Cómo las soluciones redundantes pueden mejorar la disponibilidad en las instalaciones

El tiempo de inactividad de una máquina, planta o instalación casi siempre está asociado a cortes de producción. En el peor de los casos, una interrupción no planificada puede además dañar el producto o la maquinaria con el consiguiente incremento de costes. Es aquí donde entran en juego los sistemas redundantes que nos permiten garantizar un alto grado de fiabilidad y disponibilidad en las instalaciones.

Normalmente, lo primero que nos viene a la cabeza cuando hablamos de controladores redundantes, son aquellas industrias que por su nivel de criticidad realmente demandan este tipo de sistemas. Pero, además de estas industrias críticas ¿que nos aporta por regla general el uso de sistemas redundantes? A continuación, se pueden encontrar algunas de las principales ventajas como son: evitar tiempos de parada en instalaciones críticas, evitar costes elevados derivados de rearranques ante paradas intempestivas, mitigar daños de materiales o de la instalación como nos podría ocurrir en una planta metalúrgica o de altos hornos y también, su uso es idóneo en aquellas instalaciones o plantas que, por su localización, no es sencillo tener personal de mantenimiento desplazado de forma continua.

El hecho de disponer de una estructura redundante en los sistemas de automatización nos va a permitir seguir controlando el proceso de producción incluso si se presenta una avería. Así en función del nivel de disponibilidad vamos a poder optar por redundar a nivel de controladores, fuentes de alimentación, redes, periferias descentralizadas o incluso en el sistema de supervisión con el uso de SCADAS redundantes.

Clasificación de los sistemas de alta disponibilidad según tiempos de conmutación

Los controladores redundantes los vamos a poder diferenciar en 2 tipos básicamente en función de los tiempos de conmutación, que es el tiempo en el cual la estación reserva asume el control del proceso ante un fallo de la estación maestra. Las modalidades son Warm-Standby cuando hablamos de tiempos de conmutación por encima de 100ms o incluso segundos y Hot-Standby donde los tiempos de conmutación están por debajo de 100ms. Cuando hablamos de controladores hot standby, ambos controladores ejecutan el programa de forma simultánea, ambos leen el estado de las entradas, pero sólo el que está como maestro escribe sobre las salidas. Las CPUs sincronizan los datos repetidas veces a lo largo de cada ciclo de tal forma que en caso de fallo del maestro, el que estaba como reserva asume el control prácticamente desde la siguiente línea de código en donde se produjo el fallo y por consiguiente, sin ningún tipo de pérdida de información.

Existe un tercer tipo donde además de los requerimientos propios de la redundancia, conllevan requisitos particulares en cuanto a la seguridad del personal, la maquinaria, el medio ambiente y el proceso. Es para estos casos donde se necesitan sistemas de automatización de alta disponibilidad y seguridad positiva. Al ejecutarse una acción errónea que afecte a la seguridad, el sistema mantiene en un estado seguro la parte de la aplicación que es relevante para la seguridad.

Campos de aplicación

En cuanto a los campos de aplicación de los sistemas redundantes son muy diversos tanto en el mundo del proceso, donde es habitual encontrar controladores redundantes en refinerías, industria química y petroquímica, gas, etc. así como en otras industrias manufactureras o híbridas como podría ser el caso de industria farmacéutica o generación y distribución de energía. Otro campo de aplicación típico es en sistemas logísticos complejos como puede ser el tratamiento de equipajes en aeropuertos. Las interrupciones en estos sistemas de manejo de equipaje suelen ser molestas, pero también son costosas si provocan retrasos en los horarios de los vuelos. En almacenes y otras áreas de logística, las interrupciones pueden hacer que la cadena de suministro se rompa, lo que rápidamente conducirá a pérdidas financieras significativas porque los siguientes procesos de la secuencia también se detendrán. 

