alta disponibilidad es la fuente de
alimentación. Las unidades han de disponer de detección de sobretensiones y
subtensiones. Las fuentes de alimentación redundantes se han de diseñar cuidadosamente para que no constituyan
un punto de fallo individual.
ABB Automation Technologies AB,
Malmö, Suecia
lars.mårtensson@se.abb.com
hans.thilderkvist@se.abb.com
Kai Hansen
ABB Corporate Research, ABB AS
Billingstad, Noruega
kai.hansen@no.abb.com
Revista ABB 2/2006
Control de accionamientos
Inteligencia integrada en productos, para mejorar la gestión y el rendimiento de
sistemas de accionamiento durante toda la vida útil
Maciej Wnek, Michal Orkisz, Jaroslaw Nowak, Stefano Legnani
Los buenos productos son mejores cuando están combinados con amplios programas de
soporte y mantenimiento. Por medio de un contrato de mantenimiento puede conseguirse
un funcionamiento óptimo con costes mínimos durante la vida útil del producto, pero gestionar eficazmente la vida útil exige un seguimiento permanente del historial de los activos,
es decir, del funcionamiento, del desgaste, de los posibles daños y del mantenimiento.
Una atenta supervisión del estado y rendimiento de los activos permite implementar programas de mantenimiento predictivo que reducen notablemente los costes de mantenimiento y el riesgo de que se produzcan fallos. Sin esta información, el funcionamiento se
degrada y los costes de mantenimiento aumentan.
ABB Medium Voltage (MV) Drives ha desarrollado con ABB Corporate Research un nuevo sistema de ayuda para el cliente –Drive Asset Monitor (Drive AM)–, un paquete de software que
permite a un operador supervisar el rendimiento de un sistema de accionamiento de media
tensión, recopilar datos y guardar el historial del accionamiento, todo ello desde un ordenador remoto. El sistema está pasando sus pruebas en las obras del Túnel base del Gotardo, en
Suiza, y ofrece una importante mejora de las herramientas de gestión de la vida útil.
Revista ABB 2/2006
35
Control de accionamientos
Tecnologías de sistemas integrados
L
os sistemas reales de fabricación
constan de una gran variedad de
activos. Algunos son sencillos, incluso
muy simples, mientras que otros son
‘inteligentes’ y tienen capacidad de
autodiagnóstico e incluso de autocorrección. Los activos vitales de gran tamaño
suelen tener sus propios sistemas de
control supervisor, pero todos los activos
que intervienen en una cadena de
proceso son proveedores de información, ya sea directamente, por medio
de sensores internos, o indirectamente,
informando sobre los demás activos de
la cadena. Es necesario supervisar
cuidadosamente todos estos activos.
a considerar es la amplitud del sistema, es decir, si se trata de un activo
concreto (por ejemplo, un accionamiento), o de una línea completa de
producción con gran variedad de activos. El segundo aspecto es la disponibilidad de los datos, desde los disponibles directamente hasta los obtenidos con sistemas específicos de medición que detectan vibraciones, corrientes, corrosión etc. El tercer aspecto es el nivel creciente de conocimiento y funciones de diagnóstico: en
un extremo está un umbral límite simple, en el otro los algoritmos avanzados de predicción del tiempo de vida.
Recopilación y procesamiento rentable
de datos
Para mantener bajos los costes de las
herramientas, los sistemas de mantenimiento deben ser flexibles y adaptables a muchos tipos de activos. Activos del mismo tipo han de ser tratados análogamente, aunque hay que
prestarles atención especial dependiendo de su contexto en el sistema.
Por ejemplo, dos motores eléctricos
podrían ser idénticos, pero si uno
mueve un ventilador secundario mientras que el otro impulsa un ventilador
vital para la extracción de humos, sus
programas de mantenimiento serían
similares, pero el nivel de inversión
tendría que ser adecuado a la importancia de cada uno.
Un sistema eficiente de gestión de la
vida útil requiere herramientas escalables que puedan adaptarse a la naturaleza de un activo, a su valor y a su
estado, así como a la política general
de mantenimiento. El primer aspecto
1
Accionamiento de media tensión, un activo
con gran despliegue tecnológico y una rica
fuente de información
Java/.Net
Si
Cu
Un sistema escalable no equivale a una
combinación de métodos que abordan
diferentes aspectos de la gestión de la
vida útil. Para ser eficiente, una herramienta ha de garantizar una interoperabilidad completa de datos, puntos individuales de entrada de datos y un
sistema unificado de interconexión,
uso y presentación de informes. Se
pueden combinar varios sistemas en
un proyecto de integración de tecnologías de información (TI), pero sólo una
herramienta escalable puede optimizar
auténticamente el mantenimiento.
En resumen, es preciso evaluar cada
activo para determinar el nivel de
inversión adecuado en razón de las
funciones concretas de dicho activo.
Un buen sistema de evaluación del
estado del activo ha de tener las
características siguientes:
ampliable, para adaptarse a objetos
de activos individuales o múltiples
capaz de aplicar reglas de diversa
complejidad a los activos, basadas
en vibraciones, temperaturas, pruebas eléctricas, datos de operación,
estadística e historiales, etc.
capaz de adquirir datos de diversas
fuentes, por ejemplo, de sistemas de
accionamiento y de control,
herramientas de medición de
vibraciones, entradas manuales y
el activo mismo
ABB aplicó este método en el desarrollo de sus conceptos de optimización
de activos (Asset Optimization) y mo-
Assembler
3
2
Drive AM analizando el pulso del sistema
Los principios de diseño de Drive AM
Drive Asset Monitor Unit
Industrial PC
VPN
Router
Firewall
Ethernet
TCP/IP
Optical Fibers
NDBU 95
ACS drivers
1 ........... 5
36
Revista ABB 2/2006
Control de accionamientos
Tecnologías de sistemas integrados
nitores de activos (Asset Monitors).
Drive AM es una parte de esta solución, auténticamente escalable 1 .
Accionamientos ABB, los activos como
‘contenedores de conocimiento’
ABB MV Drives centra su atención en
el diseño y desarrollo de productos,
pero también en la configuración y
optimización de las aplicaciones del
cliente. Un examen más detenido de
una unidad motriz mostrará inmediatamente que la complejidad tecnológica de esta ‘planta de entrega de par
motor’ abarca desde las barras de cobre hasta las tarjetas de circuitos electrónicos. Su software abarca desde el
código ensamblador hasta los últimos
lenguajes de alto nivel. Obtener el
máximo rendimiento posible de un
dispositivo como éste durante toda la
vida útil del mismo exige atención.
Sin embargo, las unidades motrices
como MV Drive de ABB son el resultado del tratamiento de enormes bancos de datos y de información registrada en relación no sólo con el rendimiento del convertidor del accionamiento, sino también con el equipo
gobernado e incluso con todo el proceso posterior de producción. El uso
eficiente de estos datos del accionamiento es el primer paso hacia la gestión de la vida útil, en primer lugar
para el propio convertidor y finalmente para todo el proceso gobernado
por el accionamiento.
4
Gestión eficiente de la vida útil
Inteligente, escalable, seguro
Un planteamiento pragmático de la
gestión de la vida útil debe responder
a las siguientes preguntas:
¿Qué hay que hacer en el activo para mantener el máximo rendimiento
con costes mínimos?
¿Cuándo se debe actuar?
El sistema comprende hardware y
software 2 . El hardware es un PC industrial debidamente interconectado,
que se instala en fábrica en los nuevos y más potentes accionamientos de
media tensión de ABB (también está
disponible como ampliación de los
modelos existentes). El software recopila y analiza automáticamente señales y parámetros seleccionados del
accionamiento. El hardware se basa
en una plataforma de PC industrial
que proporciona la longevidad y accesibilidad remota esperadas. Se utilizan
soluciones de redes privadas virtuales
(VPN, Virtual Private Network) para el
acceso remoto, que garantizan una
alta seguridad.
Lo ideal es que el activo sea suficientemente inteligente para proporcionar
esta información al operador. Alternativamente, la inteligencia se puede integrar como una extensión del activo,
como una inteligencia que utiliza al
máximo el volumen de datos procesados en el accionamiento.
El sistema Drive AM ha sido diseñado
para satisfacer estos requisitos. De un
lado supervisa y analiza continuamente el estado y la operación del accionamiento, soporta análisis RCA de
causas originales (Root-Cause Analysis) y ayuda a seguir caminos de mantenimiento predictivo. Además proporciona una plataforma que ofrece al
cliente unas características únicas de
ampliación que, utilizando señales del
accionamiento, permiten al operador
visualizar el estado completo del eje
junto con indicadores KPI relativos a
la aplicación, etc. Además, los clientes
pueden confiar en la Línea de Asistencia Técnica1) de ABB para consultar a
personal experto, capaz de supervisar
desde lejos situaciones actuales.
Información de soporte ampliado que facilita el análisis de causas originales
Escalabilidad – el mayor problema
La capa de software es sumamente
flexible en cuanto a la configuración
de reglas de diagnóstico, a la gama de
activos con los que se puede utilizar,
a sus funciones de alarma y de presentación de informes y a sus fuentes
de entrada de datos. Al ser compatible
con la serie Asset Monitor de ABB,
Drive AM abre la puerta a toda la
cartera de gestión de activos (Asset
Management) de ABB, con Asset Optimizer y otros monitores de activos como ampliaciones opcionales. Drive
AM se puede integrar fácilmente en
sistemas de automatización usando la
plataforma ABB 800xA, con posibilidad de conectar otros sistemas a través de servidores OPC2). El sistema ha
sido concebido para utilizarlo con un
solo accionamiento y con sistemas de
grandes dimensiones. Su ampliación
ofrece, entre otras ventajas, la posibilidad de realizar mediciones de corrosión y vibraciones, y la disponibilidad
de sensores adicionales de temperatura. Consigue velocidades de muestreo
del orden de milisegundos con planificación anual, acciones y alarmas gobernadas por sucesos y otras características. Los diversos componentes del
sistema se pueden distribuir entre varios ordenadores. Es posible, por
ejemplo, configurar en paralelo varias
unidades de monitorización para cubrir mayores instalaciones y llevar los
Notas:
1)
La línea de asistencia técnica de ABB es uno de los
servicios ofrecidos por MV Drives.
2)
Revista ABB 2/2006
OPC-OLE para control de procesos
37
Control de accionamientos
Tecnologías de sistemas integrados
resultados a un PC situado en una
sala de control central para mayor
comodidad del operador.
Escalabilidad, dimensión del hardware
La configuración del accionamiento de
media tensión puede abarcar una amplia variedad de productos. Dependiendo de la aplicación, la configuración
puede incluir varias unidades rectificadoras e inversoras, todas ellas apropiadas para las funciones supervisoras.
Para adquirir datos de forma rápida y
fiable se pueden configurar varias unidades de monitorización en torno a una
unidad individual que actúa como punto de acceso para la adquisición de
datos. El ordenador central, también en
este caso, puede situarse en una sala de
control. Es posible configurar soluciones de sistemas similares para unidades
de múltiples accionamientos.
Área de aplicación
La función básica del sistema Drive
AM es ‘vigilar’ la parte del convertidor
del sistema de un eje motor 3 . Drive
AM supervisa continuamente el estado
del accionamiento y responde cuando
cambia ese estado. Los cambios en el
estado del accionamiento se pueden
deber a averías (paradas imprevistas
del accionamiento), alarmas (señales
que rebasan valores umbrales), variaciones de parámetros definidos por el
usuario y alarmas específicas de la
aplicación, generadas por Drive AM,
5
de nivel superior. En este modo básico, cuando se produce un suceso, el
software guarda el estado actual e inicia la supervisión a fondo de los subsistemas relevantes del accionamiento
4 . Estos datos son vitales para determinar la causa original de un suceso.
Sin una herramienta como ésta se perdería la información antes de que un
técnico de servicio llegara al lugar, y
algunos sucesos reveladores (por
ejemplo las alarmas de valores umbrales) serían ignorados si no han provocado directamente una avería. La información de conjunto obtenida con
los datos del monitor permitirá eliminar averías e identificar más rápidamente componentes defectuosos, lo
que supone para el cliente más tiempo útil de buen funcionamiento.
Con paquetes adicionales de diagnóstico, Drive AM puede controlar otros
componentes del tren axial como el
interruptor principal, el transformador
y la máquina gobernada. En el máximo
nivel se pueden integrar en el sistema
paquetes especializados, directamente
relacionados con áreas de aplicaciones
específicas (por ejemplo, trenes de laminación, bombas de agua y compresores). Este tipo de ampliación se puede realizar en cualquier momento, dependiendo de las necesidades del
cliente. También es posible incorporar
mediciones adicionales más allá de las
señales del accionamiento. En tales
casos, el sistema Drive AM, que puede
El sistema Drive AM conecta al personal experto con lugares muy lejanos, en este caso,
las obras del Túnel del Gotardo en Suiza.
ya incorporar datos de diversas fuentes, puede alojar varias soluciones disponibles inmediatamente. Las rutinas
de diagnóstico basadas en Drive AM
son valiosas ampliaciones para cualquier programa de gestión de activos
(Asset Management) a nivel de planta,
como solución ABB para la optimización de activos (Asset Optimization).
Integrado en un marco más amplio
La organización Product Support de
ABB garantiza un despliegue eficiente
de las políticas de gestión de la vida
útil para productos y sistemas de accionamiento. Las herramientas como Drive
AM desempeñan un papel central en el
sistema de soporte, pero son parte de
un método integrado de atención al
cliente que realiza funciones básicas de
mantenimiento y de resolución de problemas, de entrega de repuestos y de
optimización del rendimiento.
Conclusiones
Debido a su compleja función en procesos industriales, los accionamientos generan y acceden a grandes cantidades
de datos, los cuales soportan el control
del accionamiento y sirven, además, para el diagnóstico. Si se dispone de datos
no harán falta mediciones adicionales.
La supervisión de accionamientos de
ABB aprovecha esta posibilidad en beneficio de sus clientes. El sistema funciona en versión piloto en varias instalaciones industriales y en las obras del
Túnel del Gotardo 5 , donde se ha instalado un montacargas con un accionamiento ACS6000. El montacargas es fundamental para el progreso del túnel, ya
que eleva el material rocoso desde el
nivel del túnel hasta la superficie por un
pozo de 800 m. Drive AM contribuye a
optimizar el funcionamiento de la máquina y el proceso de mantenimiento.
Maciej Wnek
Michal Orkisz
Jaroslaw Nowak
ABB Corporate Research
Cracovia, Polonia
maciej.wnek@pl.abb.com
michal.orkisz@pl.abb.com
jaroslaw.nowak@pl.abb.com
Stefano Legnani
ABB MV Drives
Turgi, Suiza
stefano.legnani@ch.abb.com
38
Revista ABB 2/2006
Redes de sensores
inalámbricos
Nuevas soluciones de interconexión para la automatización industrial
Niels Aakvaag, Jan-Erik Frey
La visión de sistemas informáticos,
presentes en todas partes, exige un
cambio de modelo para integrar en
nuestro entorno la potencia de cálculo, en lugar de tenerla concentrada en
ordenadores de sobremesa o portátiles. Esta amplia visión del futuro ha
impulsado varios campos de investigación poco definidos, entre ellos las
redes de sensores inalámbricos.
U
n sistema WSN (Wireless Sensor
Network) de sensores inalámbricos
es una red con numerosos dispositivos
distribuidos espacialmente, que utilizan
sensores para controlar diversas condiciones en distintos puntos, entre ellas
la temperatura, el sonido, la vibración,
la presión y movimiento o los contaminantes. Los dispositivos son unidades
autónomas que constan de un microcontrolador, una fuente de energía (casi
siempre una batería), un radiotransceptor y un elemento sensor 1 .
Debido a las limitaciones de la vida
de la batería, los nodos se construyen
teniendo presente la conservación de
la energía, y generalmente pasan
mucho tiempo en modo ‘durmiente’
(sleep) de bajo consumo de potencia.
Los nodos autoorganizan sus redes en
una forma ad hoc, en lugar de tener
una topología de red previamente
programada. Además, WSN tiene capacidad de autorrestauración, es decir,
Revista ABB 2/2006
si se avería un nodo, la red encontrará
nuevas vías para encaminar los paquetes de datos. De esta forma, la red
sobrevivirá en su conjunto, aunque
haya nodos individuales que pierdan
potencia o se destruyan.
Aunque es un tema de investigación
controvertido, este punto de vista,
más bien clásico, de WSN tiene pocas
aplicaciones interesantes. Por ejemplo,
algunos autores especializados en este
campo señalan la detección de incendios forestales como una de las aplicaciones de WSN. Para que la definición de WSN tenga más aplicaciones
en la industria ha de ser más amplia y
menos estricta.
WSN en el mundo de la automatización
industrial
Las aplicaciones industriales divergen
de la definición anterior en varios aspectos. En primer lugar, y esto quizás
sea lo más importante, todos los sen-
sores son vitales para la operación de
la planta. Esto significa que no se
puede admitir la pérdida de un nodo
aunque la red global siga siendo operativa. Un nodo averiado tendrá que
ser sustituido.
En segundo lugar, el tiempo es esencial. Mientras que un paquete de datos en una WSN estándar puede emplear un tiempo indeterminado desde
su origen hasta su destino, una aplicación industrial requerirá frecuentemente límites rigurosos de la máxima
demora permitida.
1
Dispositivo autónomo de una red de
sensores inalámbricos
Sensor
Transmisor/
receptor
de radio
Fuente de
energía
CPU/Memoria
39
Redes de sensores inalámbricos
Tecnologías de sistemas integrados
ción ya de por sí congestionada.
Aunque la definición formal no sea
aplicable directamente en marcos industriales, WSN introduce nuevas técnicas de interconexión que ayudan a
reducir más el coste de instalación de
los sensores inalámbricos. La naturaleza ad hoc de WSN permite un sencillo
ajuste y configuración, tarea que no
debe subestimarse cuando la red es
de considerable tamaño. Para apoyar
la cobertura de sensores inalámbricos
a nivel de planta se ha de minimizar
el trabajo manual de configuración de
la red. Además, la configuración de
tipo ‘plug and produce’ (enchufar y
producir) de la red permite desplegar
redes temporales de sensores para
garantizar el mantenimiento o la localización y corrección de fallos.
Finalmente, y a diferencia de una red
WSN estándar, las soluciones inalámbricas en la industria suelen tener una infraestructura cableada. Los datos emanarán desde los sensores y se propagarán
por la red hasta algún punto de unión
cableado, desde donde generalmente
serán transportados hasta un controlador a través de un bus de alta velocidad.
Además de la clásica topología de red
mallada de WSN, existen dos topologías
comunes en la industria 2 . En la topología de redes en estrella, predominante
hoy en día, los nodos inalámbricos se
comunican con un dispositivo de pasarela (gateway) que hace de puente de
comunicación con una red cableada.
Una solución intermedia emergente y
común de WSN es tener dispositivos encaminadores (routers, con frecuencia alimentados por cables desde la red eléctrica) que comunican con la pasarela.
Los sensores sólo necesitan establecer la
comunicación punto a punto con los
routers y por consiguiente, pueden seguir siendo sencillos y de baja potencia,
al tiempo que se mejora el rango y la
redundancia de la propia red.
Aplicaciones y requisitos
Los requisitos de cualquier solución
WSN siempre dependerán estrechamente de la aplicación concreta. A
continuación se consideran dos casos
específicos de uso: fabricación discreta y monitorización de activos.
Estos dos casos implican requisitos
bajos de potencia, aunque la fuente
de energía real puede variar (almacenamiento de energía en baterías, obtención de energía desde fuentes ambientales, transferencia inalámbrica de
energía como, por ejemplo, por acoplamiento inductivo, etc.). En ambos
casos, la unidad no puede disipar más
que unos pocos milivatios (mW) como
máximo de potencia media.
En la fabricación discreta, el tiempo de
latencia del sistema es vital. Existe un
límite estricto del tiempo máximo de
latencia, por encima del cual el sistema funcionará mal. Este tiempo suele
Ventajas de WSN
La comunicación inalámbrica en aplicaciones industriales tiene muchas ventajas. Además de una mayor fiabilidad, la
ventaja más reconocida es el bajo coste
de instalación. Los emplazamientos industriales suelen ser entornos severos,
con requisitos muy exigentes en cuanto
al tipo y calidad del cableado. Prescindir de los cables significa que las instalaciones son más baratas, sobre todo
cuando se trata de modernizar o actualizar versiones antiguas, un caso en que
puede ser difícil proyectar los cables
adicionales necesarios en una instala2
Topologías comunes de redes de sensores inalámbricos
Retos del desarrollo de sistemas
integrados
S
S
S
S
S
S
S
R
S
R
S
G
S
R
S
S
40
S Sensor
S
S
S
Puerta
S
S
R
S
G
S
G
G
S
S
S
R
R Router
S
ser de algunas decenas de milisegundos. Para la monitorización de activos,
en cambio, el tiempo de latencia es
mucho menos crítico. Esto depende,
como es lógico, del activo que se esté
supervisando, pero es habitual que los
tiempos de actualización sean del orden de minutos o incluso de horas.
La fiabilidad es un tercer parámetro de
interés. Dependiendo de la aplicación
concreta hay varias formas de aumentar
la probabilidad de que un mensaje llegue a su destino. Una forma posible es
aumentar la redundancia, lo que puede
hacerse de varias maneras. El mensaje
se puede transmitir por diferentes caminos (diversidad de espacio), en diferentes frecuencias (diversidad de frecuencias), varias veces en la misma frecuencia (diversidad de tiempos) o, incluso,
se puede enviar utilizando diferentes esquemas de modulación (diversidad de
esquemas de modulación). Este último
es un método complejo que sólo se empleará cuando los requisitos sean extremadamente estrictos y el coste no sea
ningún problema.
El sector de productos para oficina y de
consumo es hoy en día el principal impulsor de las tecnologías inalámbricas,
con aplicaciones de gran volumen en
las que se requiere un tiempo de vida
relativamente corto de los dispositivos.
En cambio, la vida útil de los dispositivos industriales ha de ser mucho más
larga que la de los productos de consumo. Esto significa que hay que prestar
atención muy especial a la integración
de componentes inalámbricos en los
dispositivos industriales. El diseño modular (del hardware y el software) es
esencial, pues permite un mantenimiento eficaz de los dispositivos –hechos con
componentes estándar disponibles en el
mercado– durante toda su vida útil.
Sensor con router
S
S
Un sistema integrado se puede definir
de varias formas. Un buen ejemplo es
[1]: ‘...un sistema informático especializado que forma parte de un sistema o
máquina mayor’. El término definidor
aquí es ‘especializado’. Un sistema integrado tiene un solo propósito y ejecuta
una tarea única. Por consiguiente, la
creación de sistemas dedicados, como
un WSN, tiene sus propios requisitos,
específicos del problema en cuestión.
El diseño del sistema integrado considera tanto los aspectos de hardware como
Revista ABB 2/2006
Redes de sensores inalámbricos
Tecnologías de sistemas integrados
de software. Los dos sistemas
están entrelazados y la solución óptima, si realmente se
puede hallar una, implica la
interacción
entre ellos.
