2.2.4 Selección de la TECNOLOGIA
¿Neumática, Relés, Estado Sólido, PLC's?
Cada una tiene ventajas e inconvenientes.
Depende de muchos factores: presupuesto, tamaño, nivel de riesgo, flexibilidad, mantenimiento, requerimientos de interfase y comunicaciones, seguridad, etc.
Los sistemas neumáticos pueden ser más convenientes para pequeñas aplicaciones donde interese la simplicidad, seguridad intrínseca y la ausencia de tensiones eléctricas.
Los relés son simples, son relativamente baratos, inmunes a la mayoría de ruidos electromagnéticos y pueden utilizarse para muy diversos rangos de tensiones. No incorporan generalmente ningún tipo de interfase o comunicación. Los cambios en la lógica pueden ser complejos. En general, los sistemas de relés se utilizan para aplicaciones relativamente pequeñas.
Los sistemas de estado sólido no utilizan software. Muchos de ellos fueron diseñados específicamente para aplicaciones de seguridad e incluyen posibilidades de prueba, by-passes y comunicaciones. Los cambios en la lógica pueden ser complejos. Estos sistemas pierden adeptos cada día debido a su limitada flexibilidad, alto coste y a la aceptación generalizada de los sistemas basados en software.
Los sistemas basados en PLC´s ofrecen muchas ventajas:
Bajo coste, facilidad de realizar cambios, capacidad de comunicación y de interfases, gráficos para el operador, autodocumentación, etc.... y ¿autodiagnósticos?
La mayoría de PLC's no han sido diseñados con la suficiente capacidad de autodiagnóstico y no se recomiendan para aplicaciones de seguridad SIL2 o SIL3 La ausencia de autodiagnósticos es el punto débil de la mayoría de PLC's en aplicaciones de seguridad.
¿Cómo conseguir Seguridad + Disponibilidad al mismo tiempo?
Figura 2-13. Seguridad Disponibilidad
En los años 70 se intentó elevar el nivel de seguridad utilizando salidas en serie de PLC's de propósito general.
Figura 2-14. PLC's en serie
En los años 80 se intentó aumentar el grado de disponibilidad utilizando salidas en paralelo de PLC's de propósito general.
Figura 2-15. PLC's en paralelo
Posteriormente, a mediados de los 80, apareció el principio de voto mayoritario con lógica 2 de 3.
Figura 2-16. Lógica 2 de 3
Figura 2-17. Lógica 2 de 3
Otra arquitectura también muy utilizada e incluso recogida en algunos Estándares es la mostrada en la Figura 2-18.
Figura 2-18. Sistema Redundante de Relés
¿ Qué mejoras introduce el PLC de seguridad? Analicemos por ejemplo, paso a paso, la electrónica utilizada en una salida digital. Partimos del circuito más simple, con un solo transistor de salida: Figura 2-19. Salida digital Si se cortocircuita el transistor estaremos ante un fallo peligroso no detectado (FTD=Fail To Danger). Para al menos detectarlo, introducimos una realimentación de la salida y una rutina de diagnóstico de micropulsos de prueba: Figura 2-20. Salida digital Para actuar sobre la salida en caso de fallo utilizamos un segundo transistor en serie. Figura 2-21. Salida digital Realimentamos también el segundo transistor y además lo enclavamos con el circuito watchdog: Figura 2-22. Salida digital Hasta ahora hemos conseguido un circuito de salida seguro ("fail-safe"), tolerante a fallo para Seguridad pero no para Disponibilidad. Figura 2-23. Seguridad - Disponibilidad Si redundamos el circuito tendremos las dos cosas: Figura 2-24. Salida digital redundante 
PLC fail-safe
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PLC estándar
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2.2.5 Dispositivos de campo
El nuevo Estándar IEC-61508 introduce el concepto de SIS (Safety Instrumented System). El SIS no es solamente el PLC, sino también los dispositivos de campo, la corriente eléctrica, etc.
Si atendiéramos a la probabilidad de fallo de cada parte del SIS deberíamos cuidar mucho más el diseño de la parte de campo que la del propio PLC.
Figura 2-25. Concepto SIS
- Fallos peligrosos (FTD) y fallos molestos (FTN)
- Selección correcta para cada aplicación
- Tendencia al uso de transmisores “smart” (más diagnósticos)
- La probabilidad de fallo simultáneo en dos sensores es remota, excepto en los fallos por causas comunes (temperatura, vibraciones, montaje, alimentaciones, cableado, errores humanos)
- La influencia de las causas comunes internas disminuye cuanto mayor es el nivel de redundancia.
- Efectiva contra fallos aleatorios pero no contra errores de diseño o sistemáticos.
- Lógica sensores: 1oo1,1oo1D,1oo2,1oo2D,2oo3.
- Lógica elementos finales: 1oo1,1oo2,2oo2.
- Independientes de los del Sistema de Control.
- Fail-safe: la pérdida de energía provoca el disparo.
- Sensores: cableados directamente al PLC, transmisores smart, alarmas de discrepancia si hay redundancia, rangos apropiados.
- Elementos finales: posición en caso de fallo de aire o energía eléctrica, finales de carrera, rapidez de respuesta, ambiente agresivo, etc.).
- Cableado: inducciones, tierras, cajas y multicables separados, cables sin comunes, fusibles.
- Desenergizar para disparar.
- Rutinas de diagnósticos por el carácter pasivo del SIS.
- Minimizar los fallos por causas comunes.
- Protección contra agentes externos: tª, humedad, ruido eléctrico, vibraciones, etc.
- Alimentación eléctrica: limpia, protegida y estabilizada.
- Tierras adecuadas.
- Relés: para máxima y mínima carga.
- Bypasses con alarma individual.
- Procedimiento completo de pruebas.
- Estructurado y con método.
- Comentado con la máxima claridad.
- La funcionalidad debe probarse a fondo mediante un procedimiento y el uso de simuladores.
- Prevenir los accesos no autorizados.
- No realizar cambios “on-line”.
- Cualquier cambio en planta debe probarse a fondo y documentarse.
- Por personal bien entrenado.
- Pruebas periódicas para verificar la integridad del SIS incluyendo el PLC y campo.
- La capacidad de autodiagnósticos del PLC influye mucho sobre la periodicidad.
- Cualquier cambio debe probarse a fondo y documentarse.
- MTTF Mean Time To Failure
- PFD Probability of Failure on Demand
- SIS Safety Instrumented System
- SIL Safety Integrity Level
- FMEA Failure Modes and Effects Analysis
- FTA Fault Tree Analysis
- HAZOPS Hazard and Operational Analysis
- MTTR Mean Time to Repair
- MTBF Mean Time Between Failures
- FIT Failures per billion (109) hours
- RRF Risk Reduction Factor
- MTTFD Mean Time To Fail Dangerously
- PFS Probability of Failing Safely
- MTTFS Mean Time To Fail Safely
- FMEDA Failure Modes, Effects and Diagnostic Analysis
- FTD Fail To Danger
- FTN Fail To Nuisance