Tratamiento de equipajes en el aeropuerto de Madrid controlados por autómatas redundantes S7-400H de Siemens

Otro campo de aplicación habitual son los túneles donde por razones de seguridad, los sistemas como el control de tráfico, la ventilación, la extracción de humo y la iluminación deben ser a prueba de fallos. Poder separar cada uno de los controladores redundantes entre si a distancias de km, nos va a permitir situar cada una de las CPUs en una boca diferente del túnel, minimizando así el riesgo de que cualquier tipo de incidente pueda afectar a ambos controladores a la vez.

Su uso en sistemas para el control de temperatura y HVAC en salas de servidores, así como en plantas para el tratamiento de aguas, son otros de los nichos típicos de uso de los controladores redundantes, en este caso con requisitos de redundancia warm standby. Las bombas para el tratamiento de agua a menudo se distribuyen en varios tanques de sedimentación junto con los módulos de entradas y salidas. Esta estructura descentralizada para el sistema de E/S, garantiza que una interrupción a corto plazo y que afecte a una sola estación no sea crítica y el sistema pueda continuar funcionando sin necesidad de disponer de tiempos de conmutación en el orden de milisegundos.

Seguridad, protección, disponibilidad: los elementos clave

Además de la disponibilidad, la seguridad y la protección son otros dos factores clave en la operación de la planta, aunque difieren mucho en términos de su enfoque y efectos. La seguridad protege a las personas y las máquinas si se produce una avería, y lleva las unidades de la planta en cuestión a un estado seguro, es decir, las detiene en la mayoría de los casos. La protección evita ataques externos como ciberataques o sabotajes y, por lo tanto, ayuda a mantener la disponibilidad. Las soluciones redundantes permiten lo que se conoce como "espera en caliente" para garantizar que la planta pueda continuar funcionando en caso de una interrupción u otros eventos imprevistos.

Detalle de red con autómatas redundantes S7-1517H para ampliación de la planta de García Baquero en Alcazar de San Juan.

Ingeniería y funcionamiento

Aunque inicialmente los controladores redundantes estaban muy asociados a industrias y campos de aplicación muy concretas por su nivel de criticidad, la realidad actual es que ya los podemos encontrar en el control de muchas máquinas o líneas de producción. Esto es debido sobre todo a que hay CPUs redundantes en un nivel de gama media de CPUs (como son los controladores SIMATIC S7-1513R y S7-1515R de Siemens), a nivel de ingeniería es exactamente igual que la programación de cualquier otra CPU estándar donde además sólo manejamos un único programa de automatización. Es decir, no hacen falta conocimientos ni gestión de la redundancia ya que esta va implícita en el hardware de las CPUs redundantes. La puesta en marcha se realiza sobre una única CPU y una vez acabada esta, conectamos la pareja que se limita a llevar a cabo una copia del programa, acoplar con la inicial y ambas empiezan a trabajar en modo redundante. El uso de IPs virtuales que siempre van redireccionadas contra la IP de la CPU maestra, simplifica enormemente las tareas de comunicación con otros equipos, así como con paneles de visualización (HMI) y SCADAS ya que la conexión es exactamente igual que si se tratara de una CPU no redundante. También es menos restrictivo el tipo de equipos que vamos a poder conectar debajo de un sistema redundante. Por poner un ejemplo, en la actualidad vamos a poder conectar cualquier tipo de dispositivo PROFINET que encontremos en el mercado debajo de los sistemas redundantes S7-1500R/H de Siemens.

Los controladores redundantes han seguido la misma evolución que los controladores estándares sobre todo en cuanto a conectividad digital y simulación por lo que vamos a poder aplicar también las ventajas del gemelo digital en aplicaciones y sistemas controlados por autómatas redundantes.

Gemelo digital de un túnel controlado con autómatas redundantes S7-1500H de Siemens.

A modo de resumen podemos decir que los costes más elevados para la adquisición de sistemas de alta disponibilidad carecen de importancia en comparación con el ahorro que suponen en caso de avería.

Raúl García, 

Responsable de producto en Siemens

Págs. 48 a 50.