En el protocolo de comunicación se determinan los límites
inferiores del consumo. Algunos protocolos de comunicaEVENT_timer_wake
ción son poco eficientes y ninACTION_power_up_CPU
guna programación integrada
ACTION_power_up_sensor
inteligente ayudará a reducir el
SLEEP
WAIT_FOR_VALUE
Elección de los bloques
consumo hasta un nivel aceptaEVENT_difference_small
funcionales
ble. Otros protocolos se diseACTION_power_down_CPU
Una importante característica
ñan para conseguir un bajo
ACTION_power_down_sensor
de WSN es reducir al mínimo
consumo sin comprometer inel consumo de energía de los
debidamente el rendimiento de
WAIT_FOR_
nodos, proporcionando al
la comunicación. Uno de estos
ACKNOWLEDGE
EVENT_acknowledge_OK
EVENT_difference_large
mismo tiempo el mayor rendiprotocolos de baja potencia es
ACTION_power_down_radio
ACTION_power_down_sensor
miento posible a los usuarios
la plataforma tecnológica de inACTION_power_down_CPU
ACTION_power_up_radio
ACTION_send_value
del sistema.
terconexión inalámbrica para
Diseñar los nodos para un
sensores y actuadores (WISA,
bajo consumo supone elegir
Wireless Interface to Sensors
componentes de baja potencia, algo
and Actuators)1) [2] [3]. El alto renditos necesarios. Ésta es la unidad maesmiento se puede atribuir a dos factores:
que a primera vista puede parecer tritra del sistema y necesita controlar
salto simple y multiplexación por divivial, pero que suele ser más complejo
por completo todos los bloques funciosión en el tiempo (TDM). El primer facde lo que parece. El primer parámetro
nales.
tor evita demoras en los nodos intermea considerar es el consumo de energía
Aspectos del sistema
dios, el segundo garantiza que sólo hade la CPU, el sensor, el radiotranscepCon frecuencia se proporciona el protobrá un nodo en el canal, es decir, que
tor y, posiblemente, de otros elemencolo de comunicación con objeto de utino habrá colisiones. La especificación
tos, como la memoria externa y los
lizar los recursos disponibles dentro de
ZigBee [4], recientemente desarrollada
periféricos durante el modo normal de
los límites especificados y que ningún
con el protocolo subyacente 802.15.4, es
operación. La elección de elementos
elemento esté energizado, si no es imde tipo más general, pero su rendimiende baja potencia implica normalmente
prescindible. El trabajo se reduce a actito de comunicación será menor. Incluye
aceptar compromisos sobre el rendivar y desactivar unidades, como el senmultisalto, lo que implica que un menmiento medio. Por regla general, una
sor, la CPU y el transceptor, con la temsaje puede utilizar varios saltos en las
CPU de baja potencia opera en un ciporización apropiada. Supongamos que
ondas de radio para llegar a su destino.
clo reducido de reloj, con menos caun nodo necesita despertar del modo
Los nodos no tienen asignados intervaracterísticas en el chip que otras unidurmiente a intervalos regulares para
los específicos de tiempo, sino que han
dades homólogas que consumen más
transmitir el valor de su sensor, pero sóde competir para acceder al canal. Esto
energía. La solución está en elegir elelo si el nuevo valor tiene una diferencia
permite el acceso de más usuarios al
mentos con el rendimiento justo para
mínima dada con el último valor. Una
medio inalámbrico, pero introduce inpoder hacer el trabajo.
vez enviado el valor por el canal de
certidumbre en el sistema, ya que la deEs importante que el consumo de
radio, la unidad espera recibir un menmora y el consumo de energía aumenenergía en modo durmiente sea bajo.
saje de confirmación que indica que el
tan cuando un nodo está esperando su
A menudo se puede incluso desconecpaquete ha sido recibido correctamente.
turno. Además, los nodos intermedios
tar por completo la alimentación del
El comportamiento requerido del softdesconocen el momento en que pueden
sensor y del transceptor. Sin embargo,
ware se explica mejor con un diagrama
ser solicitados para encaminar paquetes
la CPU necesitará alguna alimentación
de estados: una representación esquepara otros. Por consiguiente, es aconseen modo durmiente para poder reactimática del estado en que se encuentra
jable disponer de nodos intermedios,
varse. Para el presupuesto de la poel software, de los sucesos que lo llevan
también conocidos como routers, alitencia total es esencial que el consude un estado a otro y de las acciones
mentados desde la red eléctrica (véase
mo en modo durmiente sea bajo.
asociadas a cada transición de estado 3
figura 2 , la topología de la red).
Otro aspecto que también se suele pa.Obsérvese que, en el sistema descrito,
En resumen, el protocolo WISA se adapsar por alto es el tiempo de activación
las unidades se energizan sólo cuando
ta bien a los requisitos de la fabricación
y desactivación de los elementos. Por
es necesario, minimizando así la pérdida
discreta, siempre que se cumpla la conejemplo, el transceptor necesitará un
de energía.
dición de salto simple. Por el contrario,
cierto tiempo mínimo hasta que se
ZigBee resulta ideal para aplicaciones
estabilicen sus osciladores. Durante la
Aspectos del protocolo
de monitorización de activos, suponienespera, tanto el transceptor como la
Además de utilizar componentes electródo que los nodos routers están conectaCPU consumen energía, consumo que
nicos de baja potencia y un programa
dos por cable a la red eléctrica.
es necesario minimizar. Lo mismo
inteligente de durmiente/reactivación, el
Los diferentes métodos de hardware y softocurre, como es lógico, al energizar la
protocolo de comunicación tiene una
ware influyen directamente en el consumo
CPU y el sensor.
gran influencia sobre el consumo final
de energía de los dispositivos 4 . Hasta
Finalmente, es preciso garantizar el
ahora no se han cuantificado los diversos
de energía del sistema.
control por la CPU de todos los elemenRevista ABB 2/2006
3
Sucesos y acciones que provocan la transición del software de un
estado a otro
41
Redes de sensores inalámbricos
Tecnologías de sistemas integrados
efectos, pero esto dependerá de que
se desarrolle la red WSN específica.
Modularidad
El diseño modular es necesario con
objeto de poder reutilizar los elementos. Sin embargo, la modularidad conlleva limitaciones de diseño y se ha
de tener cuidado para garantizar que
las interfaces entre módulos, hardware
y software sean suficientemente generales para permitir la portabilidad.
Un ejemplo clásico de la separación de
módulos es la división entre el protocolo de comunicación y el software de
aplicación. Este último es escrito invariablemente por ABB, mientras que el
protocolo se suele adquirir a otra empresa. Integrar estos dos componentes
en el mismo microcontrolador puede
ser difícil. Aún más complejo es manejar versiones nuevas, tratamientos de
errores y documentación cuando el
software que se ejecuta en el mismo
procesador tiene varias fuentes. También es alto el riesgo de suboptimización, es decir, los dos módulos de software están optimizados individualmente (con respecto a potencia, rendimiento, tamaño de código, etc.), pero esto
no proporciona necesariamente una solución globalmente óptima.
La modularidad se puede conseguir
también a un nivel inferior. El protocolo de comunicación puede considerarse formado por varios bloques, conocidos como capas OSI (Open Stan-
dards Interface). Dado un procedimiento correcto de diseño, cabe la
posibilidad de cambiar una capa individual por otra de una fuente diferente. Como es obvio, cuanto más dividido esté el código tanto más modular
resulta. Al mismo tiempo aumenta la
‘suboptimización’, de modo que la solución dista de ser perfecta.
Normalización
Actualmente hay varias iniciativas en
curso que buscan normalizar WSN para el uso industrial. Una de las más
conocidas es la norma ZigBee, que es
una especificación inalámbrica de baja
potencia, bajo coste y baja velocidad
de transferencia de datos, destinada a
electrodomésticos, juguetes, aplicaciones industriales y otras similares. ZigBee Alliance ha empezado a trabajar
hace poco en un perfil para la monitorización de plantas industriales.
Otra importante iniciativa, la especificación inalámbrica HART [6], tiene como
objetivo extender este famoso estándar
al dominio inalámbrico y abrir el mercado al gran número de usuarios HART.
Esta iniciativa especificará perfiles y casos prácticos en los que se podrá aplicar
directamente el control inalámbrico.
La tercera iniciativa en marcha es la norma ISA-SP100 [6]. En vez de normalizar
todos los elementos del sistema, ISASP100 especifica sólo los niveles superiores de la pila, con varias implementaciones posibles a nivel inferior.
Estando en los comienzos del proceso
es difícil predecir cuál de estas iniciativas prevalecerá. Los clientes finales serán los que decidan en su día basándose
en el rendimiento y la disponibilidad de
los productos. El reto actual es adoptar
óptimamente la norma dominante, es
decir, utilizar la norma en la mayor medida posible, satisfaciendo al mismo
tiempo los requisitos críticos de la misión y manteniendo/actualizando eficazmente la implementación.
La llegada de las redes de sensores inalámbricos conlleva la introducción de
muchas y apasionantes tecnologías nuevas en el mundo de la automatización
industrial. El desafío tecnológico fundamental es mantener en un mínimo el
consumo de energía de los nodos sensores, proporcionando al mismo tiempo
el mayor rendimiento posible a los
usuarios del sistema. El segundo reto es
crear un diseño modular del sistema
que permita el mantenimiento de los
dispositivos durante toda su vida útil,
satisfaciendo asimismo todos los requisitos de aplicación críticos de la misión.
Niels Aakvaag
ABB Corporate Research
Noruega
niels.aakvaag@no.abb.com
Jan-Erik Frey
ABB Automation Technologies
Västerås, Sweden
4
Métodos de hardware y software que influyen directamente en el consumo de energía de los dispositivos
Arquitectura de software
jan-erik.frey@se.ab.com
Bibliografia
Protocolo de comunicación
[1] Webopedia, http://www.webopedia.com/TERME/
Mecanismo de sincronización (registrado, ranuras de tiempo fijo), esquema
de modulación, transmisión técnica RF, etc.
embedded_system.html
[2] Jan-Erik Frey, Andreas Kreitz, Guntram Scheible;
“Desenchufado pero conectado, Parte 1: Redefi-
Tamaño de empaquetamiento de datos (dimensión
de carga útil, tamaño de colector, CRC, etc)
Acceso a medios sin
limitaciones (p.ej. TDMA)
nición de lo inalámbrico”, Revista ABB 3/2005.
[3] Jan-Erik Frey, Jan Endresen, Andreas Kreitz, Guntram Scheible; “Desenchufado pero conectado,
Acceso a medios basado en limitaciones (p.ej. CDMA)
Parte 2: Sensores y ejecutores inalámbricos en sistemas de control industrial”, Revista ABB 4/2005.
[4] ZigBee Alliance, http://www.zigbee.org
Monosalto
Multisalto
[5] HART Communication Foundation,
http://www.hartcomm.org
[6] ISA-SP100, http://www.isa.org
Parada de componentes durante el funcionamiento en vacío
Tiempo de parada / arranque
Consumo de energía en funcionamiento normal
Consumo de energía
en estado durmiente
Controlable
por medio
de la CPU
Nota:
1)
WISA es un protocolo de ABB basado en hardware
estándar de bajo coste (transmisores de radio de 2,4
GHz), pero mejorado por medio de un protocolo que
Componentes de Hardware
dirige específicamente la automatización de planta,
en tiempo real, en el nivel de dispositivo de campo.
42
Revista ABB 2/2006
Ethernet de alto
rendimiento
ABB amplía su gama de dispositivos compatibles con Ethernet
Kai Hansen
Los sistemas de control industrial comprenden gran número de diferentes
dispositivos integrados (por ejemplo, sensores, actuadores y controladores) y varios ordenadores que trabajan juntos para controlar un sistema
físico. Estos sistemas pueden controlar una enorme variedad de instalaciones, como plantas de proceso, sistemas de generación y distribución eléctrica, fábricas de automóviles y sistemas de aire acondicionado para centros comerciales. ABB suministra sistemas de control
y un enorme número de dispositivos integrados diseñados especialmente para estas aplicaciones. Aunque algunas aplicaciones
sólo requieren un control de bajo nivel tecnológico, basado en
componentes individuales que funcionan aisladamente, cada
vez son más los clientes que demandan dispositivos que puedan comunicarse entre sí, intercambiando información y proporcionando datos y actualizaciones de estado a los operadores cuando éstos los soliciten.
Los dispositivos de ABB se caracterizan por incluir buenas soluciones de comunicación, así como por su facilidad de uso y su
fiabilidad. Los clientes pueden elegir su dispositivo en función de
las necesidades de su sistema y dar por supuesto que disfrutarán
de comunicaciones con la calidad y eficiencia propias de ABB.
Dado que el mercado evoluciona hacia un mayor uso de Ethernet
para atender sus necesidades de comunicaciones, ABB está ampliando su gama de dispositivos compatibles con Ethernet.
E
l uso de Ethernet en plantas industriales se está extendiendo, entre
otras razones, por su buena relación
prestaciones/coste y por su capacidad
para soportar el uso de tecnologías de
fibra óptica, cables eléctricos y comunicaciones inalámbricas en un único sistema. Otra ventaja de Ethernet es que las
tecnologías TCP/IP (transmission protocolo de control / protocolo de Internet)
Revista ABB 2/2006
asociadas a Ethernet proporcionan una
infraestructura de red que se puede gestionar de forma unitaria. Esto racionaliza
el despliegue y mantenimiento de la infraestructura y consigue importantes
ahorros en la formación y en el suministro de repuestos.
Las necesidades de comunicación en el
mundo de las oficinas no coinciden
con las de la industria; también son
distintas las necesidades de los dispositivos integrados en diferentes aplicaciones industriales. Un requisito típico
del mundo de la industria es la respuesta de control en tiempo real. Si las
soluciones de comunicación afectan a
un bucle de control, el tiempo de respuesta es vital. El retardo admisible en
el tiempo de respuesta está determinado por las leyes físicas o químicas que
43
Ethernet, alto rendimiento
Tecnologías de sistemas integrados
rigen el proceso objeto de control. Por
ejemplo, en el control de corrientes
alternas de alta tensión, los retardos
admisibles podrían ser de sólo algunos
milisegundos; en el control de movimientos mecánicos, la tolerancia podría ser inferior a un milisegundo. En
el caso de reacciones químicas, que
suelen ser mucho más lentas, podría
ser aceptable un retardo de un segundo en la acción del actuador, aunque,
no obstante, es necesario satisfacer
plazos de tiempo estrictos, ya que una
reacción química, una vez iniciada, no
se detendrá. Las soluciones de comunicación han de responder a esta variedad requisitos, sea con una única solución o combinando varias tecnologías.
Rendimiento y fiabilidad
El rendimiento y la fiabilidad de un sistema de comunicación también son
factores fundamentales al elegir una
solución para las comunicaciones. También en este caso las distintas aplicaciones tienen requisitos diferentes. Las demandas de rendimiento pueden influir
en la capacidad de operación en tiempo real de un sistema, ya que la aplicación de grandes cargas puede destruir
las respuestas en tiempo real. El elemento físico de una solución de comunicaciones define las opciones básicas
de diseño. Ethernet sobre cables de
cobre y fibras ópticas constituye un
sistema muy eficiente, con muy poco
ruido y escasas pérdidas debidas al
mismo. La comunicación inalámbrica es
menos fiable y con ella se puede perder un número importante de paquetes
de datos. El software del protocolo
garantizará el reenvío de los paquetes
perdidos, pero a costa de pérdida de
rendimiento y de respuestas en tiempo
real. Por otro lado, si el cable o la fibra
resultan seriamente dañados por alguna
razón, ningún programa conseguirá comunicar el mensaje. La única solución
a este problema consiste en crear redundancia física en las interfaces de
comunicación en forma de un segundo
o tercer cable o fibra. Sin embargo, la
introducción de redundancia puede
complicar la interfaz del usuario.
Durante los últimos años, el mercado de
la automatización ha convenido en utilizar Fieldbus para la conexión de equipos de proceso y de Ethernet para la conexión de terminales, servidores y controladores. La tendencia actual es extender el uso de Ethernet más allá de los
44
controladores, trasladándolo más cerca
del campo y reforzando los requisitos de
tiempo real, fiabilidad y seguridad. Esto
exige disponer de buenas soluciones
integradas compatibles con Ethernet y
de protocolos normalizados para la
comunicación de datos sobre Ethernet.
Actualmente se utilizan varios protocolos, siendo los más prometedores FF
HSE, PROFINET, EtherNet/IP, Modbus
TCP y algunas soluciones especiales proyectadas para el control de movimientos.
El límite teórico del caudal de datos con
cables y fibras Ethernet no es un problema serio en la mayoría de las aplicaciones de automatización. Sin embargo, la
capacidad de las unidades centrales de
proceso (CPU) de los dispositivos integrados puede originar un cuello de botella en el flujo de comunicación en la
red, por lo que se ha de prestar gran
atención a este problema. La eficiencia
de la implementación de pilas de almacenamiento temporal de datos en un
dispositivo integrado es el problema
concreto más importante para el rendimiento. Si el factor limitador es la capacidad del procesador para analizar sintácticamente un protocolo, un aumento
de capacidad de una CPU muy pequeña
en un dispositivo próximo al nivel de
campo, pasando de un sistema Ethernet
de 10 Mbits/s a un sistema Ethernet de 1
Gbit/s, podría no aumentar el rendimiento. Sin embargo, para tal dispositivo suele bastar un ancho de banda de
10 Mbits/s. Para proporcionar la eficiencia requerida en la traslación de pilas,
algunos de los protocolos estándar
usuales con Ethernet en aplicaciones de
oficina han de modificarse o utilizarse
conjuntamente con otros protocolos.
Una comparativa del retardo medido
en el tráfico UDP/IP en los sistemas
operativos Windows XP, funcionando
sobre un procesador Pentium a 2,5
GHz 1 muestra que, incluso con un
procesador tan rápido, la mayor parte
del tiempo se emplea en manejar el
mensaje en el procesador. Con un sistema Ethernet de 1 Gbit/s, el retardo
de la red es sin duda muy pequeño.
simultáneamente), se perdieran ambos
paquetes de datos y cada dispositivo
intentara su reenvío después de un
tiempo de espera cuasi aleatorio. Si se
producían varias de estas colisiones
consecutivamente, entonces la demora
era importante y difícil de predecir. Los
nuevos sistemas Ethernet, sin embargo,
se basan en tecnología de conmutación
full-duplex, en la que no se producen
tales colisiones. Cada dispositivo tiene
una línea física dedicada a un conmutador y los conmutadores almacenarán y
enviarán todos los paquetes de datos.
Si el puerto de conexión está operando
con el siguiente conmutador o dispositivo, el conmutador pondrá el paquete en
una cola de espera y lo enviará cuando
esté disponible el puerto. Esta tecnología proporciona respuestas en tiempo
real adecuadas para la inmensa mayoría
de las aplicaciones industriales. Para
aplicaciones más exigentes, como el
Requisitos de tiempo real
Los requisitos de tiempo real suponen
un problema particular para sistemas
Ethernet “anticuados” que se basan en
cables coaxiales o hubs. Tales sistemas
disponían de detección de colisiones
para que, si dos dispositivos intentaban
enviar datos simultáneamente (o casi
Revista ABB 2/2006
Ethernet, alto rendimiento
Tecnologías de sistemas integrados
control de movimientos, es
les ‘grises’. Este puede ser el
1 Comparativa del retardo medido en el tráfico UDP/IP en los sistemas
posible modificar el protocolo
caso, por ejemplo, de TCP/IP
operativos Windows XP y Linux, funcionando sobre un procesador
de bajo nivel Ethernet para
con una capa superior, especíPentium a 2,5 GHz [1]
producir un sistema de slots
fica de proceso 3 , creando una
Avance de la cola
Retardo de red (mínimo teórico)
nueva capa en el protocolo de
(franjas) de tiempo altamente
Esperas provocadas por la interrupción
comunicaciones. Esta “capa de
determinista. Esto se puede
seguridad” tiene una implemenconseguir usando las tecnolotación de muy alta calidad y es
gías PROFINET IRT, EtherCAT,
125 μs
Windows XP 100 Mbps
capaz de descubrir todos los
Ethernet POWERLINK y SER106 μs
Windows XP 1 Gbps
errores relevantes que puedan
COS III.
0
25
50
75
100
125
ocurrir en el canal gris. Para
Como alternativa, los riguroμs
PROFINET, esta capa de segurisos requisitos de tiempo real
dad es la capa PROFIsafe, y papara el control de movimiennicaciones. Los niveles de seguridad SIL
ra EtherNet/IP la capa CIP.
tos se pueden satisfacer sincronizando
2 y SIL 3 suelen ser necesarios en planrelojes locales 2 . Para ello se utilizan
Implementación
paquetes Ethernet normales, aunque
tas químicas, petroquímicas e instalacioUna tarjeta Ethernet estándar resulta
se producen algunos problemas de
nes petrolíferas marinas, así como en inadecuada para algunos productos,
implementación. Un nodo, designado
dustrias mecanizadas.
pero en los dispositivos ABB Ethernet
como maestro de tiempos (“time masLos sistemas Ethernet pueden certificarsuele estar integrado en un hardware
ter”), proporciona información de
se también en cuanto a seguridad. Dado
diseñado especialmente. Procesadores
temporización a los demás nodos, que
que sería poco práctico imponer el escompatibles con Ethernet, que pueden
utilizan dicha información para activar
tándar de seguridad CEI 61508 en todo
ser necesarios para trabajar a determirelojes locales. Los estándares domiel software y hardware utilizado en un
nadas temperaturas, o en otras condinantes para la sincronización son NTP
sistema Ethernet, la certificación de seciones especiales, pueden obtenerse
(Network Time Protocol), SNTP (Simguridad depende del concepto de canade varios proveedores, por ejemplo,
ple Network Time Protocol) y PTP
PowerPCs de Motorola o IBM, proce(Precise Time Protocol, IEEE 1588).
2 Los rigurosos requisitos de tiempo real para
sadores ColdFire, o chips basados en
Varios productos ABB soportan estos
el control de movimientos se pueden satisfaARM. Los requisitos funcionales deterestándares. Por ejemplo, el controlacer sincronizando relojes locales.
minarán el procesador a elegir entre
dor DCS industrial AC800M soporta
las muchas variaciones disponibles,
SNTP y el robot PicMaster soporta
Controlador
con diferentes niveles de soporte de
IEEE 1588. La fuente principal de imRecepción de valores del sensor con
comunicación. Actualmente se están
precisiones en la sincronización de
marcas de tiempo local
comercializando chips especiales que
tiempos es la fluctuación en la ejecusoportan las variantes especiales de
ción del software que marca el tiempo
Ethernet
control de movimiento de Ethernet.
de llegada de un telegrama Ethernet al
Sensor 1
Sensor 2
Están formados por un ASIC, generalnodo. Es importante que el marcado
mente con una CPU ARM interna, o
de tiempos sea lo más rápido posible.
por un FPGA para manejar los protoEsto debe ocurrir en la primera rutina
Reloj local
Reloj local
colos Ethernet de nivel inferior.
de interrupción para Ethernet, o incluElemento
Elemento
so antes, es decir, en el hardware, ande sensor
de sensor
El futuro
tes de que arranque el sistema operatiEthernet es una tendencia emergente
vo de las unidades integradas. Una
de gran importancia para el mercado
correcta implementación del software
industrial. Ya se dispone de diversos
puede ganar algunos microsegundos
3 Capas de un protocolo típico de
productos ABB que soportan Ethernet
en este proceso, mientras que una
comunicaciones
pero, dada su creciente importancia,
solución con hardware podría llevar la
ABB desarrollará más productos inteexactitud hasta 100 nanosegundos.
Aplicación de
Aplicación de
grados que soporten este sistema de
seguridad
seguridad
Seguridad
comunicaciones de alto rendimiento.
Capa de
Capa de
Cuando el sistema objeto de control es
seguridad
seguridad
potencialmente un peligro para la salud
Capa de
Capa de
Kai Hansen
humana o para el medio ambiente, las
proceso
proceso
ABB AS
autoridades exigen pruebas de que el
Capa TCP
Capa TCP
Billingstad, Noruega
sistema dispone de un equipo adecuado
Canal
Capa IP
Capa IP
gris
kai.hansen@no.abb.com
de seguridad y emergencia. Estos sistemas de control de seguridad han de
Capa física
Capa física
cumplir normas internacionales, como
Bibliografia
CEI 61508, que se basa en categorías de
[1] G. Prytz, S. Johannessen. “Real-time PerformanEthernet por cable/fibra
nivel integrado de seguridad SIL (Safety
ce Measurements using UDP on Windows and LiIntegrated Level) para equipos y comunux”, ETFA 2005.
Revista ABB 2/2006
45
Buses de campo para accionamientos
Comunicación con bus de campo integrado
Ilpo Ruohonen
Con frecuencia, la tecnología de interconexión de accionamientos con controladores se integra directamente en el accionamiento. De este modo, el cliente
se beneficia de una fabricación más flexible, de un cableado más sencillo, de
más fiabilidad y de menores costes totales de instalación.
Aunque los buses de campo existen desde hace más de una década, durante
los últimos años se ha prestado una gran atención a la aplicación de esta
tecnología para accionamientos. Uno de los obstáculos para la rápida adopción de la tecnología de buses de campo ha sido la falta de estandarización.
En los primeros tiempos, muchas compañías ofrecían soluciones privadas
poco flexibles. Muchos clientes expresaron la necesidad de un bus de campo
estandarizado, dada la poca flexibilidad de estas soluciones. Se crearon varias
alianzas, que competían entre sí, para desarrollar un bus de campo abierto con
posibilidades de convertirse en norma. El resultado es que hoy día existe una
gran cantidad de estándares de buses de campo abiertos.
Algunos fabricantes como ABB han hecho importantes inversiones en esta
tecnología. ABB utiliza en este contexto el concepto de conectividad universal.
Para entender lo que significa este concepto, debemos examinar con cierto
detalle la tecnología de buses de campo.
46
U
n bus de campo es un sistema full
dúplex1) digital de transmisión de
datos, que conecta dispositivos de campo y sistemas de automatización inteligentes con la red de una planta industrial. Un bus de campo sustituye al sistema de control E/S convencional por
cable. También difiere de las conexiones punto a punto, que sólo permiten
el intercambio de datos entre dos dispositivos participantes.
Un bus de campo transfiere información secuencialmente, por lo que a menudo se le denomina sistema de comunicación en serie. Para garantizar que
dos dispositivos puedan comunicarse
sobre un enlace serie es preciso adoptar un protocolo que defina el significado de cada bit en un flujo de datos.
Para facilitar la descripción de un protocolo de comunicaciones en serie, los
ingenieros suelen referirse a un modelo
OSI que identifica siete capas 1 . El
conjunto de todas las capas se conoce
como pila de comunicación. Cada capa
Revista ABB 2/2006
Buses de campo para accionamientos
Tecnologías de sistemas integrados
de la pila define un conjunto
nentes de uso común. Otra
1 Capas del modelo OSI y sus lugares en la pila del protocolo
de funciones.
ventaja es que hace posible
En vez de estandarizar la pila
una arquitectura de red escalaProfiNet
Modbus/TCP
completa de comunicación,
ble, lo que facilita a los cliense definen estándares para
tes beneficiarse de los futuros
Application
Fieldbus HSE
EtherNet/IP
cada capa de la pila o incluso
avances técnicos, en contraste
Presentation
para una función concreta de
con las redes privadas. AdeSession
una capa. Así se explica en
más, mucha gente está familiaTransport
TCP/UDP
parte la gran variedad de prorizada con la tecnología de InTCP/IP
tocolos de buses de campo
ternet, de manera que se reduNetwork
IP
disponibles actualmente.
cirán los costes de formación y
Data Link
IEEE 802.1
Ethernet
Las capas inferiores de la pila,
la duración del desarrollo.
Physical
IEEE 802.3
la capa física y la capa de enEthernet industrial es un desalace de datos están determirrollo relativamente nuevo, penadas por el hardware. Las
ro está siendo adoptado muy
campo para control remoto. Esta tencapas superiores se implementan simrápidamente y es de esperar que, muy
dencia está impulsada por el coste deplemente utilizando el software. Esta
pronto, los buses de campo basados en
creciente del control del bus de campo,
distinción ayuda a explicar cómo se
Ethernet industrial dominarán el mercaasí como por la tendencia hacia una
puede conseguir la conectividad univerdo. Ésta es una buena noticia para los
mayor automatización.
sal y también la dependencia de este
clientes, ya que mejorará la flexibilidad
La segunda tendencia es la expansión
concepto de los últimos avances lograde su fabricación.
de la tecnología Ethernet industrial. Esdos en control integrado.
¿Adónde nos llevan estos avances?
ta tecnología es relativamente nueva,
Conectividad universal
Para ABB Drives, Ethernet industrial es
pero promete grandes avances en las
En ausencia de un estándar internaciootro importante paso hacia la visión de
comunicaciones industriales. Ethernet
nal único para el hardware de un proconectividad universal de nuestra comse aplica a las dos capas inferiores de la
tocolo, los fabricantes han estandarizapañía.
pila de protocolos, según se muestra en
do la interfaz para sus propios equipos
Los envíos de Ethernet industrial han
la figura 1.
y han desarrollado adaptadores para los
ido creciendo a un ritmo del 60 por
La mayor parte de las funciones de un
distintos protocolos que se conectan a
ciento anual, que sigue manteniéndose.
bus de campo se definen en la capa de
esta interfaz. Debido al permanente
Dado el extendido uso de Ethernet en
aplicación de la pila de protocolos, peproceso de miniaturización, estos adapredes de oficinas, las plantas y fábricas
ro las capas inferiores son importantes
tadores se han hecho más pequeños y
disfrutarán de la alta velocidad, bajo
para la ejecución. En muchos sistemas,
baratos, y ahora están disponibles como
coste, amplia disponibilidad y compatilos bucles de control cerrados por el
opciones que se incorporan directamenbilidad con las redes de oficina que les
bus de campo tienen que ser rápidos y
te en el accionamiento. Se ha produciofrece este sistema.
permitir respuestas sincronizadas de los
do una cierta estandarización del hardLa introducción de tecnología Internet
dispositivos, por ejemplo en el campo
ware, lo que significa que se pueden
en los accionamientos hará posibles
de automatización de la fabricación. En
implementar diferentes protocolos en la
muchas nuevas aplicaciones. Una vez
el pasado, este comportamiento se mamisma solución de hardware.
asignada una dirección IP al accionaterializaba implementando una capa fíLos últimos desarrollos del control intemiento se podrán ejecutar muchas funsica con comportamiento determinista.
grado hacen ahora posible implementar
ciones a distancia. El diagnóstico tamEthernet no es determinista en princilas capas superiores de la pila de protobién se perfeccionará. Esto es una conpio, pero hoy es posible implementar
colos simplemente descargando diferendición previa para conseguir nuevas
un protocolo Ethernet con velocidades
te software en el dispositivo de campo.
mejoras en el mantenimiento preventivo
de transmisión de hasta 1.000 Mbit/s.
Esta combinación de pequeños adaptay aumentar, por consiguiente, la dispoEsta velocidad es tan alta que, para la
dores y software transferible facilita a
nibilidad de los equipos de planta.
mayoría de las aplicaciones prácticas,
los clientes conseguir un accionamiento
los bucles de control que pueden imfácilmente integrable en su sistema.
plementarse se comportan de manera
ABB soporta una gran variedad de prodeterminista.
tocolos de buses de campo, lo que perSobre la capa física y la capa de enlace
Ilpo Ruohonen
mite al cliente elegir un accionamiento
de datos se pueden ejecutar los protoABB Oy
con independencia del sistema de autocolos TCP/IP que conocemos de InterHelsinki, Finland
matización.
net. El resultado es un bus de campo
ilpo.ruohonn@fi.abb.com
compatible con los buses de control
Tendencias de la tecnología de buses
usuales en los niveles más altos de la
de campo
arquitectura de control.
Notas
La primera tendencia constatable es el
La ventaja más evidente de Ethernet es
1)
Un canal semidúplex es un canal que puede transferir
uso creciente de los buses de campo.
que se basa en un estándar abierto. Esinformación en ambos sentidos, pero no al mismo
Hoy en día, cerca del 40 por ciento de
to permitirá crear una arquitectura de
tiempo. Un canal full dúplex puede transmitir información simultáneamente en ambos sentidos.
los accionamientos usan un bus de
red estandarizada empleando compoRevista ABB 2/2006
47
Medicina de motores
Control y protección permanente de la salud de los motores
Rajesh Tiwari
Un motor no tiene por qué ser una isla. Antes se consideraba que los motores eléctricos estaban conectados cuando las barras colectoras y el eje motor estaban acoplados correctamente,
pero la conectividad de las redes se está haciendo cada día más importante. Las redes de comunicaciones permiten utilizar avanzadas funciones de control, coordinación y diagnóstico, así
como de planificación del mantenimiento. Basado en los avances de la tecnología de buses de
campo y en la inteligencia integrada, el centro de control de motores MNS i S, desarrollado por
ABB, es una nueva generación avanzada para aplicaciones MCC de baja tensión.
E
l control inteligente de motores
(IMCS) es una tecnología madura
y bien aceptada en los modernos entornos industriales. La tecnología de
bus de campo, aparecida hace más de
10 años, ha conseguido que el usuario
confíe en la aparamenta inteligente.
La robustez de sus comunicaciones y
la idoneidad de su tiempo de respuesta han demostrado la fiabilidad de
esta tecnología para las aplicaciones
en tiempo real. Además, el empeño
por reducir costes durante la vida de
los equipos ha impulsado una plataforma de ingeniería flexible con puesta en servicio más rápida, más información, mejor diagnóstico y mantenimiento predictivo y con una localización y corrección de fallos más sencilla, con la consiguiente reducción de
los tiempos improductivos.
La tecnología IMCS está pasando, sin embargo, por otro
cambio fundamental. Los
clientes buscan conseguir
más productividad aumentando el tiempo de buen
funcionamiento general de la
planta y mejorando la coordinación de las operaciones
y del mantenimiento. Para
conseguir esto es fundamental que el personal interesado disponga de la información adecuada en el momento oportuno. Esto no sería
posible sin una buena
48
Tabla
conectividad integrada. La arquitectura
de los sistemas y las configuraciones
de comunicación se están adaptando
para satisfacer mejor esta demanda
Tabla .
ABB se anticipó a su época al identificar esta tendencia y responder a ella
con su aparato de conmutación MNS i S.
Un aspecto muy importante de esta innovación es que la implementación de
ABB ofrece un sistema escalable, es decir, el cliente puede añadir, modificar o
perfeccionar las configuraciones de su
sistema en cualquier etapa del proyecto.
BUS interno de aparato de conmutación:
comunicación robusta y en tiempo real
La comunicación de la aparamenta MNS
i S se basa en la red Ethernet, aunque es
determinista y en tiempo real. La capacidad de Ethernet en cuanto a velocidad,
robustez de funcionamiento, sencillez
de configuración de la red y posibilidades de comunicación simultánea con
varios arrancadores se explota al máximo en MNS i S. La falta de determinismo
de Ethernet se evitó con una interfaz de
aplicación en tiempo real (RTAI) que
proporciona temporización determinista
y conmutación rápida entre tareas.
Como pila de la red Ethernet se adoptó
Rtnet, que implementa UDP/IP1), ICMP2)
y ARP3) de forma determinista. Para
evitar las colisiones y congestiones
imprevisibles en Ethernet, el acceso a
los medios está controlado por una capa
adicional, RTmac. La necesidad de separar la red de aparamenta (bus de aparamenta por Ethernet) y la red de control
del proceso (a través de Ethernet) se
resuelve adoptando el estándar físico
10Base-I de Ethernet4).
Tendencias del Mercado de aparamenta de baja tensión
Aspectos de producto
Inteligencia/
comunicaciones
Comunicación
Comunicación DCS
Configuraciones
Información
Posibilidades de
comunicación
Comunicación
Situación actual
Opcional
Tendencias futuras
Integrado (incorporado
en el diseño)
Maestro único
Maestro múltiple
Conectividad
Integración significativa
Punto a punto
Combinaciones
múltiples optimizadas
Excesiva y
Pertinente y adecuada
fuera de contexto para el operador
Especiales
Escalables y mejorables
en cada fase de proyecto
Cualquier
Específico y
bus de campo
basado en Ethernet
Diversidad de
configuraciones del
sistema MNS iS
Las aplicaciones MCC en el
sector de procesos de transformación requieren configuraciones de sistema para
diversos conceptos de funcionamiento de las instalaciones,
o distintas demandas de flujo
de información en función de
la instalación. En MNS i S, el
sistema de control externo del
cliente puede acceder a varios
subsistemas:
Revista ABB 2/2006
Medicina de motores
Tecnologías de sistemas integrados
1) Arrancadores de motores a través de
la unidad de comunicación central,
que permiten el acceso simultáneo a
varios puntos de control por diferentes interfaces de comunicación.
2) Como alternativa, conexión directa
de buses de campo5) a nivel de
arrancador de motor individual: Este
enfoque permite a una estación
individual de control acceder a un
arrancador específico de motor.
Lo mejor es combinar ambos planteamientos. Además, el sistema soporta
configuración redundante para reforzar la confianza del cliente en la disponibilidad de la planta.
Capacidades de servidores OPC
para MNS iS
Hay que mencionar también la interfaz OPC
(OLE - Object Linking and Embedding - for
Process Control) de enlace e integración de
objetos para el control de procesos, utilizada en MNS i S. OPC es una forma estandarizada de manejar información adicional, no
crítica pero sí importante para el buen resultado de la operación y el mantenimiento
de la planta. Utilizando OPC, los clientes
pueden conectar directamente con puestos
de operador, sistemas de mantenimiento,
etc., sin tener que programar DCS6) ni PLC7).
Con los servidores OPC para el campo
de aplicación de MNS i S es posible añadir para el operador información adicional en las placas frontales sin encaminamiento hacia controladores DCS/PLC. El
tratamiento de alarmas y sucesos está
totalmente automatizado, de modo que
los puestos de operador son informados,
directamente desde MNS i S, sobre alarmas relevantes de arrancadores y de
sucesos con marcas de tiempo. Opcional-
Centro de control de motores
mente se puede transmitir al sistema de
mantenimiento eléctrico o al paquete
SCADA sólo la información de mantenimiento. De este modo se puede presentar la información necesaria en el punto
y momento deseados. Ya no hay que
“programar el encaminamiento de los
datos” en los PLC, que produce un costoso trabajo de ingeniería o reduce el rendimiento de los PLC por debajo del óptimo, ni hace falta implementar un programa de aplicación para transferir los datos.
Con MNS i S, toda la información
pertinente fluye hacia el operador
apropiado en el momento oportuno.
MNS iS ofrece una gestión muy sencilla.
Ventajas a simple vista
El bus de aparamenta MNS i S está
integrado internamente. Todos los
componentes de MNS i S en el bus
son enchufables. Los clientes se liberan del trabajo de cableado.
MNS i S ofrece integridad total de la
comunicación con un comportamiento previsible. La seguridad operacional del motor está garantizada
contra diversas eventualidades:
Averías de la comunicación: MNS i S
supervisa permanentemente la integridad de la comunicación desde el
arrancador del motor con el sistema de control externo (DCS, sistema de control distribuido). Si falla
la comunicación, el motor es llevado a un estado seguro predefinido.
Control no autorizado del motor:
Se puede acceder a la unidad del
arrancador de motor de MNS i S
desde varias estaciones de control.
Revista ABB 2/2006
La seguridad e integridad operacional están protegidas y las operaciones de control no autorizadas
o no previstas se evitan mediante
un mecanismo apropiado de control de acceso de usuarios.
MNS i S proporciona:
Comunicación DCS sobre bus de
campo abierto Profibus DP-V1,
Modbus TCP e Interfaz OPC (Implementación de Profinet en fase
de preparación), que actualmente
son estándares industriales
Conectividad de navegador web
para HMI (Interfaz hombre-máquina) local de panel táctil
Conectividad directa de bus de
campo con arrancadores de motores sobre Profibus DP-V1, Device
Net o Modbus RTU *
* en fase de desarrollo
Rajesh Tiwari
ABB Switzerland Ltd
Zurich, Suiza
rajesh.tiwari@ch.abb.com
Notas
1)
UDP (User Data Protocol) es un protocolo en el nivel de transporte de la pila de comunicación (véase
también la figura de la página 47). Es un protocolo
más rápido que TCP, pero no ofrece el mismo nivel
de determinismo ni garantiza que los paquetes se
reciban en el orden de envío.
2)
ICMP (Internet Control Message Protocol) es un
protocolo en el nivel de red de la pila de comunicación (igual que IP). Su uso más frecuente es el
envío de mensajes de error.
3)
ARP (Address Resolution Protocol) es otro protocolo en el nivel de red. Resuelve la dirección hardware
de un dispositivo desde su dirección de protocolo.
4)
10Base-I: capa física de Ethernet Industrial 10Mbps
5)
Implementación de Profinet en preparación.
6)
DCS: sistema de control distribuido
7)
PLC: controlador lógico programable
49
El canto de
las líneas
eléctricas
La comunicación mantiene el flujo de energía
Stefan Ramseier, Hermann Spiess
La transmisión segura y fiable de la energía eléctrica depende de la permanente coordinación entre diferentes puntos de la red. Desde una
simple conversación telefónica hasta el control y supervisión automatizados de equipos remotos, un requisito previo para lograr un funcionamiento eficiente es disponer de una infraestructura robusta y fiable de
comunicaciones. Los operadores de redes eléctricas utilizan una gran
variedad de canales de comunicación, entre ellos sus propias líneas de
transporte de electricidad.
ABB cuenta con 64 años de experiencia en la transmisión de datos por
líneas eléctricas. El último producto de la compañía, el ETL600, abre
una nueva vía al ofrecer una amplia funcionalidad. Es fácil de configurar
con un par de clics del ratón y puede actualizarse sin dificultades
(simplemente instalando nuevo software). Así queda garantizado que el
cliente estará en la vanguardia tecnológica durante varios años.
50
U
na red eficiente de comunicaciones es la columna vertebral de un
avanzado sistema eléctrico 1 . Los operadores de las compañías eléctricas se
comunican entre sí para coordinar
acciones e intercambiar todo tipo de
información operativa. La red de comunicaciones conduce señales para el
control remoto de estaciones sin personal para transferir datos y valores de
cargas desde las instalaciones a la unidad de control central a través del sistema eléctrico, y para transmitir comandos desde el control central a las
instalaciones. Y, lo que es más importante, la red de comunicaciones transporta muchas de las señales vitales
que se intercambian diferentes puntos
en tiempo real para garantizar un control y protección óptimos del sistema
eléctrico. En resumen, las redes de comunicación ayudan a las compañías
eléctricas a mantener el flujo de electricidad desde el generador hasta el
consumidor final.
Tradicionalmente, los sistemas de
comunicación de las compañías eléctricas eran predominantemente módulos
de hardware adaptados a las especificaciones del cliente. Los sistemas integrados actuales, como el sistema de onda
portadora sobre línea de energía (PLC,
Power Line Carrier) ETL600 de ABB, se
basan en una plataforma de hardware,
potente y flexible y en varios módulos
versátiles de software. Esta tecnología
Revista ABB 2/2006
El canto de las líneas eléctricas
Tecnologías de sistemas integrados
permite configurar un sistema
complejo “con unos pocos
clics de ratón” e incluso ampliar en el futuro la funcionalidad con la descarga de módulos adicionales de software.
1
Vista general de una red de comunicaciones
¿Qué y cómo comunican las
compañías eléctricas?
La capacidad de ABB en el
campo de las comunicaciones se basa en su experiencia, obtenida en instalaciones de compañías eléctricas
de más de 140 países. Esta
experiencia, y con ella las
acreditadas soluciones que la acompañan, es especialmente importante en
la señalización de protecciones, donde
la comunicación permite a los sistemas
de protección corregir una avería de
una línea en el menor tiempo posible,
o aislar componentes básicos de la
planta directamente afectados por una
avería mientras todos los demás componentes siguen estando disponibles.
La mejor funcionalidad y el mayor rendimiento de los sistemas de comunicación de ABB aumentan la cantidad y la
calidad de la información disponible
para las funciones operacionales y de
gestión. Habilitar todas las unidades
de negocio de una compañía eléctrica
para que tengan acceso inmediato a
esta información significa que la misma información puede utilizarse para
el control remoto de subestaciones y
para las tareas de evaluación, reduciendo al mínimo los costes de explotación y de mantenimiento. Disponer
de servicios de comunicación potentes
y fiables es absolutamente esencial para que las modernas compañías eléctricas puedan controlar, supervisar y
gestionar las operaciones del sistema
eléctrico 2 .
Los rápidos avances tecnológicos de
los últimos años y el proceso de liberalización de los mercados eléctricos
han cambiado significativamente los
requisitos de comunicación de las
compañías eléctricas. Actualmente
existen tres importantes tecnologías de
comunicación usuales en la red WAN
de área extensa que cumplen estos requisitos: PLC, fibra óptica y radiotransmisión por microondas.
Las técnicas PLC establecidas juegan
un papel importante por su alta fiabilidad, por sus costes relativamente bajos
Revista ABB 2/2006
y por su gran alcance. Para mayores
capacidades de transmisión, los sistemas de banda ancha basados en fibras
ópticas pueden manejar datos de compañías eléctricas, tanto operacionales
como administrativos, e incluso –dependiendo de la estrategia de la compañía y de la legislación– proporcionar servicios de telecomunicaciones
comerciales. La radiocomunicación por
microondas no está limitada por rutas
de líneas de transporte de electricidad
y por tanto puede ofrecer una alternativa ventajosa en determinadas circunstancias, especialmente en terrenos
difíciles (en montañas e islas, por
ejemplo).
Entre las aplicaciones típicas soportadas por los sistemas de comunicación
de las compañías eléctricas se encuentran las interconexiones de redes de
área local (LAN), la videovigilancia,
los diagnósticos y soporte remotos, la
distribución automatizada, la lectura
automática de contadores y los servicios estándar de telecomunicaciones.
Las principales aplicaciones para las
“comunicaciones operacionales” son el
control del sistema eléctrico, la protección de las líneas de transporte de
electricidad y los servicios telefónicos
operacionales. Puesto que los dos primeros son más importantes para el
funcionamiento del sistema eléctrico,
se explican a continuación con cierto
detalle.
La disponibilidad de energía eléctrica
depende en gran medida de la fiabilidad del sistema de control eléctrico.
Por consiguiente, los sistemas de control, y en particular el equipo de comunicaciones correspondiente, han de
funcionar de forma fiable en las condiciones más desfavorables de opera-
ción. Las aplicaciones típicas
de control de los sistemas
eléctricos son el telecontrol
(Supervisory Control and Data
Acquisition o SCADA) y los
sistemas de gestión de la
energía (EMS, Energy Management Systems).
El equipo de teleprotección,
operando conjuntamente con
la protección de líneas, ha de
ser capaz de transmitir una señal al extremo remoto de la
línea, de forma fiable y en el
menor tiempo posible en condiciones extremas, que podrían estar provocadas por
una avería del sistema eléctrico. Por
otro lado, una interferencia en el canal
de comunicaciones nunca debe provocar un mal funcionamiento de la protección, por ejemplo simulando una
señal de disparo o de bloqueo en el
extremo receptor si desde el extremo
emisor no se ha enviado tal señal.
Portadora sobre línea de energía
Los sistemas de onda portadora sobre
línea de energía o PLC (Power Line
Carrier) han sido utilizados durante
mucho tiempo por las compañías
eléctricas para transmitir información
vital para el funcionamiento y la protección de la red eléctrica, es decir,
voz, comandos de protección y señales de control. Así pues, las líneas
eléctricas no sólo se usan para transportar energía eléctrica (a una frecuencia de 50 ó 60 Hz), sino también
para transmitir señales de comunicación (normalmente a frecuencias entre
40 kHz y 500 kHz). Se usan dispositivos especiales de acoplamiento para
conectar los terminales de comunicación con líneas eléctricas de alta tensión.
El uso de líneas eléctricas existentes
para las comunicaciones es una importante alternativa, ya que proporcionan el enlace más directo para la
teleprotección (donde la velocidad es
crucial), son fiables y están completamente bajo el control de la compañía
eléctrica, algo muy importante sobre
todo en los países que ha liberalizado
el mercado de las telecomunicaciones.
Además, las líneas de transporte de
electricidad son un excelente medio
de comunicación para enlazar puntos
a distancias de varios cientos de kilómetros sin ningún repetidor.
51
El canto de las líneas eléctricas
Tecnologías de sistemas integrados
De las válvulas a los sistemas integrados
En 1942 entró en funcionamiento el
primer enlace PLC de ABB 3 . Durante
los últimos 64 años se han instalado
miles de enlaces en más de 120 países,
con niveles de tensión de hasta 1.100
kV CA y 500 kV CC, cubriendo una
longitud total de más de un millón de
kilómetros.
Durante más de seis décadas, cada
nueva generación de equipos PLC se
ha desarrollado a partir de la tecnología punta del momento y esto no ha
cambiado. Por tanto, muchos de los
avances tecnológicos logrados en el
campo de la electrónica y de las telecomunicaciones durante las dos últimas
décadas se reflejan en el desarrollo del
equipo PLC.
Los primeros sistemas PLC usaban válvulas y la información se transmitía en
gran medida como en los actuales sistemas de radiotransmisión AM: las formas de onda analógicas (no señales ni
bits digitales) se modulan a la frecuencia deseada (por ejemplo, entre 40 y
500 kHz). La señal sobre las líneas de
energía eléctrica aparece dos veces, ya
que aparece una copia duplicada de la
señal original (doble banda lateral). A
principios de los años cincuenta, la
banda requerida de frecuencias –un
recurso muy escaso– se redujo a la mitad, eliminando la señal duplicada
(banda lateral única, SSB). Esta tecno-
Vista general del sistema PLC
2
Transporte de energía eléctrica
Filtro de
Subestación línea
Condensador de
acoplamiento
o CVT
Terminal
PLC
Filtro de
línea Subestación
Línea de AT
impedancia Z
Dispositivo de
acoplamiento
MCD 80
Dispositivo de
acoplamiento
MCD 80
Condensador de
acoplamiento
o CVT
Terminal
PLC
Transmisión de datos, palabra y señales de protección
3
52
Una de las primeras instalaciones PLC de ABB, hacia 1944, publicada en Brown Boveri
Mitteilungen, predecesora de Revista ABB, en enero/febrero de 1944 (figuras 169 y 170)
logía SSB se sigue utilizando en los
sistemas actuales y en los sistemas de
radio de onda corta. A mediados de
los años cincuenta, las válvulas fueron
sustituidas por transistores de germanio, que fueron reemplazados más tarde, a principios de los sesenta, por
transistores de silicio y éstos, a mediados de los setenta, por circuitos integrados. En los primeros noventa se
hizo posible para el usuario adaptar el
sistema PLC a sus necesidades reales,
“programándolo” con conmutadores y
puentes.
El siguiente avance tecnológico se
produjo a finales de los años noventa
con la introducción del ETL500 de
ABB, el primer sistema PLC numérico
integrado. El sistema ya no se configuraba solamente con conmutadores y
puentes, sino principalmente con una
interfaz gráfica de usuario (GUI) funcionando sobre un ordenador personal
(PC). Las señales dentro del sistema
ETL500 ya no se procesaban en formas
de onda analógicas, sino en un flujo
de bits digitales. Muchos de los complejos componentes analógicos, como
osciladores, mezcladores y filtros, fueron sustituidos por operaciones matemáticas ejecutadas por un procesador
de señal digital (DSP). Tal procesador
DSP (similar a un procesador interno
de un PC, pero diseñado para aplicaciones específicas de “cálculos numéricos”) puede realizar operaciones complejas a gran velocidad.
Otro salto tecnológico fue posible gracias al trabajo pionero en modulación
y codificación digital. Actualmente, la
comunicación digital es parte de la vida diaria, ya sea en forma de teléfonos
celulares, máquinas de fax, CD, DVD,
emisión de radio y televisión digital
terrestre o vía satélite, o reproductores
MP3, por citar tan sólo algunos ejemplos. Para visualizar la forma en que
los avances técnicos han cambiado las
condiciones de la vida diaria, consideremos cómo se utilizaban antes las
líneas telefónicas y cómo se utilizan
ahora para transportar información
digital con la ayuda de los llamados
módems. Inicialmente se utilizó una
tecnología conocida como modulación
por desplazamiento de frecuencia o
FSK (Frequency Shift Keying) y en
1962 se consiguió una velocidad de
transmisión de datos de 300 bits/s
(posteriormente estandarizada como
V.21). Más de 30 años después, esa
Revista ABB 2/2006
El canto de las líneas eléctricas
Tecnologías de sistemas integrados
velocidad ha aumentado en más de
dos órdenes de magnitud, hasta alcanzar 56 kbits/s (V.90/V.92). Con ADSL
son posibles velocidades de transmisión aún mayores, aunque requieren
un ancho de banda mucho mayor (no
utilizado de otro modo en líneas de
abonados telefónicos).
Un avance similar fue posible con los
sistemas PLC. Sin embargo, los principios de modulación y codificación tuvieron que ser adaptados para hacer
frente a los escasos recursos de ancho
de banda espectral y a las difíciles
condiciones de los canales de los sistemas PLC. Además había otro obstáculo: había que superar distancias
enormes. En 1999, ABB introdujo el
primer sistema PLC digital del mundo
con adaptación automática de velocidad (AMX500), que conseguía una
velocidad de transmisión de datos de
hasta 28,8 kbits/s en un ancho de banda de 4 kHz, o de hasta 64 kbits/s en
8 kHz. Una mejora, una vez más, de
varios órdenes de magnitud.
ETL600, sistema PLC integrado y
flexible para el futuro
Durante los últimos años, los avances
tecnológicos han creado nuevas oportunidades para las aplicaciones PLC,
especialmente por la provisión de mayor ancho de banda, por la integración
en redes digitales y por diversas mejoras funcionales, así como por la facilidad y flexibilidad de su uso. Estas
nuevas posibilidades, a las que hay
que añadir la economía y la fiabilidad
por las que destaca la tecnología PLC,
han devuelto un gran auge a los sistemas PLC en todo el mundo.
ETL600, representante de la última generación de equipos PLC de ABB, es
un sistema realmente integrado que
4
Un sistema PLC pionero, el ETL600
Revista ABB 2/2006
incorpora y amplía con gran flexibilidad muchos componentes del sistema
predecesor 4 . Con esta nueva plataforma integrada, que ofrece servicios
múltiples, es posible realizar todas las
aplicaciones PLC en un sistema único.
La arquitectura del sistema ETL600 se
basa en una combinación de tecnología acreditada y de hardware y software de vanguardia para el proceso de
señales digitales. Esto permite al usuario configurar el sistema con unas pocas pulsaciones de ratón, cuando hasta
ahora, para integrar módulos adicionales de hardware, ha sido necesario
programar puentes y conmutadores e,
incluso, realizar soldaduras. Además
de su facilidad de uso y de una flexibilidad de aplicación sin precedentes,
ETL600 también garantiza total compatibilidad con los productos anteriores,
así como con entornos de telecomunicación digital de la más avanzada tecnología. El sistema ETL 600 de ABB
proporciona velocidades de transmisión de datos cuatro veces mayores
que los demás sistemas disponibles en
el mercado.
Para garantizar la seguridad y la fiabilidad, en el sistema ETL600 se han
aplicado otras medidas que aumentan
la disponibilidad y mejoran la protección contra las interferencias electromagnéticas y contra los daños causados por las sobretensiones. Además de
satisfacer todas las normas EMC/EMI1)
relevantes, todas las interfaces, inclusive los puertos de datos, están aisladas
eléctricamente y por tanto ofrecen
protección adicional contra las sobretensiones, las subidas del potencial de
tierra y los bucles de tierra.
como supervisión, control y protección de áreas extensas. Además, las
señales de voz, que en gran medida
siguen transmitiéndose como señales
analógicas, se pueden convertir en flujos de bits digitales, reduciendo así su
uso del precioso ancho de banda en
las líneas eléctricas.
Las nuevas características de la tecnología PLC digital permiten utilizar modernos sistemas PLC para apoyar con
fiabilidad servicios que cumplen misiones críticas, como SCADA y Teleprotección, normalmente dirigidos sobre medios de banda ancha. En particular, el nuevo e ingenioso modo de
operación del sistema ETL600 prepara
el terreno para proporcionar conectividad Ethernet/IP (por ejemplo, para interconexiones LAN-LAN) sobre líneas
eléctricas de alta tensión, una aplicación impensable con la tecnología PLC
tradicional.
Aunque este artículo se centra en la
tecnología PLC, también se han conseguido grandes avances tecnológicos en
todos los productos de comunicación
para compañías eléctricas y especialmente en los campos de la fibra óptica
y de la radiotransmisión por microondas. ABB ofrece soluciones de comunicación integradas para aplicaciones
críticas en compañías eléctricas, en el
sector petrolífero y gasístico y en los
ferrocarriles. Gracias a los últimos
avances, hoy es posible utilizar un solo sistema para la gestión remota de
toda la red de comunicaciones.
Más información en:
http://www.abb.com/utilitycommunications
Perspectivas
Cada nuevo avance tecnológico mejora y agiliza la realización de las tareas
rutinarias pero, sobre todo, abre las
puertas a muchas otras aplicaciones.
Los sistemas PLC tradicionales eran,
básicamente, enlaces punto a punto,
habilitados para la conectividad de un
punto dado con varios puntos de sistemas SCADA. Hoy en día, gracias a la
introducción del sistema PLC digital y
de multiplexores, conmutadores o
routers digitales, se pueden interconectar múltiples enlaces PLC para formar una red mallada. Esta red proporciona una gran elasticidad o flexibilidad de reacción contra los fallos del
enlace y soporta nuevas aplicaciones,
Stefan Ramseier
Hermann Spiess
ABB Utility Communication Systems
Baden, Suiza
stefan.ramseier@ch.abb.com
hermann.spiess@ch.abb.com
Notas:
1)
La compatibilidad electromagnética (CEM) es la capacidad de un equipo para funcionar sin interferencias con otros equipos. La interferencia electromagnética (IEM) se concentra en el aumento de energía
emitida por los equipos electrónicos, que puede degradar el funcionamiento de los equipos próximos.
53
Ideas brillantes
Cooperación global para suministrar los mejores productos
Deia Bayoumi, Katja Rajaniemi, Eric Buchholtz
Cuando alguien habla de desarrollo de productos, mucha
gente imagina un inventor solitario trabajando afanosamente en un penumbroso garaje. A este cliché se asocian individualidades como Thomas Edison o jóvenes genios de los
microordenadores. Pero estos métodos no son representativos del desarrollo de la mayor parte de los productos, que
se produce en un mercado cada vez más exigente y dinámico.
El proceso de desarrollo ha dejado de ser un método intuitivo y empírico que llevaba al ingenio individual a triunfar
sobre el mundo para convertirse en un proceso de creación
54
gestionado científicamente. La impresionante cantidad de
herramientas de soporte abarca desde el análisis de mercados y gestión de riesgos hasta la Teoría de las Limitaciones1). En el proceso de desarrollo actúan numerosos participantes con diferentes puntos de vista, ideas, prioridades
y culturas. La gestión exitosa de un proyecto consiste en
conseguir que todos estos grupos trabajen para conseguir
un único objetivo.
En este artículo, Revista ABB revisa el proceso de desarrollo de las actividades de nuestra compañía en el campo
ABB Distribution Automation.
Revista ABB 2/2006
Ideas brillantes
Tecnologías de sistemas integrados
L
as organizaciones de desarrollo de
ABB han de conseguir productos
innovadores que satisfagan o superen
las expectativas de los clientes. Estos
productos han de incorporar las más
avanzadas tecnologías y tener precios
competitivos, deben ser fáciles de usar
y han de mantener los máximos niveles de calidad y fiabilidad. El proceso
de desarrollo, entrega y soporte técnico plantea muchos retos a las organizaciones de desarrollo de nuestra compañía. La implantación de procesos comunes en los centros I+D de las distintas partes del mundo mejora la colaboración entre ellos y aumenta la eficiencia del desarrollo de productos. Algunos campos de atención son la gestión
de proyectos, el control de configuración y la gestión de requisitos.
El campo de negocio Distribution Automation de ABB (DA) proporciona
productos de protección, control y supervisión para la distribución de energía eléctrica. La organización de desarrollo tiene centros en seis países diferentes, que colaboran en múltiples
proyectos paralelos. Así se crean oportunidades a través de diferentes culturas, niveles de madurez y procesos de
las organizaciones locales. ABB tiene
su objetivo en crear procesos muy eficientes que satisfagan mejor y más
completamente las especificaciones y
expectativas de sus clientes, reforzando al mismo tiempo su posición como
líder mundial.
En general, existen tres posibilidades
principales para mejorar el desarrollo
global de productos: la transferencia
de conocimiento, la coordinación y la
cooperación. Un aspecto esencial para
el éxito es compartir el conocimiento y
conseguir que el conocimiento individual se convierta en conocimiento de
la organización. La falta de cooperación y coordinación está provocada
frecuentemente por diferencias de intereses y de objetivos o por indefinición
de las funciones, falta de relaciones
personales o poco conocimiento de los
procesos [1].
ABB Distribution Automation puso
en marcha un proyecto para mejorar
el desarrollo de procesos en cuanto
a calidad, fiabilidad, escalabilidad,
previsibilidad y enfoque en el cliente, reduciendo a la vez el tiempo necesario hasta la comercialización. Los
campos de interés son los siguientes:
Revista ABB 2/2006
Transferencia de conocimiento:
Mejora de la comunicación entre las
unidades de negocio, ofreciendo un
entorno que favorezca reunir el
conocimiento, los deseos y la capacidad y que permita compartir información.
Coordinación: Definición de objetivos y responsabilidades por medio
de la implantación y desarrollo de
un proceso común, algo esencial para conseguir más rápidamente productos mejores y más competitivos.
Cooperación: Asegurar que todos los
participantes relevantes se comprometan con el proceso, sean conscientes del estado de cosas, de los
riesgos y de las tareas y estén comprometidos con los objetivos y planes definidos.
CMMI es un modelo de referencia 1
de prácticas bien establecidas en disciplinas concretas del desarrollo de
productos; con este modelo se valora la capacidad de un grupo para
ejecutar esa disciplina. Las prácticas
identificadas en el modelo CMMI
tratan aspectos de productividad,
rendimiento, costes y satisfacción de
los interlocutores participantes. Su
fuerza radica en que integra múltiples sistemas y disciplinas de software en un marco de mejora de procesos Cuadro informativo .
El modelo IDEAL 2 se utiliza para
dirigir el desarrollo de un plan integrado, de largo alcance, con el fin de iniciar y gestionar un programa de mejora
de procesos.
Fase inicial
Mejora de procesos
Cuando se puso en marcha la mejora
de procesos se adoptaron dos modelos
diferentes: el modelo CMMI (Capability Maturity Model Integration), del Instituto de Ingeniería de Software (SEI),
y el modelo IDEAL (de Initiating,
Diagnosing, Establishing, Acting y Leveraging). Ambos modelos se usan frecuentemente para establecer objetivos
y prioridades de mejora de procesos y
proporcionar un apoyo que garantice
unos procesos estables, capaces y suficientemente estudiados.
La dirección superior identificó los objetivos y aseguró el compromiso de
mejora de procesos dentro de la organización. A partir de los objetivos comerciales se efectuaron evaluaciones
para identificar los puntos fuertes y
débiles de las actuales organizaciones
de desarrollo.
Partiendo de los resultados de las evaluaciones, se desarrolló un plan para
definir los proyectos destinados a corregir los puntos débiles identificados.
Se crearon equipos para ejecutar los
planes y definir los nuevos procesos
CMMI
La adopción del modelo CMMI (Capability Maturity Model Integration) permite
a las organizaciones conseguir varias
cosas:
Mayor nivel de confianza en la entrega del trabajo, con el coste y según el
calendario de trabajo prometidos
Colaboración con los interlocutores
participantes para satisfacer o superar
sus expectativas
Productos y servicios competitivos de
primera clase
Una empresa integrada desde el punto de vista comercial y técnico
Técnicas proactivas de gestión de programas
Uso de prácticas idóneas para afrontar
retos de desarrollo, tales como cambios tecnológicos, requisitos de los
clientes y entornos comerciales
Optimización de recursos cuando el
personal desarrollador trabaja en varios proyectos distintos con los mismos o parecidos procesos
De esto resultan varias ventajas:
Compromiso: Comprensión del punto
en que se encuentran los demás participantes y conocimiento compartido
de la amplitud, plazo y presupuesto
del proyecto.
Control: Un proceso centrado en mediciones, con controles proactivos a lo
largo de todo el programa, donde los
requisitos constituyen el fundamento
de la planificación y el control y donde la gestión de riesgos se usa explícitamente durante todo el proyecto.
Comunicación: Mejora del uso compartido de conocimientos mediante la
creación de un equipo de proyecto
integrado.
55
Ideas brillantes
Tecnologías de sistemas integrados
Se desplegó un nuevo sistema de gestión de requisitos que permite a los
participantes más relevantes introducir
sus requisitos y revisar fácilmente los
requisitos de los demás participantes.
Los requisitos se revisan llegar a un
acuerdo sobre el campo de aplicación,
las prioridades y la razón fundamental
de cada uno de ellos. La participación
de especialistas de diferentes centros
de desarrollo (ventas, marketing, producción y soporte técnico) en la revisión de los requisitos permite conseguir un conocimiento común a todos.
El enfoque comercial de este proceso
resultó fortalecido por la separación de
los aspectos comerciales y de las especificaciones de los requisitos del mercado en un nuevo documento: “Product Business Plan”. Este documento
56
Gestión de proyecto
ABB Distribution Automation concentró
sus recursos de gestión de proyectos en
dos campos: gestión de riesgos y estimación de proyectos. La gestión de
riesgos identifica los posibles problemas durante la vida del producto o proyecto, con el fin de planificar e implantar las actividades adecuadas de control
1
de riesgos. El desarrollo de productos
siempre conlleva riesgos importantes.
ABB Distribution Automation implementó un proceso de gestión de riesgos
de cuatro fases, que se ejecutan de modo iterativo a lo largo del ciclo de vida
del proyecto. Las fases son las siguientes: identificar y clasificar los riesgos,
analizarlos, tomar medidas contra ellos
y supervisar dichas medidas.
Cuanto mejor se identifiquen los riesgos y se evalúe el impacto de los mismos, tanto más precisas serán las estimaciones del proyecto. ABB DA celebró talleres de trabajo para identificar,
analizar y clasificar los riesgos asociados al proyecto. La dirección de productos organiza los talleres, donde se
obtienen conclusiones y se analizan
los riesgos comerciales de los diferentes productos, existentes y previstos:
cómo conservar y mejorar la cuota en
determinado mercado básico, qué costes se estima que causará cada opción.
Cuando se pone en marcha un proyecto, la identificación y análisis de ries-
El modelo CMMI (Capability Maturity Model Integration)
Nivel
Optimización
Los obstáculos típicos de la gestión de
requisitos aparecen en situaciones en
las cuales los requisitos son variables y
poco claros. Los resultados son datos
incorrectos, omisiones, inconsistencia y
ambigüedad [2]. En entornos globales
de desarrollo, los retos identificados
afectan a la coordinación y comunicación, y dan como resultado típico los
sobrecostes, el incumplimiento del
programa de trabajo, la frustración y
explotación del personal, la insatisfacción de los clientes y la pérdida de
rentabilidad.
El desarrollo de una buena estructura
de gestión de requisitos es quizás la
parte más importante del desarrollo de
nuevos productos. Por lo general, el
potencial de mejora más importante reside en los puntos siguientes:
Enfoque comercial centrado en adquirir datos correctos y conocer bien
las necesidades de los clientes y del
mercado
Comunicación diferentes funciones y
en distintos lugares y culturas
Consistencia de la especificación de
requisitos
5
4
3
2
1
Gestión
cuantitativa
Gestión de requisitos
Definido
Actualmente se realizan actividades
continuadas de desarrollo de procesos
en varios campos. Los tres más significativos son las siguientes: gestión de
requisitos, gestión de proyectos y control de configuración.
Gestionado
Actividades de mejora
relaciona la estrategia, la gestión de la
cartera de productos y los requisitos.
Define el entorno competitivo del producto y describe estratégicamente la
necesidad de dicho producto.
Para mejorar la calidad del proceso de
gestión de requisitos se han hecho
valoraciones en varias fases y se han
dedicado diversas reuniones a la revisión, para determinar la disponibilidad
y calidad de la especificación de los
requisitos. Se han perfeccionado las
listas de control para garantizar que las
especificaciones de requisitos contengan la información apropiada, que se
revisa si es necesario.
Inicio
que debían ser aprobados, enseñados
y adoptados dentro de la organización.
Capacidad
Mejora
continua de
procesos
Resultado
Innovación y desarrollo
organizativo
Análisis causal y solución
Gestión
cuantitativa
Gestión cuantitativa de proceso
Gestión de calidad del software
Estandarización
del proceso
Requisitos de desarrollo
Solución técnica
Integración de producto
Verificación
Validación
Definición organizativa del proceso
Formación organizativa
Gestión integrada de
suministradores
Análisis de decisiones y resolución
Entorno organizativo para la
integración
Gestión básica
de proyecto
El esfuerzo
del héroe
Productividad
y calidad
Gestión de requisitos
Planificación del proyecto
Control y supervisión del proyecto
Análisis y mediciones
Gestión de contratos con
suministradores
Calidad del proceso y del producto
Seguros
Gestión de la configuración
Diseño
Desarrollo
Integración
Prueba
Riesgo
y residuos
Revista ABB 2/2006
Ideas brillantes
Tecnologías de sistemas integrados
nal de proyecto que sirve para compartir el conocimiento de los distintos
participantes y comunicarlo a un grupo
mayor de personas.
La dirección de proyectos garantiza que
a cada proyecto se le asignen los recursos necesarios, como si se tratara de un
proyecto individual. ABB DA emplea
técnicas de Teoría de Limitaciones
(TOC)1), entre otras, para garantizar
una eficiente planificación, supervisión
y control en un entorno de varios proyectos. Con TOC se generan planes de
proyectos basados en la estimación optimista y pesimista de cada tarea. Así se
crea la cadena crítica2) y buffers de proyectos basados en esas estimaciones.
Los proyectos se inician programándolos de acuerdo con la disponibilidad de
recursos críticos. Además, estos recursos críticos sólo se emplean en tareas
que necesitan la capacidad especial de
dichos recursos, optimizando así el rendimiento global del proceso. Para facilitar la programación se asigna a cada
proyecto una prioridad relativa. Un
proyecto con mayor prioridad obtiene
recursos con preferencia a otro con
menor prioridad. El consumo del buffer
de riesgos y el progreso en la cadena
crítica son supervisados y comunicados
semanalmente. Los directores de proyectos obtienen información semanal
sobre el trabajo pendiente en cada tarea, de modo que disponen de toda la
información necesaria para dirigir el
proceso completo.
gos se centran sobre todo en los riesgos técnicos y en la posibilidad de dirigir el proyecto de acuerdo con el calendario de trabajo, el coste y la amplitud previstos.
Los talleres de estudio de riesgos se
estructuran del modo siguiente:
Celebración de sesiones de brainstorming sobre fuentes de riesgos
Utilización de una lista de posibles
fuentes de riesgos y de riesgos específicos de la organización, conocidos
por la experiencia
Priorización de los riesgos (probabilidad y gravedad) de acuerdo con las
categorías definidas de riesgos
La idea de utilizar las categorías de
gravedad y fuentes de riesgos garantiza
que, además de los riesgos más probables y con consecuencias menos graves, se identificarán también otros
tipos de riesgos, evitándose así que
queden sin identificar riesgos con graves consecuencias pero que hasta ahora no han ocurrido. La priorización de
riesgos identifica también aquéllos que
requieren planes de contingencia y/o
de mitigación para reducir el impacto
o la probabilidad de que el riesgo se
convierta en un problema.
Los riesgos se supervisan y comunican
durante la evaluación de las fases y en
las reuniones mensuales del comité
de seguimiento del proyecto. Además,
cada semana se informa a la dirección
sobre los riesgos en un informe sema-
Control de la configuración
Al igual que en la gestión de requisitos, se desplegó un sistema global de
control de configuración con un sistema de gestión del ciclo de vida. Este
sistema tiene varias ventajas:
Comunicación: Permite compartir
información a través de diferentes
funciones, lugares y culturas, haciendo que la información esté
disponible para todos los interlocutores participantes.
Control: Garantiza que todo el mundo trabaje con la misma versión del
documento.
Compromiso: Requiere el acuerdo
de los participantes pertinentes
mediante la aprobación de documentos.
Calidad: Exige efectuar revisiones
para garantizar que los productos
del trabajo sean completos y precisos.
Uso compartido de conocimientos:
Utilización de un servicio del sistema y una fuente de información.
Sólo una profunda comprensión y la
implantación de un proceso de desarrollo puede satisfacer las demandas del mercado del futuro.
Deia Bayoumi
ABB Inc.
Allentown, PA, USA
2
deia.bayoumi@us.abb.com
El modelo IDEAL (Initiating, Diagnosing, Establishing, Acting, and Leveraging)
Katja Rajaniemi
Formación
ABB Oy
Propuesta
de acciones
futuras
Estímulo
para el
cambio
Contexto
Vassa, Finlandia
Aplicación
de la
solución
katja.rajaniemi@fi.abb.com
Eric Buchholtz
ABB Inc.
Raleigh, NC, USA
eric.buchholtz@us.abb.com
Prueba de
solución
piloto
Definición
de estado
actual y
deseado
Diagnóstico
Dirección
Perfeccionamiento
de la solución
Permiso de
infraestructura
Financiación
Inicio
Análisis y
validación
Bibliografía
[1] Smith, 1995, Surakka, 2005, Hoopes, Postrel,
Creación de
soluciones
Recomendaciones de
desarrollo
Definición
de
prioridades
Enfoque
de
desarrollo
Plan de
acción
1999
[2] Hooks, Farry, 2001
Notas
1)
cadena con TOC”, Revista ABB 1/2006, pág. 25.
2)
Establecimiento
Más información sobre TOC en “Cómo controlar la
El camino crítico es la secuencia de paquetes de trabajo en un proceso con la mayor duración total, teniendo en cuenta las dependencias de los recursos.
Revista ABB 2/2006
57
Robótica do-it-yourself
Software integrado para que el usuario programe sus propias aplicaciones de robots
Ingela Brorsson, Ralph Sjöberg, Anna Liberg
ABB recibió en 2005 más pedidos de robots que nunca. El controlador de robots
IRC5 de quinta generación de ABB se ha ganado una gran reputación en el mercado mundial, alcanzando ventas superiores a las de su predecesor, el S4CPlus.
El controlador IRC5 es un hito de la robótica: su potente función MultiMove®
establece nuevos estándares de control de movimientos. Esta función permite
definir complejos patrones coordinados para controlar hasta cuatro robots (hasta
36 ejes) con movimientos independientes o sincronizados por medio de un único
módulo controlador.
Pero no es sólo el controlador el que abre nuevas vías hacia el futuro. IRC5 FlexPendant, un moderno programa integrado en la nueva unidad portátil, permite
ahora a los usuarios de IRC5 beneficiarse de las interfaces hechas a medida.
58
Revista ABB 2/2006
Robótica do-it-yourself
Tecnologías de sistemas integrados
E
l controlador IRC5 se basa en la
facilidad de uso y en la flexibilidad. La unidad FlexPendant es básica
para esta filosofía, centrada en el
usuario y representativa de un importante avance conceptual y tecnológico. Aunque parte integrante del controlador IRC5, la unidad es un ordenador completo desarrollado con Windows CE.NET, la última tecnología de
Microsoft para sistemas integrados.
Presenta un innovador diseño ergonómico fácilmente adaptable a cualquiera de las dos manos, dejando la otra
libre. Destaca la singular palanca de
mando de tres vías, desarrollada por
ABB para el movimiento lento y gradual –intuitivo– del robot. Sólo tiene
ocho pulsadores reales, para el acceso
rápido a funciones esenciales como
arrancar y parar programas de robots
y, por supuesto, una parada de emergencia. Otros pulsadores –por ejemplo
un teclado virtual para entrada de texto–, necesarios para el funcionamiento, aparecen en la pantalla gráfica táctil sólo cuando hacen falta. Ésta es
una gran mejora respecto de los complejos teclados de la competencia.
FlexPendant ha de funcionar permanentemente en duros entornos industriales, pero la pantalla táctil es fácil
de limpiar y resiste al agua, a los productos químicos e incluso a las salpicaduras accidentales de material de
soldadura.
La utilidad ha sido el criterio de desarrollo de la unidad FlexPendant. El uso
de la pantalla táctil es rápido y natural
1
La unidad FlexPendant se ajusta fácilmente
para un usuario zurdo.
Revista ABB 2/2006
y la interfaz de tipo Windows, con iconos bien conocidos, es familiar para los
usuarios y, por tanto, reduce al mínimo
la necesidad de formar al operador. El
nombre FlexPendant ya sugiere su
adaptabilidad a las necesidades específicas del usuario. La unidad ya puede
operar en 14 idiomas diferentes, incluso de caracteres asiáticos como el japonés y el chino. Un operador zurdo puede adaptar el dispositivo simplemente
girando 180 grados la pantalla 1 . Además, cuatro teclas básicas son programables, es decir, el usuario final puede
asignarles las funciones que desee.
Desarrollo de la unidad FlexPendant
El desarrollo de IRC5 FlexPendant comenzó realmente a finales de 2001. Los
requisitos técnicos del dispositivo se
ajustaban perfectamente a Windows
CE 4.0, sistema operativo integrado de
Microsoft para dispositivos portátiles
inteligentes. Aunque la elección del
sistema operativo era clara, fue más difícil elegir el modelo de programación.
Para la interfaz de usuario se pensó
utilizar COM/ATL como tecnología de
componentes con MFC. El principal
problema estaba en la complejidad del
modelo de programación. FlexPendant
tenía que comercializarse en un plazo
de dos años y su tecnología debía proporcionar un kit de desarrollo de software de fácil uso para poder añadir
aplicaciones específicas al dispositivo.
Pronto se vio que la futura estructura
de Microsoft para dispositivos integrados, .NET Compact Framework (.NET
2
CF), ofrecería un modelo de programación mejor, más rápido y con menos
errores. Sin embargo, la adopción de
una nueva tecnología conlleva el riesgo de que surjan problemas técnicos
imprevistos que retrasen el trabajo. En
este caso era necesario usar versiones
alfa y beta de Microsoft. No obstante,
las ventajas de calidad y productividad
de Windows CE.NET hacían muy atractiva esta opción y permitían a ABB
hacer una buena personalización para
el operador.
Durante el primer año de desarrollo,
ABB colaboró estrechamente con Microsoft en el programa EAP (Early
Adopter Program para .NET CF). La
ayuda de Microsoft contribuyó al éxito
del proyecto y la aprobación del programa EAP garantizó el compromiso
necesario de Microsoft para hacer converger el desarrollo de la unidad FlexPendant y de la plataforma de software
para la misma. Por su parte, ABB se
comprometió a comercializar la unidad
FlexPendant poco después del lanzamiento de .NET CF, previsto para 2003.
ABB era prácticamente el único participante en el programa EAP que exploraba NET CF en Windows CE, mientras
otros utilizaban PocketPC como sistema operativo. Microsoft tenía gran interés en desarrollar FlexPendant y muy
pronto utilizó los robots de ABB en su
publicidad televisiva de .NET. La relación con Microsoft se caracterizó por
el alto grado de compromiso y de
competencia técnica y llevó a ABB a
Klöckner-Desma (Alemania) fue una de las primeras compañías
en adoptar FlexPendant SDK.
59
Robótica do-it-yourself
Tecnologías de sistemas integrados
lanzar uno de los primeros productos
realmente avanzados, basados en Windows CE.NET y destinados a la industria, El volumen de código desarrollado para la unidad FlexPendant es considerable: más de 180.000 líneas ejecutables de código C# y unas 25.000 líneas de código C++ que proporcionan
la capa de comunicación hacia el controlador del robot.
“El equipo FlexPendant de
ABB team ha actuado con
gran inteligencia estudiando nuevas funciones y capacidades de nuestra plataforma. Nos ha ayudado
mucho a perfeccionar la
plataforma .NET Compact
Framework.”
Richard Greenberg1)
Kit de desarrollo del software
FlexPendant SDK (kit de desarrollo del
software), fue iniciado en 2003, paralelamente a otra mejora del software base de FlexPendant. Pronto se inició un
programa EAP para los clientes de ABB
y Klöckner-Desma, suministrador alemán para fabricantes de calzado, desarrolló varias innovaciones para facilitar
el control del montaje de suelas. La
idea consistía en visualizar gráficamente la trayectoria del robot –el contorno
de la suela– para ajustar mejor las posiciones del mismo 2 . Los robots se
entregan normalmente con una interfaz
general de operador, pero el usuario
final suele preferir una solución personalizada, que es más fácil de usar y
optimiza la inversión del cliente de automatización. FlexPendant-SDK es parte del software Robot Application Builder (RAB) 3 de ABB desde 2004 y permite al usuario final o a un tercero desarrollar sus propias aplicaciones robóticas. Estas aplicaciones RAB están integradas con la funcionalidad básica de
FlexPendant por medio de un mismo
sistema de menú estructurado. RAB es
un importante avance de la tecnología
de robots, que sitúa los productos de
ABB por delante de la competencia.
La plataforma de software integrado
elegida para FlexPendant simplifica el
trabajo de los usuarios de RAB. Entre
los programadores, .NET destaca por
60
el modelo de programación que ofrece la estructura .NET Framework de
Microsoft. Caracterizado por la independencia del lenguaje de programación, permite al desarrollador de RAB
elegir cualquier lenguaje de Microsoft
Visual Studio, el entorno de desarrollo
integrado. La mayoría prefiere C# o
Visual Basic por su seguridad y eficiencia. Como los programadores suelen conocer la programación de plataformas de Windows con Visual Studio,
no necesitan una formación especial
para operar con RAB 4 .
Productos avanzados de software
El paquete RAB incluye Virtual IRC5
para acelerar el desarrollo para el
cliente. La tecnología de robots virtuales permite a Virtual IRC5 ejecutar el
software de IRC5 en un PC y por tanto
pone un controlador de robots literalmente sobre la mesa. Otra característica de .NET Framework es que el código .NET compilado es procesable en
cualquier plataforma soportada. Esto
permitió desarrollar una unidad virtual
FlexPendant que está incluida en IRC5,
paralelamente al dispositivo real. Hoy
es posible desarrollar y probar aplicaciones del cliente en un sistema de
sobremesa. La puesta a punto es fácil
con PlexPendant, sea virtual o real. El
programador no tiene más que conectar el proceso principal a Visual Studio,
establecer un punto de interrupción en
el código y saltar a través de él cuando
se ejecute. Desarrollar aplicaciones de
tiempo real para dispositivos con reNotas
1)
Richard Greenberg, director de Programación del equipo
.NET Compact Framework, Microsoft (abril de 2006).
2)
Mike Zintel, dirección de Producción del equipo
.NET Compact Framework, Microsoft (abril de 2006).
3
cursos limitados de proceso y de memoria es evidentemente más complejo
que desarrollar aplicaciones de PC. Por
eso, la documentación de usuario enfatiza la optimización de prestaciones y
de memoria.
Desarrollo de RAB en China y Suecia
Muchos clientes, entre ellos algunos
integradores de sistemas de robots,
compañías automovilísticas e incluso la
propia ABB, ya se benefician del uso
de RAB. ABB creó en 2004 un equipo
de desarrollo de software en Shanghai
para reforzar su posición en China y
Lejano Oriente. Su primer reto fue desarrollar con RAB un software para el
sector del plástico. El objetivo era acelerar la programación y el funcionamiento de los robots ABB para el moldeo por inyección. RAB, que proporciona una interfaz clara para todas las
funciones del controlador, es una gran
ayuda para los equipos de trabajo de
todo el mundo. El resultado, RobotWare Plastics, fue lanzado con éxito en
2005. También en este caso se buscó
sobre todo la facilidad de uso y se
“FlexPendant es una
de las aplicaciones
más refinadas que
hemos visto utilizando
.NET Compact Framework
en Windows CE.”
Mike Zintel 2)
contó con los usuarios finales desde
las primeras etapas del proyecto.
Uno de los primeros clientes interesados en RobotWare Plastics fue ADPlast, compañía sueca fabricante de
RAB (Robot Application Builder) permite al cliente desarrollar sus propias aplicaciones de robots.
Revista ABB 2/2006
Robótica do-it-yourself
Tecnologías de sistemas integrados
moldes de plástico, que fue fundada
en 1963 como compañía de herramientas de mecanizado, pero más tarde
cambió su actividad por la de moldeo
por inyección, sobre todo de componentes para automóviles. La robotización ha permitido a la empresa conseguir niveles consistentes de calidad durante todo el proceso y a precios competitivos. RobotWare Plastics le ha permitido iniciar de forma más suave y rápida los nuevos procesos de producción. Los operadores ya no necesitan
ser expertos programadores de robots,
ya que el ayudante del programa de la
interfaz gráfica de usuario guía al operador durante todo el proceso de pro-
4
gramación. Otra de sus mejores características es la panorámica gráfica de
las celdas 5 .
RobotWare Dispense, una aplicación
robótica que habilita procesos de dispensación, como encolado y sellado,
pertenece al programa de productos
ABB desde hace muchos años. En 2005
se desarrollo en Suecia una interfaz de
operador especialmente adaptada al
proceso de dispensación. El énfasis se
puso, una vez más, en la facilidad de
uso y en aumentar el valor para el
cliente. Una interfaz de usuario bien
diseñada presenta información y funcionalidad relevantes en el momento
apropiado. Esto es mucho más fácil de
Esquema de
aplicación (C#)
RAB App2
C#
RAB App1
Visual Basic
FlexPendant SDK
controles de interfaz de usuario, CAPI
C#
Producto y
presentación
Clase librería
C#, C++
Lógica
API interno basado en COM
hacia el controlador de robot
C++/COM/ATL
Acceso a
los datos
Windows
CE 5.0
RAB App – Aplicación desarrollada con el creador de Robot Application, del que forma parte FlexPendant SDK.
CAPI – Modelo de componente de objeto, tecnología Microsoft de componentes.
COM/ATL – Librerías de plantillas activas, juego de clases de plantillas
C++ que simplifica la programación con COM.
*Las flechas indican relación de dependencia.
5
Una aplicación RAB para procesos de dispensación se prueba en el sistema de sobremesa antes de cargarla en el dispositivo real.
Esto es posible gracias a Virtual IRC5.
conseguir con una interfaz de usuario
personalizada 6 que con una interfaz
de tipo general.
El futuro
FlexPendant, arquitectura de software
.NET
Compackt
Framework
6
La tecnología integrada elegida por
ABB para la nueva generación de dispositivos inteligentes destinados a la
industria robótica ha superado todas
las expectativas. Sus ventajas, entre
ellas la competencia de la plataforma
en todo el mundo, el compromiso permanente de Microsoft con el mercado
de productos integrados y una constante inspiración en el mundo del PC,
contribuyen en conjunto a hacer de
Windows CE.NET una opción tecnológica viable a largo plazo. En cualquier
caso, la reputación de ABB en el mercado de la robótica se fortalecerá a
medida que la tecnología punta, la flexibilidad y la facilidad de uso se combinen para mejorar aún más la automatización de robots, proporcionando
ventajas competitivas a ABB y a sus
clientes.
RobotWare Plastics se utiliza para programar y operar el robot ABB que sirve a la máquina de
moldeo por inyección. Las imágenes del equipo y de las operaciones de producción en la vista
de conjunto de la celda hacen la interfaz más intuitiva y fácil de utilizar.
Ingela Brorsson
Ralph Sjöberg
ABB Robotics
Västerås, Suecia
ingela.brorsson@se.abb.com
ralph.sjoberg@se.abb.com
Anna Liberg
ABB Robotics
Shanghai, China
anna.liberg@se.abb.com
Revista ABB 2/2006
61
Patrones de diseño
Patrones de codiseño para control avanzado con AC 800PEC
Ernst Johansen
La electrónica de potencia ha experimentado un gran progreso en las últimas
décadas, no sólo en cuanto a prestaciones de potencia y velocidad, sino también por la variedad de aplicaciones a las que sirve. Los convertidores de potencia son más rápidos, baratos, ligeros y flexibles, ocupan menos espacio y
requieren menos tiempo de instalación y mantenimiento que nunca.
Este progreso se debe en parte al rápido desarrollo de los dispositivos de
conmutación. Sin embargo, nunca podrían actuar como lo hacen si no se dispusiera del hardware necesario para controlarlos. El control de la electrónica
de potencia plantea muchos retos difíciles, como la magnitud del dominio del
tiempo de control. Esta necesidad es abordada por una plataforma de control:
a partir de tecnologías de componentes ensayados y probados se pueden
construir sistemas individuales más rápidamente y con menos costes y riesgos. AC 800PEC, desarrollada por ABB, es una plataforma que utiliza conceptos innovadores que garantizan un excelente diseño y rendimiento.
L
as plataformas de control son necesarias para satisfacer la demanda de
técnicas más rápidas y rentables. Sin
embargo, estas plataformas crean un
punto único de fallo, lo que representa
un peligro potencial para toda la organización. Desarrollar con éxito una plataforma requiere un diseño minucioso con
un buen balance de coste y rendimiento
de la reutilización, sin afectar en modo
alguno a la calidad.
La clave del éxito de la plataforma de
control AC 800PEC es una colección de
patrones de diseño con gran capacidad
de verificación, una característica fundamental para combinar alta calidad y
rapidez de comercialización.
El concepto de simulación
El concepto base del controlador PEC
(Power Electronic Controller) consiste
en proporcionar un flujo de tareas (workflow) en el que los modelos de simulación se convierten directamente en código objeto del controlador 1 . Esta conversión no requiere nueva codificación
manual. De este modo se elimina una
importante fuente de errores y se consigue gran fiabilidad del comportamiento
de los sistemas simulados y reales.
La arquitectura PEC
En el control de la electrónica de potencia, el dominio del tiempo varía
desde el orden de nanosegundos para
las funciones de conmutación hasta los
segundos para las secuencias de arranques. La ventaja de la arquitectura PEC
es que cubre nueve órdenes de magnitud en el dominio del tiempo de control (de nanosegundos a segundos) y,
sin embargo, sigue siendo sencilla y
flexible.
Para soportar la conversión directa de
modelos de simulación, la arquitectura
2 tiene dos diferencias principales res62
Revista ABB 2/2006
Patrones de diseño
Tecnologías de sistemas integrados
pecto de los sistemas clásicos de control. No se proporciona ningún DSP
(procesador de señal digital) específico
para el control rápido, ni ningún bastidor mecánico donde se interconecten
módulos E/S. Así pues, ¿cómo ejecuta el
PEC el control rápido y cómo se resuelven las conexiones E/S?
El programa de control se puede dividir
en dos tareas principales: control lento
(>ms) y control rápido. Un diseño clásico utiliza dos componentes físicos diferentes para estas tareas principales, una
CPU para el control lento y un DSP para
el control rápido. Investigando diferentes casos de uso, se llegó a la conclusión de que la distribución de cargas
entre el control rápido (valor típico
100 µs) y el control lento (valor típico
10 ms) dependía específicamente de la
aplicación. Dado que la distribución de
la carga era desconocida, se decidió
usar una única CPU para el control rápido y lento, la cual tenía que alcanzar un
rendimiento altísimo. Además de resolver el problema de la distribución de la
carga, esta arquitectura simplifica en
gran medida la implementación de la
generación automática del código.
El concepto de convertir modelos de simulación en código en tiempo real requiere una herramienta de simulación
capaz para la codificación automática.
ABB decidió usar Mathworks® Matlab/
SimulinkTM para simular el sistema, ya
que esta herramienta ofrece una potente
ampliación de Real-Time-WorkshopTM
(RTW) para generar el código objeto.
La arquitectura ha sido diseñada para
soportar sistemas pequeños, muy sensibles a los costes, únicamente con E/S
locales 2c , así como sistemas muy grandes que requieren E/S distribuidas 2d ,
conectadas por fibra óptica. Para estos
sistemas, los circuitos E/S requeridos en
el controlador son completamente diferentes. Para cubrir todos los casos usuales, la solución era aplicar FPGA (Field
Programmable Gate Array) al sistema,
un componente de hardware en el cual
el propio circuito es totalmente programable. Estos componentes se utilizan en
el controlador PEC y en los nodos E/S
El modelo simulado se convierte automáticamente en código ejecutable para el dominio de tiempo real
1
Simulador
Modelo
de control
PEC en
tiempo real
Modelo
de sistema
Sistema
real
Modelo único, adaptable flexiblemente para
distintos dominios de control de tiempo:
2
a
b
c
d
control rápido principal
control lento principal
E/S locales
E/S distribuidas, conectadas con fibra óptica
s
CPU
ms
a
ms
b
μs
FPGA
ns
FO
IO IO
c
IO IO
3
d
Patrones de codiseño definidos por los
modelos ML/SL y VHDL
4
distribuidos. Además de resolver el problema de la flexibilidad, el componente
FPGA está respaldado por un flujo de
tareas suficientemente estudiado de
diseño y simulación.
Análogamente al flujo de tareas de Matlab/SimulinkTM para el desarrollo del
código de control, el flujo de tareas del
componente FPGA se basa en un simulador y un compilador. Aunque se dispone de compiladores que traducen
ciertos modelos Matlab/SimulinkTM a
código VHDL, el flujo de tareas del controlador PEC no aplica tales compiladores. La razón de esta decisión es que la
mayoría de los componentes FPGA existentes en la librería PEC no están modelados ni verificados eficientemente en el
lenguaje Matlab/Simulink TM. En su lugar
se utilizó un flujo de tareas basado en
VHDL para los circuitos digitales. El flujo de tareas VHDL fue desarrollado para
el diseño ASIC (circuito integrado de
aplicación específica), que exige un rendimiento excelente al primer intento 1).
Además, este flujo de tareas ofrece excelentes capacidades de modelización y
verificación.
Sin embargo, en el momento de definir
la arquitectura existía un problema importante, el coste de la CPU de alto rendimiento y del componente FPGA en el
nivel de sistema. Más adelante volveremos al modo en que nuestros socios
tecnológicos resolvieron este problema.
Patrones de diseño para el control
y la verificación
Un patrón de diseño es una plantilla de
solución concebida previamente para
un problema específico. Los ingenieros
de software siguen el método de patrones de diseño desde hace muchos años,
pero en el codiseño de hardware/software la definición de patrones genéri-
Los modelos de sistema se convierten al dominio de tiempo real para
una verificación rápida por medio de la ejecución del hardware PEC.
s
CPU
FPGA
Simulador
ML/SL
Modelo
de control
Controlador
en tiempo
real
PEC en
tiempo real
Modelo
de sistema
Modelo de
sistema en
tiempo real
PEC en
tiempo real
VHDL
ns
IO
Acelerador
IO
Revista ABB 2/2006
63
Patrones de diseño
Tecnologías de sistemas integrados
cos es un asunto complicado [1]. El sistema de control AC 800PEC aplica el
método de patrones de diseño para resolver diversos problemas propios de
las aplicaciones de electrónica de potencia. Una colección de patrones de
diseño reutilizables permite a los ingenieros definir rápidamente nuevos sistemas complejos. El ingeniero de sistemas
puede concentrarse en resolver el problema de su sistema específico combinando patrones previamente concebidos. Los detalles de la implementación
se resuelven con patrones de diseño ya
disponibles.
La diferencia entre los sistemas PEC y la
mayor parte de los demás sistemas es
que los patrones de diseño del sistema
PEC no son puros patrones de software,
sino patrones de codiseño reutilizables 3 .
Se utilizan patrones de codiseño para cubrir nueve órdenes de magnitud en el dominio del tiempo de control (de nanosegundos a segundos), una capacidad no
factible con una sola tecnología (por
ejemplo, software).
Dado el amplio dominio de tiempo soportado, los patrones de codiseño ofrecen una oportunidad única para resolver
tareas de control de alta velocidad, pero
el codiseño implica un gran reto para la
verificación del sistema. Para garantizar
una implementación sin errores es imprescindible una excelente cobertura de
pruebas, pero simular sistemas que cubran nueve órdenes de magnitud en el
5
dominio del tiempo de control (de nanosegundos a segundos) es un proceso
muy lento. Simular un sistema de codiseño PEC completo en una estación de
trabajo de un ordenador personal tardaría días y semanas en completarse, lo
cual es inviable cuando la comercialización ha de ser muy rápida.
Pero el concepto del controlador PEC
tiene una característica intrínseca que
resuelve con gran elegancia este difícil
problema. El PEC se basa en la idea de
ofrecer un flujo de trabajo donde los
modelos de simulación se conviertan directamente en código objeto del controlador. Este principio no sólo es aplicable al modelo de control, sino también
para el modelo de entorno de simulación utilizado con él. Ejecutando concurrentemente el modelo de control y el
modelo del sistema en controladores
PEC 4 , la ejecución de los patrones de
codiseño en tiempo real se acelera significativamente.
Codiseño, un reto real para diseñadores
de sistemas integrados
Un filtro de señales se puede implementar como circuitos electrónicos analógicos, como filtro digital en un FPGA o
como componente de software procesado en una CPU. Es posible que todas las
soluciones ofrezcan idéntica funcionalidad, pero el coste y la capacidad de
reutilización de las soluciones son completamente diferentes. El codiseño con-
Topologías de codiseño de conversión analógica-digital con diversos componentes de la tarea
manejados con circuitos analógicos, en FPGA y en CPU
a
b
c
d
ML/SL
VHDL
1x
ADC
14-bit
25x
ADC
12-bit
N
+
25x
ADC
12-bit
N
+
+
N
ML/SL = Matlab/Simulink
64
Simulación de sistemas para explorar
patrones óptimos de diseño
En el proceso de búsqueda de algoritmos y estructuras óptimos se aplica la
simulación de sistemas para evaluar y
comparar diferentes diseños. Como
ejemplo de funcionamiento del proceso
de codiseño, a continuación estudiamos
el circuito convertidor analógico-digital
(ADC), un componente de los sistemas
de control digital.
El departamento de desarrollo comenzó
los trabajos de mejora del coste y la calidad (relación señal/ruido, S/N) del patrón existente de diseño ADC, elaborando diversas topologías 5 ajustadas a la
arquitectura PEC. Las topologías fueron
simuladas en el entorno Matlab/SimulinkTM para comparar la complejidad y
calidad de las mismas.
El equipo llegó a la conclusión teórica
de que la mejor relación S/N se obtenía
con una combinación de sobremuestreo
y filtros digitales 5a , debido a la capacidad de los filtros digitales [2] para conformar el ruido. El sobremuestreo 5b-d
utilizaba un circuito ADC de coste mucho menor que la solución A, pero requería un filtro digital que funcionara a
una velocidad 25 veces mayor. ¿Era factible implementar el filtro si los cálculos
del mismo se ejecutan en la CPU o dentro del componente FPGA? ¿Merecía la
pena incrementar la carga útil del proceso digital?
Generación directa de código
25x
ADC
12-bit
N
siste en tomar las decisiones correctas
sobre cómo proyectar una solución para
diferentes tecnologías.
Con el desarrollo de los componentes
FPGA para el sistema, el hardware digital se hizo programable, al igual que la
CPU que ejecuta los programas de software. Este desarrollo ha conseguido
nuevos patrones de diseño para el hardware y el sistema, ya que es programable no sólo el software, sino también
los circuitos del hardware. Puesto que
no existe ninguna enciclopedia sobre
codiseño, éste representa un verdadero
reto para el diseñador del sistema.
La capacidad de convertir automáticamente modelos de simulación en aplicaciones de control en tiempo real simplificó la creación de código objeto para las diferentes topologías. Puesto que
el controlador PEC tiene un monitor de
carga interno, era fácil medir la carga
de la CPU (carga útil) para todas las toRevista ABB 2/2006
Patrones de diseño
Tecnologías de sistemas integrados
pologías 6 . La operación del
filtro rápido 6b en el software
dio como resultado la generación de una carga demasiado
alta para la CPU, por lo que
esta solución no resultaba
factible.
Puesto que Matlab/SimulinkTM
ofrece librerías muy amplias,
en realidad no hacía falta desarrollar ningún nuevo código
para diseñar los filtros de la
CPU, ya que los filtros estaban disponibles en las librerías estándar.
8
Se utilizó Matlab/SimulinkTM
para evaluar la topología y
característica de los filtros
FPGA y calcular sus coeficientes. La implementación y simulación de los filtros
se realizó en el entorno VHDL.
En un circuito FPGA, la carga útil se mide en la zona de circuito. En el diseño
de un filtro FPGA existen muchas más
opciones que en el de un filtro digital
calculado en la CPU. La precisión (número de bits), la frecuencia del reloj, la
arquitectura del filtro, la capacidad de
tratamiento (muestras por segundo), el
número de bloques MAC (multiplicaEvaluación de carga objetivo de las variantes
b
c
Durante el codiseño se modeló
el sistema real, inclusive el ruido de señal previsto. En muchos sistemas, el ruido es impredecible y la simulación del
ruido poco fiable. Por consiguiente, la verificación real
sigue siendo importante para
garantizar la calidad del producto 8 .
Coste y rendimiento, objetivo
móvil
Componentes VHDL optimizados
6
Verificación real
Verificación 12-bit en tiempo real / 1MSps ADC (amarillo) y filtro
FPGA con conformación de ruido (rosa)
ción-acumulación) por filtro y el número de canales por filtro son aspectos
programables de los que resultan numerosas alternativas de diseño, todas
ellas con distintas cargas útiles. La topología 5c ofrecía la solución de codiseño
de mejor coste, con un filtro de alta velocidad operando dentro del circuito
FPGA y un filtro más lento calculado
por la CPU. Finalmente se eligió esta
solución como patrón de diseño para la
conversión ADC 7 .
5b-d
d
ML/SL
RTW
Compiler
Target
CPU
Load
Monitor
En el momento de su definición, en 1999, la arquitectura
PEC tenía el inconveniente del
alto coste de la CPU y del componente FPGA en el nivel de
sistema. Puesto que estos componentes eran muy caros por
aquel entonces, se utilizaron principalmente en aplicaciones de nivel superior, como simuladores de vuelo y sistemas prototipo para el desarrollo de circuitos ASIC.
Dada la rápida evolución y mejora de la
tecnología de procesos para circuitos
digitales, el coste de fabricación de las
unidades CPU y FPGA se redujo espectacularmente. En un plazo de 5 años, el
coste de estos circuitos digitales se redujo en más del 90%. Cuando estos dispositivos de menor coste estuvieron
disponibles en el mercado, se hizo patente otra ventaja de la arquitectura, la
excelente portabilidad de la aplicación.
ABB ofrece actualmente controladores
AC 800PEC, productos de excelente calidad a precios muy competitivos, basados en la rentable tecnología de proceso de silicio de 90 nm.
Ernst Johansen
ABB Schweiz AG
Turgi, Suiza
ernst.johansen@ch.abb.com
7
Patrón óptimo de filtro VHDL (variante
5c )
Bibliografía
[1] F. Mayer-Lindenberg, Dedicated Digital Procesc
sors: Methods in Hardware/Software Co-Design,
35-bit
Simulator
IIR
VHDL
Testbench
8 Ch
John Wiley & Sons (February 12, 2004),
ISBN 0-470844-44-2
ML/SL
[2] Walt Kester, Analog-Digital Conversion,
Analog Devices Inc. (March 2004),
ISBN 0-916550-27–3, 2.37–2.41
VHDL
1x MAC
Notas
80 MHz
1)
El rendimiento al primer intento es la relación entre
el número de “buenas” unidades (que no necesitan
ML/SL = Matlab/Simulink
Revista ABB 2/2006
repaso) y el total de unidades fabricadas.
65
Energía inalámbrica en
productos sin cables
Eliminar el cable de alimentación
Guntram Scheible, Rolf Disselnkoetter
Una aplicación industrial puede tener
miles de subsistemas integrados que
necesitan comunicarse con su entorno. Cada uno de ellos requiere sus
propios datos y su propia conexión de
potencia. El cableado, costoso de instalar, es una fuente de frecuentes fallos y un freno a la flexibilidad. Estas
aplicaciones funcionan mejor con tecnologías inalámbricas.
La comunicación inalámbrica en entornos de automatización ha avanzado
mucho durante los últimos años [1].
Sin embargo, las fuentes de alimentación sin cables siguen siendo un reto.
En 2004, ABB comercializó una serie
de productos inalámbricos únicos, los
conmutadores de proximidad inalámbricos que no utilizan cables ni para la
comunicación ni para la fuente de
energía. Desde la introducción de estos dispositivos se ha seguido ampliando la tecnología “WISA” (Wireless
Interface to Sensors and Actuators)
[2], que sirvió para desarrollar los mismos, para incluir nuevos productos y
perfiles de comunicación.
66
Revista ABB 2/2006
Energía inalámbrica en productos sin cables
Tecnologías de sistemas integrados
L
os dispositivos que más se benefician de las fuentes de alimentación
inalámbricas son los componentes de
sistemas de control y automatización
distribuidos, generalmente sensores y
actuadores, que con frecuencia tienen
inteligencia integrada. Están situados
generalmente en entornos remotos,
donde no se dispone de fuente de alimentación general, o en zonas de difícil acceso. Pueden encontrarse, entre
otros numerosos dispositivos, en unidades móviles como robots o en entornos de alta tensión.
En estas aplicaciones, la eficiencia
energética es una cuestión básica. El
consumo de energía de las tecnologías inalámbricas convencionales,
como las utilizadas, por ejemplo, en
componentes inalámbricos estándar
de oficinas, suele ser mucho mayor
que el de sistemas dedicados que
han sido diseñados para consumir
poca energía. Los dispositivos de bajo consumo ahorran energía utilizando modos jerárquicos de funcionamiento intermitente. La mayoría de
las aplicaciones, como recopilación
de datos, actuación, proceso y comunicación, se realizan únicamente en
momentos específicos. Tales tareas se
pueden realizar utilizando modos de
funcionamiento intermitente alternado con fases de letargo que ahorran
energía.
1
Fuentes de energía inalámbrica
En términos generales, la potencia/
energía inalámbrica puede:
Incluirse en el sistema en forma de
baterías, pilas de combustible, etc.
Obtenerse del entorno local en forma de luz, calor, vibración, activación del usuario, etc.
Transmitirse al sistema por medio
de frecuencias ópticas o de radio,
sonido, etc.
Aunque el uso de la energía de las
baterías se considera aceptable para
los productos de consumo, la recarga
o sustitución habitual de baterías no
es una opción práctica en las aplicaciones industriales normales. En zonas
muy lejanas, las baterías siguen siendo la única opción práctica, quizás
combinadas con la energía solar o
geotérmica. Sin embargo, las baterías
no son una opción razonable en aplicaciones industriales generales, en las
cuales funcionan día y noche cientos
de dispositivos que requieren fuentes
de energía constantes y fiables. Su
densidad de energía, en torno a 1,2
Wh/cm3, es demasiado pequeña. Las
pilas de combustible son algo mejores, pero su densidad es de poco más
de 2 Wh/cm3 y han de desarrollarse
mucho, antes de poder ser útiles en
las instalaciones industriales habituales.
Las tecnologías de alimentación inalámbrica de ABB se basan en el conocido principio del transformador.
A-p
ow
otros
(servoaccionamientos)
soldadura
2
WISA-POWER: Alimentación eléctrica inalámbrica. Una fuente de energía a alimenta
un circuito primario b con una corriente a
120 kHz. Los sensores c en el interior del
circuito primario están equipados con bobinas secundarias. El esquema de la derecha
muestra el diagrama de circuito equivalente
con acoplamiento débil.
c
b
c
c
a
a
c
c
c
b
3
c
Disposición “Helmholtz” de bobinas
rectangulares integradas en una
aplicación industrial. D es la separación
entre bobinas y S la menor dimensión
(anchura o altura).
arrollamiento
secundario
er
potencia media
sin contactos
WIS
arrollamiento
primario
alta potencia
sin contactos
Tecnologías de
Principio de un
transformador
I/D sin cables válvulas
gran volumen
sin cables
sensores
individuales
Las fuentes de energía medioambientales tampoco satisfacen las necesidades de las aplicaciones industriales
debido a lo imprevisible de su utilidad
general y de su fiabilidad y, por tanto,
no cumplen las condiciones mínimas.
Tales soluciones también supondrían
altos costes de ingeniería y de diseño
para cada aplicación individual.
Tras una minuciosa evaluación de las
diversas opciones disponibles [3] parece que la única solución viable, de
aplicación general, se basa en radiofrecuencias de onda larga, una forma
de “acoplamiento magnético”. ABB
dispone de varias opciones de fuentes
10 m
100 m
1
10
1k
100 k
Energía/W (RMS!)
Revista ABB 2/2006
67
Energía inalámbrica en productos sin cables
Tecnologías de sistemas integrados
de energía con acoplamiento magnético 1 . Dependiendo de la distancia de
transmisión es posible implementar
una amplia variedad de aplicaciones y
numerosos niveles de potencia.
Las necesidades de energía de los dispositivos electrónicos distribuidos en
entornos de automatización de fabricación discreta, como, por ejemplo,
los sensores individuales y los dispositivos inalámbricos E/S, son cubiertas
por la primera generación de productos WISA 1 . La unidad de alimentación inalámbrica WPU100, junto con
una configuración de bobina (“hilos
del circuito primario”), proporciona
una fuente de energía de bajo nivel
para grandes distancias (algunos metros). Esta solución es adecuada para
la mayoría de los sensores y actuadores empleados en la automatización
de la fabricación discreta.
WISA-POWER: La ’fuente magnética’
El fundamento de una fuente de energía inducida por un campo magnético
puede describirse mediante el conocido principio del “transformador” 2 .
En el caso de la unidad WPU100, la
fuente de energía alimenta el devanado primario 2b , una gran bobina que
puede disponerse alrededor de una
célula de producción, cuyo lado secundario corresponde a un número
prácticamente ilimitado de pequeñas
bobinas receptoras 2c . Cada bobina
receptora incluye un núcleo de ferrita
para aumentar el flujo recogido por la
bobina.
Para este tipo de “transformador”, el
acoplamiento magnético es bajo. La
potencia admisible está determinada
por la amplitud del campo magnético
en el lugar del devanado “receptor”
(secundario). Sin embargo, si las bobinas primarias están configuradas en
una disposición de tipo “Helmholtz”
3 , el campo (y, por tanto, la potencia
admisible) será prácticamente constante en un gran espacio.
Las reglas de diseño en cuanto al número y tamaño de las bobinas primarias son muy simples: D = 0,7 x S,
donde S es la menor dimensión (anchura o altura) de la estructura de una
bobina y D es la separación entre bobinas para proporcionar una amplitud
de campo suficientemente homogénea
dentro de la disposición 3 .
68
Aunque la gente pocas veces trabajará
continuamente en una célula de producción automatizada de este tipo, la
intensidad del campo magnético en
todas las posiciones normales de trabajo (inclusive dentro de la célula)
cumple las reglas y recomendaciones
internacionales de trabajo profesional
[4]. WISA-POWER funciona a una frecuencia similar (120 kHz) y de forma
exactamente igual que muchos de los
sistemas antirrobo y de identificación
de radiofrecuencias utilizados en tiendas y supermercados.
Dentro de este campo magnético, limitado en amplitud, se pueden elevar
los niveles de potencia de acuerdo
con las necesidades de diferentes aplicaciones, modificando el tamaño de la
bobina secundaria. Esto permite conectar sistemas integrados con potencia inalámbrica mediante la integración de una bobina receptora y de un
circuito adecuados. Un buen ejemplo
puede verse en 4 . Artis, compañía establecida en Bispingen (Alemania), ha
utilizado tecnología WISA-POWER para crear su propia electrónica en el
lado secundario, adaptada a las necesidades especiales de sensores de las
herramientas de mecanizado [5].
Las pérdidas de energía en un sistema
como éste son sorprendentemente pequeñas y se deben sobre todo a efectos peliculares (Kelvin) y de corrientes
de Foucault en la bobina o en objetos
metálicos cercanos. En entornos típi-
4
Bobina local primaria WISA-POWER,
integrada en una máquina herramienta con
bobina receptora proporcionada por el
cliente y electrónica integrada (sistema inalámbrico de sondeo herramental DDU WiSy
por cortesía de ARTIS GmbH, Bispingen,
Alemania)[5]
cos de automatización de fábricas, las
pérdidas de energía están en torno a
15 W/m3.
Fuente de alimentación resonante
a frecuencia media
Estos transformadores no convencionales funcionan mejor en modo ‘resonante’. En este modo, las inductancias
de fuga relativamente grandes de los
transformadores son compensadas por
una capacitancia, que permite a la
unidad WPU estimular el circuito resonante a tensiones relativamente bajas.
La fuente de energía primaria de WISA
WPU100 ha de poder admitir también
otras condiciones:
Cambios en el entorno a lo largo
del tiempo, por ejemplo debidos al
movimiento de grandes objetos metálicos móviles, como los robots.
Diferentes requisitos de ’carga’, debidos a bobinas primarias diferentemente dimensionadas (valores de
las inductancias), y pérdidas causadas por diferentes factores, como
las corrientes de Foucault, en objetos metálicos contiguos.
Otros sistemas de alimentación inalámbricos cercanos, que pueden
acoplarse inductivamente.
Para satisfacer estos requisitos, WISA
WPU100 contiene una unidad de control rápida y muy precisa que compensa estos cambios y mantiene automáticamente el sistema primario en
una frecuencia de resonancia fija de
120 kHz. La unidad WPU100 puede
5
Estructura de bobina primaria toroidal WISAPower en una devanadora de cable completamente giratoria (ABB High Voltage Cable,
Karlskrona, Suecia). 156 conmutadores de
proximidad inalámbricos WPS con electrónica integrada giran en un complejo movimiento bidireccional dentro de la máquina
para garantizar una producción sin fallos.
Revista ABB 2/2006
Energía inalámbrica en productos sin cables
Tecnologías de sistemas integrados
adaptarse para cargas inductivas de
11–54 µH y corrientes de alimentación
de 4–24 A.
Las unidades primarias WPU100 se
sintonizan y controlan automáticamente, lo que significa que el sistema
de alimentación WISA-POWER se puede emplear para diferentes aplicaciones sin más que modificar la geometría de las bobinas primarias, por
ejemplo, utilizando estructuras de bobinas de tipo toroidal o lineal, o bobinas locales 4 5 . Este aspecto es particularmente útil si la potencia inalámbrica sólo se necesita en ciertas áreas
de una instalación, por ejemplo, en
dispositivos que se mueven a lo largo
de una estructura anular o lineal, o
para enlazar puntos críticos en un sistema.
Debido a sus especiales capacidades,
la unidad WPU100 se puede utilizar
también en aplicaciones con unidades
receptoras de energía personalizadas,
adaptadas a las necesidades específicas, geométricas y de la aplicación 4 .
Campo rotatorio
Los campos magnéticos unidireccionales pueden ser apantallados por objetos metálicos de forma no intencionada. Para evitar que esto ocurra, se
pueden montar dos bucles ortogonales. Los bucles han de ser alimentados
por fuentes de alimentación separadas, cuyas corrientes están desfasadas
90° entre sí. Esto crea un campo bidimensional continuamente giratorio.
Estructura de receptor omnidireccional
Para conseguir suficiente potencia de
salida en el lado receptor, las bobinas
secundarias han de operar también en
modo resonante. Además, para que la
potencia disponible sea independiente
de la orientación del receptor respecto del vector de campo primario, se
ha elegido una configuración ortogonal de tres bobinas sobre un núcleo
común. Al ser fácilmente sintonizable
con la frecuencia de resonancia fija,
esta disposición resulta muy apropiada para la fabricación en serie.
Utilizando esta tecnología, las densidades de potencia disponibles para
las condiciones de apantallamiento típicamente “más desfavorables” en
aplicaciones reales siguen siendo del
orden de 1,2 mW/cm3. El nivel absoluto de potencia se puede modificar
con el tamaño y la forma de las bobinas.
La escalabilidad e integración de bobinas receptoras WISA-POWER dentro
de productos han sido demostradas
en diversas aplicaciones. El consumo
total de potencia del conmutador de
proximidad inalámbrico y su electrónica 6 es sensiblemente inferior a
10mW; el nuevo bloque de sensores,
WSP100 7 , que permite conectar y alimentar hasta ocho cabezas sensoras,
puede proporcionar varias decenas de
milivatios ya en las condiciones “más
desfavorables” de apantallamiento. En
condiciones normales, con este tama-
ño, el principio WISA-POWER puede
proporcionar varios cientos de miliwatios y hasta 1 vatio en condiciones
controladas.
Futuro sin límites
Con la introducción de tecnologías
WISA de alimentación eléctrica y comunicación, ABB ha conseguido grandes avances en la tecnología de sistemas integrados inalámbricos. Los problemas fundamentales de distribución
de la potencia inalámbrica y de fiabilidad de la comunicación inalámbrica
en tiempo real han sido resueltos satisfactoriamente.
La tecnología genérica y modular de
la familia de productos WISA, que
empezó con los conmutadores de
proximidad inalámbricos, se está ampliando actualmente para otros dispositivos y aplicaciones. Las tecnologías
genéricas de alimentación WISAPOWER y de comunicación WISACOM podrán ser utilizadas en muchas
otras aplicaciones.
Guntram Scheible
ABB STOTZ-KONTAKT GmbH
Heidelberg, Alemania
guntram.scheible@de.abb.com
Rolf Disselnkoetter
ABB Corporate Research
Ladenburg, Alemania
rolf.disselnkoetter@de.abb.com
Bibliografía
6
Integración del ‘Cubo de Potencia’ WISAPOWER en el módulo de comunicación
WISA WSIX100 de un conmutador de proximidad inalámbrico
7
Integración de un ‘Cubo de Potencia’
WISA-POWER en el bloque de sensores
WISA WSP100 para alimentar ocho cabezas sensoras y su comunicación WISACOM en tiempo real
[1] Niels Aakvaag, Jan-Erik Frey: Comunicación inalámbrica y redes de sensores, nuevas soluciones
de interconexión para la automatización industrial.
En este número de Revista ABB.
[2] Jan-Erik Frey, Andreas Kreitz, Guntram Scheible:
Desenchufado pero conectado. Revista ABB 3 y
4/2005
[3] G. Scheible: Wireless energy autonomous systems: Industrial use? Sensoren und Messysteme
VDE/IEEE Conference, Ludwigsburg, Germany,
March 11-12 2002.
[4] International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP): Guidelines for Limiting
Exposure to Time-Varying Electric, Magnetic, and
Electromagnetic Fields (up to 300 GHz). Health
Physics vol 74, no 4, 494-522, 1998.
[5] Berend Denkena, Dirk Lange, Dipl.-Ing. Jan
Brinkhaus: Spielraum in der Überwachung; Fachzeitschrift mav „maschinen anlagen verfahren“
Konradin Verlag Robert Kohlhammer, 2005
Revista ABB 2/2006
69
Hacia la mayoría de edad
Sistemas integrados FPGA y VHDL
Erik Carlson, Franz Zurfluh, Catherine Körbächer
Buscar una solución electrónica para
un problema puede convertirse en una
tarea desalentadora, aparentemente
insuperable. A menudo, la velocidad
del avance tecnológico hace que el
cliente no llegue a convencerse de
que dispone del aparato más moderno
y eficiente. Los diseñadores de sistemas integrados de altas prestaciones
se esfuerzan sin cesar para integrar en
un mismo paquete más potencia de
proceso. Es necesario decir que este
“esfuerzo” viene en buena medida dictado por la exigencia, cada día mayor,
de comercialización rápida, por la demanda de más eficiencia energética y
mayor capacidad, y por la necesidad
de sacar máximo rendimiento de un
dispositivo. Sin embargo, es muy probable que los clientes, en lugar de
comprar nuevos dispositivos, prefieran
actualizar o añadir nuevas características a los que ya tienen. Tradicionalmente, esto se ha hecho diseñando
los productos con microprocesadores
y software.
Una forma de satisfacer esta demanda
es aplicar tecnología FPGA en lugar de
procesadores de señales digitales. Introduciendo la lógica FPGA es posible
utilizar el hardware con tanta flexibilidad como el software. Además de
conseguir alta velocidad es posible reducir el consumo de potencia y reutilizar fácilmente circuitos lógicos bien
acreditados. ABB lleva varios años
usando tecnología FPGA de media y
alta tensión, especialmente para el
sector de la automatización. En este
artículo se discuten algunos aspectos
del diseño FPGA, además de sus ventajas para ABB y sus clientes.
U
na matriz de puertas programable por
el usuario, más conocida como FPGA,
es un dispositivo semiconductor que contiene componentes lógicos e interconexiones programables. Los componentes lógicos se pueden programar para duplicar la
funcionalidad de las puertas lógicas básicas (como Y, O, O exclusivo, NO) o de
funciones combinatorias más complejas
como decodificadores o funciones matemáticas sencillas. En la mayoría de FPGA,
estos componentes lógicos programables
(o bloques lógicos, en jerga FPGA) incluyen también elementos de memoria, que
pueden ser simples flip-flops o bloques de
memoria más completos.
La tecnología FPGA fue introducida hace
varios años 1 . Sin embargo, sus limitaciones de coste y rendimiento redujeron su
campo de aplicación al desarrollo rápido
de prototipos. La producción en serie se
realizaba entonces utilizando un diseño
ASIC 1) (Circuito Integrado de Aplicación
Específica).
Hoy en día, el desarrollo de circuitos ASIC
lleva mucho más tiempo y tiene mayores
costes de utillajes debido al rápido aumento de la complejidad. A medida que se ha
70
Revista ABB 2/2006
Hacia la mayoría de edad
Tecnologías de sistemas integrados
reducido el tamaño de los dispositivos y
se han perfeccionado las herramientas de
diseño, la complejidad máxima (y, por
tanto, la funcionalidad) posible en un
ASIC ha pasado de 5.000 a más de 100 millones de puertas. Para diseños con menores volúmenes de producción, las matrices
FPGA son hoy por hoy más rentables que
el diseño ASIC. Otras ventajas son la mayor rapidez de comercialización, los menores costes de ingeniería no recurrente
y la capacidad de reprogramación in situ
para añadir nuevas funciones o corregir
fallos. Además, los dispositivos FPGA
contienen bloques lógicos e interconexiones programables que permiten utilizar un
mismo FPGA en muchas aplicaciones diferentes. La estructura regular de la matriz
de celdas se presta a utilizar formas muy
pequeñas. De hecho, los diseños FPGA
cumplen con creces la ley de Moore 2).
En las familias FPGA actuales ya se dispone
de varios millones de puertas. Es posible
realizar interconexiones en hasta 9 capas
metálicas, permitiendo así una fácil supervisión y verificación durante las fases de desarrollo y depuración. Potentes controladores de impulsos de reloj, funcionando conjuntamente con software complejo de encaminamiento, permiten conseguir frecuencias internas de reloj de hasta 1 GHz.
En comparación con sus homólogos ASIC,
los diseños FPGA tradicionales generalmente son más lentos, no pueden manejar
diseños complejos y consumen más potencia. Para reducir el consumo, los controladores de señales de reloj se han diseñado para permanecer inactivos cuando
1
no se usen. Esta característica se ha optimizado en varios equipos portátiles que
funcionan con baterías, un caso en que el
bajo consumo de energía es fundamental.
Desafortunadamente, el pequeño tamaño
de los dispositivos provoca una importante corriente de fuga estática, algo que se
ha de tener en cuenta al selecciona la tecnología FPGA Óptima.
Los modernos diseños FPGA incluyen
también funcionalidad interna de nivel
superior. Estas estructuras fijas de hardware –junto con las estructuras regulares
de puertas– no sólo reducen el área requerida, sino que también aumentan la
velocidad. Ejemplos de funciones integradas son los multiplicadores, los bloques
DSP genéricos, los procesadores integrados, la lógica E/S (entrada/salida) de alta
velocidad y las memorias integradas. Y,
algo muy importante, también se dispone
de diseños normalizados y probados para
tareas complejas, tales como las Transformadas Rápidas de Fourier (FFT) para
análisis armónico, los algoritmos CORDIC3) para la manipulación de vectores y
los núcleos microprocesadores de alto
rendimiento. Estos bloques se implementan con celdas lógicas normales. Se denominan bloques IP (Intellectual property) y
pueden obtenerse tanto de proveedores
FPGA como en el comercio.
Tecnología FPGA, de glue logic a
System-on-Chip
Utilizadas antes sólo para dispositivos de
integración glue logic, las matrices de
El progreso de la tecnología FPG está llegando a más y más aplicaciones.
Volumen
de aplic
Prestaciones y densidad
Funciones
específicas de
la aplicación
LSI
Integración
de pequeños
sistemas
Glue-logic
Memoria de vía
de datos y control
PCI
Filtros FFT/FIR
Encriptación
Descodificador
MP3
Automatización
industrial
Imágenes médicas
Sistemas de control
Tarjetas gráficas
Impresoras
Contadoressumadores
Puertas y FFs
1980
Revista ABB 2/2006
1990
2000
puertas FPGA han progresado hasta el
punto de que permiten crear diseños SoC
(System-on-Chip) en un único dispositivo.
Durante los 10 últimos años, el número
de puertas y funciones ha aumentado
espectacularmente: la capacidad de los
dispositivos FPGA se ha multiplicado por
más de 200 y la velocidad por más de
20 para competir con las capacidades que
tradicionalmente sólo ofrecían los dispositivos ASIC. Las innovadoras características
arquitectónicas y de circuitos son igualmente importantes, como lo son los avances de la metodología de diseño. Las frecuencias de reloj de sistemas externos
exceden hoy día los 150 MHz. El coste de
un FPGA con funcionalidad de 10.000
puertas se ha reducido en un factor mayor que 100. Las entradas/salidas han de
ser compatibles con muchos nuevos estándares y han de poder gobernar líneas
de transmisión.
Circuitos de dispositivos específicos
integrados en FPGA
Los Bloques Lógicos Configurables (CLB)
proporcionan los elementos funcionales
para la lógica combinatoria y síncrona.
Las tecnologías actuales contienen elementos de almacenamiento, generadores
de funciones (tablas de consulta, registros
de desplazamiento), puertas lógicas aritméticas y multiplexores.
Con respecto a los circuitos de control
de temporización, se implementan
circuitos modificadores de señales de
reloj como bucles analógicos de sincronización de fase (PLL, Phase-LockedLoops)4) o bucles digitales de sincronización de retardo (DLL, Delay-LockedLoops)5). Los circuitos PLL y DLL se utilizan para compensar el sesgo o desalineación de la señal de sincronización y
para sintetizar dicha señal (multiplicación/división). Los últimos diseños FPGA
disponen de circuitos PLL/DLL flexibles y
algunos nuevos dispositivos FPGA soportan multiplexado de reloj sin interferencias, además de parada del reloj para
aplicaciones de baja potencia.
Las interfaces avanzadas como, por ejemplo, Bloques de Entrada/Salida (Bloques
E/S), pueden programarse como elementos de entrada, de salida y bidireccionales, y los registros son flip-flops de disparo por flanco o circuitos de retención (latches) sensibles al nivel de la señal. También soportan diversos estándares de terminación sencilla como LVTTL, Peripheral
Component Interconnect (PCI)6) y señalización diferencial. Los modernos disposi71
Hacia la mayoría de edad
Tecnologías de sistemas integrados
tivos FPGA son compatibles con muchos
estándares y tensiones de entrada/salida.
Utilizando bloques CLB es posible emular
pequeñas memorias RAM, pero éstas son
lentas y consumen gran cantidad de lógica. Muchos dispositivos FPGA disponen
hoy en día de bloques RAM de puerto de
acceso simple, doble y cuádruple. Son
implementaciones de memoria RAM optimizadas en coste y prestaciones.
Otros circuitos de dispositivos específicos
integrados en las actuales FPGA son los
siguientes:
Núcleos CPU de software y hardware:
Un dispositivo FPGA con un bloque IP de
hardware CPU integrado es una nueva categoría de microprocesador. Hoy en día se
dispone de productos con CPU de 8 ó 32
bits. Los dos componentes básicos de una
plataforma FPGA son el núcleo de la CPU
y la arquitectura de buses sobre chips.
Multiplicadores: Algunas familias FPGA incluyen multiplicadores hardware especiales –algunos varían de 8 × 8 a 18 × 18
bits– que contribuyen a aumentar la potencia de cálculo. Se pueden modelar multiplicadores en prácticamente cualquier
FPGA usando bloques CLB, pero la modelación requiere una gran cantidad de lógica y los multiplicadores son más lentos
que los multiplicadores dedicados.
Proceso de desarrollo de los dispositivos
FPGA
Diseñar una FPGA con un millón de
puertas se ha convertido en un problema
arquitectónico y de nivel de sistema. Los
lenguajes más modernos, como UML7)
(Unified Modeling Language), son necesarios para garantizar una especificación
y un diseño correctos. La simulación y
verificación se suele realizar con “Mathlab” u otras herramientas de simulación
de alto nivel. Sin embargo, la descripción
de la lógica se realiza principalmente por
medio de un lenguaje HDL de descripción del hardware.
Un lenguaje HDL describe circuitos electrónicos en términos del funcionamiento
del circuito, de su diseño y de las pruebas necesarias para verificar su funcionamiento por medio de simulación. A diferencia de un lenguaje de programación
de software, la sintaxis y la semántica de
HDL incluyen notaciones explícitas para
expresar el tiempo y la concurrencia, que
son los atributos básicos del hardware.
VHDL (VHSIC Hardware Description Language) es un lenguaje de descripción de
circuitos integrados de muy alta veloci72
dad muy utilizado como lenguaje de entrada de diseño para FPGA y ASIC en el
campo de la automatización del diseño
electrónico de circuitos digitales.
VHDL fue desarrollado originalmente a
principios de los años ochenta a requerimiento del Departamento de Defensa de
EE UU para documentar el comportamiento de los circuitos ASIC que los proveedores incluían en los equipos. En
otras palabras, fue desarrollado como alternativa a los enormes y complejos manuales de instrucciones. La ventaja principal de VHDL cuando se utiliza para el diseño de sistemas es que permite describir
(modelar) y verificar (simular) el comportamiento del sistema requerido antes de
que las herramientas de síntesis traduzcan
el diseño a un hardware real. Otra ventaja es que VHDL permite describir un sistema concurrente y sintetiza detalladamente la estructura desde una especificación más abstracta.
del hardware, llamada netlist, para la herramienta de trazado (layout).
El paso siguiente, denominado trazado o
emplazamiento y conexionado (place-androute), consiste en proyectar las estructuras
lógicas descritas en la netlist en forma de
macroceldas, interconexiones y pines de
entrada y salida. En otras palabras, la netlist
se ajusta a la arquitectura FPGA real. Sin
embargo, algunos factores, como la optimización de la velocidad y de la superficie,
limitan el trazado. La herramienta de trazado puede generar otra netlist con la información del retardo de sincronización en
formato SDF (Standard Delay Format)8).
Esta netlist se puede usar también para la
simulación en el banco de pruebas con objeto de verificar el correcto comportamiento de la temporización. Finalmente se genera un flujo de bits de configuración. Este
archivo se puede descargar en la memoria
de control del dispositivo FPGA o directamente en el propio dispositivo FPGA.
Proceso básico de diseño de VHDL
La creación de la estructura y del comportamiento de una aplicación antes poder descargarla en un dispositivo FPGA
requiere varios pasos. En 2 se ilustra el
proceso básico de diseño de VHDL.
El primer paso es la codificación del diseño, que puede hacerse usando un lenguaje de descripción de hardware, como
VHDL, Verilog o SystemC, o bien generando el código con los llamados compiladores de sistemas (véase ‘Diseño de
aplicaciones DSP para FPGA’, más adelante en este mismo artículo). Paralelamente se desarrolla un banco de pruebas
para poder verificar el diseño utilizando
un simulador, que ejecuta el diseño y
comprueba los resultados. Una vez corregidos todos los errores del diseño se realiza una síntesis completa, durante la cual
se genera una representación intermedia
2
Proceso de señales digitales basado
en FPGA
Los dispositivos FPGA de tecnología avanzada proporcionan la capacidad funcional
básica para implementar funciones de
proceso de señales, incluso en las series
de bajo coste. Estos dispositivos son ideales como coprocesadores o preprocesadores/posprocesadores para descargar funciones de cálculo muy intenso. Implementar algoritmos de proceso de señales en
un dispositivo FPGA, en lugar de utilizar
un DSP, proporciona al diseñador grados
adicionales de libertad. Como muestra 3 ,
se pueden implementar cálculos muy rápidos en paralelo, para aplicaciones que
han de tratar un gran caudal de datos, y
en semiparalelo o en serie para aplicaciones de bajo precio. La arquitectura se
puede personalizar idealmente para dife-
Proceso básico de diseño de VHDL
Codificación
de diseño
Banco de pruebas
de desarrollo
Código VHDL
Síntesis
Netlist
Esquema
Netlist VHDL
Código VHDL
Simulación
SDF y Netlist
Generación de
archivo BIT
Revista ABB 2/2006
Hacia la mayoría de edad
Tecnologías de sistemas integrados
rentes aplicaciones que permitan alcanzar
las prestaciones y costes deseados.
Sin embargo, las herramientas de diseño
son el cuello de botella en los diseños
DSP implementados en un dispositivo
FPGA. El diseño de sistemas DSP en dispositivos lógicos programables requiere
herramientas de desarrollo de algoritmos
y HDL de alto nivel. Actualmente, los
principales proveedores de FPGA ofrecen
herramientas generadoras de DSP que
ayudan a acortar los ciclos de diseño
DSP. Estas herramientas combinan las capacidades de desarrollo de algoritmos,
simulación y verificación de Matlab® y
Simulink® con síntesis, simulación y trazado (place-and-route).
Diseño de aplicaciones DSP para FPGA
Con frecuencia, la parte DSP del diseño FPGA es tan sólo un bloque en
una implementación de mayores dimensiones que utiliza métodos y herramientas tradicionales de diseño
FPGA. En el futuro será esencial contar con un planteamiento de diseño
de sistemas integrados que ayude a la
simulación y desarrollo de cada parte
específica. Existen muchos procedimientos posibles, que abarcan desde
los métodos de codificación manual y
los diseños basados en modelos -C/
C++ para síntesis RTL–, hasta síntesis
DSP para modelar e implementar funciones DSP en dispositivos FPGA.
Diseño basado en modelos: Matlab® es
un entorno bien conocido de creación
de modelos matemáticos. Simulink® soporta la simulación de sistemas de tiempo continuo y discreto, con librerías para modelar sistemas DSP y de comunicaciones, así como las capacidades de
análisis de datos y de visualización. Por
tanto, es una plataforma adecuada para
herramientas de diseño FPGA. Los proveedores de dispositivos FPGA han de-
A modo de ejemplo, 4 muestra cómo se
implementa un filtro FIR (Finite Impulse
Response) con N coeficientes en un DSP
(usando arquitectura von Neumann)9). En
este caso se necesita un total de n ciclos
para producir la salida. Sin embargo, un
dispositivo FPGA puede manejar en paralelo las operaciones de multiplicación y
acumulación, siendo preciso un solo ciclo
de reloj para hacer el cálculo completo.
3
Implementar algoritmos de proceso de señales en un dispositivo FPGA, en lugar de un DSP, ofrece al diseñador
más grados de libertad: estructura optimizada en velocidad (extremo izquierdo) o en coste (extremo derecho)
Paralelo
Semiparalelo
Serie
sarrollado herramientas, además de Simulink®, que soportan la modelización
de sistemas. La herramienta consta de
modelos IP parametrizados que representan algunas operaciones DSP como,
por ejemplo, funciones FFT (Transformada Rápida de Fourier) o de filtros
FIR. El principal problema de esta técnica es que la transición desde el dominio
algorítmico y el dominio de implementación no es totalmente automática: muchos aspectos de bajo nivel del modelo
han de ser manejados manualmente.
C/C++ para RTL: Diversas herramientas
disponibles comercialmente permiten
hacer la síntesis de la lógica de transferencia de registros (RTL, Register Transfer Logic)10) desde el código C/C++.
Algunas de ellas requieren información
adicional de la arquitectura específica en
el código fuente C para definir la concurrencia y la temporización, mientras que
otras permiten la síntesis directa de RTL
desde ANSI C o C++.
Síntesis DSP: Las herramientas de síntesis DSP permiten a los ingenieros diseñar y simular algoritmos DSP en el nivel
Simulink®. También soportan una forma
automatizada de migrar el diseño al nivel de implementación (RTL). La característica fundamental de la solución es
un ‘conjunto de bloques’ que pueden
utilizarse en Simulink. Por consiguiente,
el diseñador de DSP entra en el proceso sólo en el nivel algorítmico y no tiene que ocuparse de definiciones en de-
DQ
DQ
Fabricantes de FPGA
4
Procesador DSP tradicional (izquierda), solución FPGA (derecha), que permite el procesamiento
en paralelo
FPGA
DSP
Datos en
Datos
en
Reg
Reg 0
C0
x
Algoritmo
de bucle
n veces
Reg 1
C1
x
Reg 2
C2
x
Reg n
Cn
x
MAC
+
Salida
de datos
Revista ABB 2/2006
MAC
operaciones en
1 ciclo de reloj
+
Salida de datos
x
Xilinx ha sido tradicionalmente
líder de FPGA.
Altera es el segundo peso pesado
de FPGA.
Lattice Semiconductor concentra su
actividad en sistemas FPGA con
funciones optimizadas de bajo coste y sistemas FPGA no volátiles, de
tecnología flash.
Actel fabrica sistemas FPGA de tecnología flash, antifusibles y reprogramables.
QuickLogic fabrica productos antifusibles (programables sólo una vez).
Cypress Semiconductor
Atmel proporciona microcontroladores AVR con estructura FPGA en
el mismo chip.
Achronix Semiconductor está desarrollando sistemas FPGA muy rápidos.
73
Hacia la mayoría de edad
Tecnologías de sistemas integrados
cisiones de implementación
Una familia de productos para
5 Una típica tarjeta integrada con FPGA, microprocesador xScale y
de bajo nivel. Los únicos atrila adquisición de datos analógisoporte de comunicaciones, todo ello parte integrante del proyecto
butos necesarios son los recos y para la protección conocida
SLIMLINE de ABB para protección de baja tensión
quisitos que han de satisfacer
como SLIMLINE 5 . El dispositivo
FPGA se usa para muestreo deslos coeficientes de los filtros
cendente, filtrado y cálculos RMS.
y los requisitos de ganancia.
WISA [1] (Interfaz inalámbrica
El ingeniero de diseño del
para sensores y actuadores)
hardware añade la frecuencia
de muestreo deseada, la veGracias a la emergencia de nuelocidad y la tecnología que
vas tecnologías en el campo de
pretende aplicar al diseño. La
las matrices de puertas FPGA,
herramienta genera entonces
los diseñadores disponen ahora
la lógica RTL apropiada. Este
de otra opción, además de los
método es muy semejante al
circuitos ASIC. Los dispositivos
de diseño basado en modeFPGA han mejorado su capacilos, pero tiene una gran vendad para construir sistemas sotaja sobre él, y es que los
bre un chip con más de un mimodelos tienen menos parállón de puertas equivalentes
metros de bajo nivel y no
ASIC y varios megabits de memoria RAM
nuestra compañía, que es una plataforma
son específicos del proveedor: se puesobre chip, lo que les hace idóneos para
de propósito general destinada a los segde utilizar cualquier prototipo FPGA
la producción de pequeño volumen.
mentos tecnológicos de energía eléctrica y
con características DSP.
de automatización. La tecnología FPGA
Aplicaciones típicas de ABB
también tiene otras aplicaciones:
ABB ha desarrollado sus propios IP11) para
Electrónica de potencia y accionamienutilizar la tecnología FPGA en la monitoritos de media tensión
Control de inversores (moduladores,
zación y en los controladores de redes de
lógica de conmutación y protección,
energía eléctrica. Por ejemplo, un típico
Erik Carlson
entre otros ejemplos) y comunicación
producto microprocesador de ABB contieABB Corporate Research
Control de motores (por ejemplo, mone un microcontrolador (MC) que maneja
Billingstad, Norway
duladores, inversores de nivel 2/3/5 de
aspectos de visualización, configuración
erik.carlson@no.abb.com
control directo de par motor)
de dispositivos y comunicación, mientras
Productos de media tensión para adquique un DSP se ocupa de todos los cálcuFranz Zurfluh
sición de datos analógicos de automatilos. Estas arquitecturas se pueden combiABB Corporate Research
zación, muestreo descendente, filtrado,
nar en un conjunto MC-FPGA para realizar
Baden-Dättwil, Switzerland
cálculos RMS y funciones de protección
los cálculos en un dispositivo FPGA en lufranz.zurfluh@ch.abb.com
Productos de alta tensión para el congar de en un DSP. Un ejemplo del buen
trol del sistema del accionamiento de
resultado de esta arquitectura es la nueva
Catherine Körbächer
los aparatos de conexión de alta tenplataforma SAHIB, desarrollada por ABB
ABB Review
sión, además de adquisición de datos
Corporate Research y por el área de negoBaden-Dättwil, Switzerland
analógicos y muestreo descendente
cio de Tecnologías de Automatización de
Notas
1)
Un ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) es un
ked Loop) es un sistema de control de realimentación
circuito integrado (IC) personalizado para un uso parti-
de bucle cerrado que mantiene fija la fase de una
cular, en lugar de estar proyectado para uso general.
señal generada respecto de una señal de referencia.
Por ejemplo, un chip diseñado exclusivamente para el
5)
funcionamiento de un teléfono celular es un ASIC.
2)
La ley de Moore se basa en la observación empírica
La arquitectura von Neumann se refiere a un modelo
Un dispositivo que reduce el desfase de la señal de
de diseño por ordenador que utiliza una única estruc-
reloj en circuitos digitales.
tura de memoria para alojar instrucciones y datos. La
El estándar de interconexión de periféricos PCI (Peri-
separación de la memoria y de la unidad de proceso
pheral Component Interconnect) especifica un bus en
gico, la complejidad de un circuito integrado, en rela-
el ordenador para conectar dispositivos periféricos a la
ción con el coste mínimo de sus componentes, se
placa madre del ordenador.
un circuito electrónico digital en términos de flujo de
7)
está implícita en la arquitectura von Neumann.
10)
RTL (Register Transfer Logic) es una descripción de
UML (Unified Modeling Language) es un lenguaje de
datos entre registros. La descripción RTL especifica
Gordon E. Moore, cofundador de Intel.
modelado de objetos y de especificación de uso ge-
la información que se ha de transferir, el punto de
CORDIC (COordinate Rotation DIgital Computer) es
neral (no privado), empleado en ingeniería de software.
almacenamiento de la misma y el modo en que pasa
un sencillo y eficiente algoritmo de cálculo de funcio-
UML, que muestra su potencial en más niveles arqui-
nes hiperbólicas y trigonométricas. Es el algoritmo
tectónicos de mayor nivel, se ha utilizado para el mo-
preferido cuando no se dispone de multiplicadores
delado de hardware.
bas, ser reutilizable en varios productos y poder
Standard Delay Format (SDF) es un estándar IEEE
actualizarse y ampliarse fácilmente para nuevas
para la representación e interpretación de datos de
generaciones del FPGA.
de hardware.
4)
proceso de diseño electrónico.
9)
de que, al ritmo con que avanza el desarrollo tecnoló-
duplicará en unos 18 meses. Esta ley se atribuye a
3)
6)
temporización, adecuado para cualquier etapa de un
Un bucle de sincronización de fase PLL (Phase-Loc-
8)
por el circuito durante el funcionamiento.
11)
Un IP bien diseñado deberá incluir un banco de prue-
Bibliografía:
[1] Revista ABB, números 3 y 4 de 2005, ‘Desenchufado pero conectado’, Partes 1 y 2.
74
Revista ABB 2/2006
Thema
Procesamiento de señales
en sistemas integrados
Oportunidad para mejorar la funcionalidad de los instrumentos industriales
Andrea Andenna
Los algoritmos básicos y avanzados de procesamiento de señales se ejecutan
en numerosos productos ABB equipados con electrónica integrada, desde los
pequeños detectores de movimiento domésticos hasta las avanzadas unidades
de control de aparamenta de media y alta tensión. En los dispositivos de campo,
especialmente, el proceso de señales proporciona una oportunidad para mejorar
la calidad de las mediciones y la funcionalidad global de los instrumentos.
El algoritmo PILD (Plugged Impulse Line Diagnostics) es un ejemplo de esta
mejora. Ha sido desarrollado para alertar a los operadores de la existencia de
obstrucciones en las líneas de impulsión de los transmisores de presión. Tal
sistema de alerta permite a los usuarios pasar de los programas de mantenimiento preventivo a prácticas de tipo predictivo, gobernadas por sucesos, que
son más económicas.
Revista ABB 2/2006
75
Procesamiento de señales en sistemas integrados
Tecnologías de sistemas integrados
E
l proceso de señales suele traery procesar las señales adquiridas. Esto
nos a la memoria aplicaciones de
se consigue generalmente por medio del
audio, de procesado de imágenes o
análisis de Fourier: se calculan los armóde tecnologías de comunicación, pero
nicos de las señales eléctricas, que pauna mirada cuidadosa a la cartera de
san a ser las entradas principales para la
productos de ABB nos da una imagen
mayoría de las funciones de protección,
mucho más amplia. Las aplicaciones
como son las protecciones contra sobredel procesado de señales se encuenintensidades, contra sobretensiones, de
tran en muchos productos ABB, tanto
tipo diferencial y de distancia.
de tecnología de automatización como
Los dispositivos de campo y los insde energía eléctrica. Muchas de las
trumentos analíticos de ABB están
aplicaciones están integradas en disequipados normalmente con una secpositivos como las unidades de conción electrónica que adquiere señales
trol y los instrumentos industriales, y
de la sección detectora del dispositise ejecutan en plataformas integradas.
vo: los transmisores de presión, por
Los módems de comunicaciones de líejemplo, adquieren una señal de un
neas eléctricas, por ejemplo, utilizan una
chip sensor piezorresistivo, los caudagran diversidad de algoritmos de procelímetros magnéticos leen la tensión inso digital de señales (DSP). Algunos asducida por el campo magnético genepectos básicos son la modulación y desrado y los transmisores de temperatumodulación digitales, el filtrado digital,
ra leen la señal en un termopar. Así
las transformadas de Fourier, la converpues, en general, en un instrumento
sión de frecuencias de muestreo, la adindustrial, una o más señales eléctriquisición de tramas, la sincronización de
cas son adquiridas desde la parte defase de portadora y temporización de
tectora (a veces conocida como la
símbolos, la estimación y ecualización
sección primaria) por la parte electróde canales y la detección y corrección
nica (la sección secundaria). En genede errores. Los principios básicos del
ral, todas estas señales de los sensores
proceso de señales, bien conocidos, se
se han de amplificar, filtrar analógicaaplican en todos los sistemas de comunimente, convertir de analógicas a digicaciones actuales. Sin embargo, hacen
tales y luego procesar digitalmente en
falta importantes inversiones en I+D pamicroprocesadores o DSP. El proceso
ra satisfacer los requisitos, cada día más
de señales también es importante en
estrictos, de los sistemas de comunicalos actuales sistemas de sensores para
ción de líneas eléctricas. La potencia de
modelar las curvas características de
tratamiento, cada vez mayor, soportará
los sensores, para compensar la falta
mayores velocidades de transferencia de
de linealidad y los efectos influyentes.
datos por canal. Los anchos de
banda de los canales aumenta1 Transmisor de presión diferencial en un entorno severo con
rán desde el valor tradicional
dificultades de acceso para el mantenimiento
de 4 kHz hasta ~32 kHz. A largo plazo, es posible que los
sistemas individuales ofrezcan
soporte flexible (configurable)
de anchos de banda mucho
mayores, de hasta 1 MHz. Tales módems de líneas eléctricas, realmente de banda ancha, tendrán que contar con
algoritmos más eficientes para
el procesado de señales.
Las unidades actuales de protección y control de aparatos
de conexión e interruptores
proporcionan numerosas funciones de protección electrónica para los sistemas eléctricos que supervisan. Estos dispositivos funcionan midiendo
la intensidad y la tensión para, a continuación, digitalizar
76
Procesado de señales, una oportunidad
para mejorar los dispositivos de campo
Los dispositivos de campo son cada vez
más inteligentes, gracias sobre todo a
los rápidos avances del sector de semiconductores en cuanto a costes y consumo de energía de los componentes. En
este contexto, el proceso de señales es
una oportunidad de mejorar las propiedades de los sensores a pesar de los numerosos efectos de los que depende: la
variabilidad de la fabricación, la histéresis, la deriva, el envejecimiento y las interferencias, entre otros, factores inevitables que son una fuente sistemática de
incertidumbre [2]. Además, los clientes
exigen instrumentos industriales con
funciones que van más allá del objetivo
principal del dispositivo. Las funciones
de diagnóstico de dispositivos y procesos son particularmente apreciadas, debido a que persiguen reducir los costes
de mantenimiento y mejorar la fiabilidad
general de los instrumentos. Las compañías de la competencia están confirmando, sin duda, esta tendencia y el término “diagnóstico” es hoy una palabra clave de uso común en las especificaciones
comerciales de los instrumentos de nueva generación. Hasta ahora, esta funcionalidad de supervisión de procesos se
proporcionaba generalmente en el nivel
de sistema de control de una planta,
donde se dispone de la máxima potencia de cálculo. Sin embargo, la mejora
de las plataformas integradas permite
ahora la integración de algoritmos complejos en el nivel de dispositivo, en lugar de en PC y sistemas de control. En otras palabras, hoy se tiende a desplazar
la inteligencia desde el sistema
hasta los instrumentos y dispositivos de campo. En la última
parte de este artículo analizaremos un caso concreto.
Limitaciones de las plataformas
integradas
Son bien conocidos los espectaculares avances de los últimos
años en el campo de los componentes electrónicos, como
procesadores, memorias y
chips, que han multiplicado sus
prestaciones y reducido su tamaño y coste. Así sucede en todos los segmentos del mercado
de los chips, desde los ordenadores personales hasta las arquitecturas integradas de menor
Revista ABB 2/2006
Procesamiento de señales en sistemas integrados
Tecnologías de sistemas integrados
tamaño empleadas en las aplicaciones
industriales. Sin embargo, en las plataformas integradas utilizadas típicamente en
los dispositivos e instrumentos ABB, el
coste y el consumo de energía siguen
siendo un reto:
En el mercado de la instrumentación industrial, el precio juega un papel muy
importante a la hora de conservar y aumentar la cuota de mercado. Con mucha
frecuencia, los productos en competen-
2
a
cia son similares en cuanto a calidad y
las decisiones de los clientes se basan
principalmente en el precio. Sin embargo, según se ha descrito más arriba, la
tendencia general es la reducción del
precio de los chips y, aunque el coste de
la electrónica suele ser una parte significativa de los costes de producción de un
dispositivo, los costes de fabricación y
de material del instrumento pueden llegara a ser mucho mayores. Por consi-
Nivel de ruido en la señal de presión diferencial en diversas condiciones de las líneas de impulsión
Líneas no conectadas
b
Ambas líneas conectadas
0.02
En. del ruido/en. de la señal
En. del ruido/en. de la señal
0.02
0.015
0.01
0.005
0
0
50
100
150
200
250 300
0.015
0.01
0.005
0
0
50
100
tiempo (s)
c
200
250 300
tiempo (s)
(+) línea conectada
d
PILD, aplicación integrada de proceso
de señales
(-) línea conectada
0.02
0.015
0.01
0.005
0
0
50
100
150
200
tiempo (s)
Revista ABB 2/2006
250 300
En. del ruido/en. de la señal
0.02
En. del ruido/en. de la señal
150
0.015
0.01
0.005
0
0
50
100
150
200
tiempo (s)
guiente, desde el punto de vista del coste, las estructuras integradas utilizadas
actualmente en la instrumentación industrial tienen potencial para mejorar la potencia de cálculo y la memoria, pues es
posible añadir fácilmente algoritmos más
avanzados e inteligencia adicional.
Muchas arquitecturas integradas tienen
limitaciones respecto al consumo de
energía. Los dispositivos alimentados
por baterías, por ejemplo tienen que satisfacer requisitos específicos en cuanto
a duración de las baterías y, por tanto,
están limitados por su consumo de energía. Existen dispositivos que normalmente funcionan con una fuente de alimentación auxiliar (110 / 220 V), que,
en caso de emergencia, han de poder
operar sin esta alimentación, aunque sea
con limitaciones funcionales. Este es el
caso de muchas unidades de control de
interruptores. La solución, en este caso,
es una batería o una estrategia de autoalimentación (por ejemplo, energía obtenida de la corriente que circula a través
del interruptor).
Muchos instrumentos son alimentados a
través del canal de 4–20 mA, que se utiliza también como canal de entrada o
salida analógica principal. Estos dispositivos, conocidos como instrumentos bifilares, pueden consumir tan sólo algunas
decenas de milivatios. La seguridad intrínseca proporcionada por este bajo
consumo de energía es una ventaja para
los instrumentos industriales de dos hilos. Ésta es, realmente, una de las principales razones de que los clientes aún
apoyen fuertemente este tipo de fuente
de energía. Hace algunos años, el consumo de energía era un factor restrictivo
para la mejora de la electrónica y por
tanto, de la funcionalidad, y hoy sigue
siendo un problema particular para los
dispositivos bifilares.
250 300
La función PILD (Plugged Impulse Line
Diagnostics) es un algoritmo de proceso
de señales que recientemente ha sido
integrado en los transmisores de presión
diferencial de ABB, uno de los dispositivos de campo de uso más común. Este
proyecto de I+D mostró el potencial del
proceso de señales para mejorar los dispositivos de campo y también las restricciones impuestas por las limitaciones
de sus arquitecturas integradas.
Los transmisores de presión diferencial
son instrumentos que detectan la dife77
Procesamiento de señales en sistemas integrados
Tecnologías de sistemas integrados
rencia de presión entre dos puntos de
un proceso. Se pueden instalar en entornos severos, con dificultades de acceso
para el mantenimiento 1 . La principal
aplicación de este dispositivo es calcular
el caudal dentro de una tubería midiendo la caída de presión causada por un
elemento primario, generalmente un tubo de Venturi o una placa con un orificio. A partir de esta medida, y conociendo la forma geométrica del elemento
primario, se puede calcular el caudal.
Los transmisores de presión diferencial
se conectan al proceso por medio de
dos tuberías llamadas líneas de impulsión. Éstas suelen tener un diámetro pequeño, inferior a 1 cm, y pueden ser de
gran longitud. Durante la vida útil de un
dispositivo, las líneas de impulsión pueden quedar parcial o totalmente bloqueadas por material sólido del proceso
(por ejemplo, arena), sedimentos o depósitos que se acumulan dentro de las
líneas, o por agua congelada.
A diferencia de los fallos de funcionamiento de casi todos los demás dispositivos de campo, una línea de impulsión
obstruida no tiene efecto alguno sobre
el hardware del dispositivo, de modo
que, si pasa desapercibida, el valor del
proceso permanecerá en condiciones
consideradas válidas. Al obstruirse la línea de impulsión, el estado actual de la
presión queda bloqueado y desacoplado
respecto del estado real del proceso. El
sistema de control sigue utilizando el
valor de la presión en los bucles de
control, sin tener en cuenta que dicho
valor está “congelado”. La única indicación de tal situación para el operador
del proceso es el anómalo comportamiento de los bucles de control, que
también podría estar causado por el
desgaste de las válvulas, de hecho la
causa más probable.
Es necesario un gran trabajo de mantenimiento para identificar y desbloquear
una línea de impulsión obstruida. Sin
embargo, si se sabe que un fluido de un
proceso tiende a causar obstrucciones,
normalmente se realizará un costoso
mantenimiento preventivo. Los transmisores de presión diferencial que identifican rápidamente las obstrucciones en las
líneas de impulsión ofrecen posibilidades
para bajar los costes por reducción del
trabajo de mantenimiento preventivo.
Así pues, la función PILD mide en primer lugar el nivel de ruido en la señal
de presión diferencial cuando las líneas de impulsión están despejadas
(fase de aprendizaje). Después, durante el funcionamiento normal del dispositivo, compara estadísticamente el
nivel de ruido con los valores almacenados durante la fase de aprendizaje.
Si el análisis estadístico muestra una
diferencia significativa entre los valores actuales de operación y los adquiridos durante la fase de aprendizaje,
una alarma indica que están obstruidas una o ambas líneas de impulsión.
El algoritmo PILD
El principio de la detección de líneas
de impulsión obstruidas se basa en las
características observadas de las señales
de presión a lo largo del tiempo. Los
procesos de flujo resultan afectados por
fluctuaciones del valor de la presión,
causadas por otros dispositivos y máquinas que interaccionan con el proceso,
como pueden ser las bombas. Estas fluctuaciones se pueden observar como ruido en la señal de presión diferencial. En
condiciones normales de operación, con
líneas de impulsión despejadas 2a , este
ruido del proceso es prácticamente nulo, debido a que el dispositivo mide la
presión desde dos puntos relativamente
próximos entre sí, separados normalmente por unos pocos centímetros. Si se
bloquea una de las líneas de impulsión
2c 2d ,las fluctuaciones de presión ya no
se anulan y el ruido del proceso se hace
evidente en la señal de presión diferencial. Si se bloquean las dos líneas de impulsión 2b , el ruido del proceso se reduce casi a cero, y que se pierde por completo la conexión de presión entre elsensor y el proceso.
La fase de aprendizaje es un período de
tiempo configurable, durante el cual el
algoritmo ‘aprende’ las condiciones nominales del proceso para más tarde
identificar las lecturas que indican obstrucción de las líneas de impulsión. Un
aprendizaje fiable y eficiente es fundamental para el buen resultado de la función PILD. Los transmisores de presión
diferencial se usan en condiciones de
proceso muy diferentes en lo que se refiere a medios (líquidos de alta viscosidad, agua, vapor, gases, etc.) y condiciones ambientales (temperatura de –40
a +85 °C y presión absoluta de hasta
600 bares). Sin un procedimiento automático que adapte el algoritmo a esta
gran variedad de condiciones, la función
PILD sería inútil.
La función PILD, desarrollada entre 2003
y 2005, se ha integrado recientemente
en la nueva versión de Transmisores de
Presión Diferencial ABB 264 con interfaz
Foundation Fieldbus.
Andrea Andenna
ABB Corporate Research Centre
Baden, Suiza
andrea.andenna@ch.abb.com
Bibiografia
[1] Hengjun Zhu, E.H.Higham, J.E.Amadi-Echendu,
Signal Analysis applied to Detect Blockages in
Pressure and Differential Pressure Measurement
Systems, IEEE Instrumentation and Measurement
Technology Conference, Proceedings Vol. 2
(1994), Pages 741–744.
[2] H.Tränkler, O.Kanoun, “Importance of Signal
Processing in Sensor Systems”, Technisches
Messen 71 (2004) 3
[3] A.Andenna, G.Invernizzi, D.Eifel, “Embedded diagnosis to detect plugged impulse lines of a differential pressure transmitter”, ITG-/GMA Sensoren und
Messsysteme 2006, Conference Proceedings
78
Revista ABB 2/2006
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Preview 3/2006
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ABB Schweiz AG
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ABB Review/REV
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Como publicación técnica del Grupo
ABB, Revista ABB intenta cubrir adecuadamente los trabajos de Investigación y Desarrollo del Grupo. Sus artículos presentan regularmente las tendencias, logros y aplicaciones, tanto
de los centros de I+D como de los
negocios principales de ABB. Sin
embargo, más allá de los campos de
negocio más conocidos, ABB trabaja
con gran éxito en diversos negocios
nicho. El próximo número de Revista
ABB estará dedicado a estos campos,
menos conocidos, del Grupo ABB.
Algunos de estos esfuerzos de negocio
han traído consigo notables resultados
aplicando en un campo, principal o
no, de nuestra compañía, conocimiento y soluciones obtenidos en otros
campos totalmente distintos. Los gru-
pos de ingeniería de las empresas ABB
locales han aplicado nuestra cartera de
productos y nuestro conocimiento a la
solución creativa de problemas planteados por los clientes, inclusive algunas aplicaciones muy poco ortodoxas.
Revista ABB espera que con este acceso a soluciones inteligentes aplicadas
en un mercado puedan nacer oportunidades para que el conjunto de conocimientos de ABB pueda abrirse a otros
mercados. Los ejemplos que presentaremos en el próximo número serán una
fuente de inspiración para el pensamiento creador y abrirán nuevos campos a la sinergia y a la innovación, permitiendo así a más sectores industriales, productos y personas beneficiarse
de la gran cantidad de conocimiento y
experiencia de nuestra compañía.
ISSN: 1013-3119
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Revista ABB 2/2006
79
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