Mantenimiento de la disponibilidad del sistema y la integridad de los datos en aplicaciones de automatización industrial

Si bien la integración de las tecnologías de la información (TI) en el ámbito de las tecnologías operativas (TO) ha ayudado a las organizaciones industriales a pasar de unas operaciones reactivas a otras más basadas en datos y predictivas, hay algunos aspectos que no han cambiado. Entre ellas se incluyen la necesidad de mantener un funcionamiento fiable y continuo; la integridad de los datos en tiempo real; la seguridad de las instalaciones y del personal; y la continuidad operativa. Las perturbaciones externas en el suministro eléctrico pueden provocar que los equipos de automatización se reinicien o se apaguen. Esto puede alterar las operaciones, poner en peligro la integridad de los datos y dar lugar a productos que no cumplan las especificaciones o a pérdidas de producto.

Al mismo tiempo, cuando los motores, las bombas, los variadores u otros equipos inductivos se ponen en marcha durante el funcionamiento normal, tanto en procesos manuales como automatizados, pueden generar una corriente de arranque considerablemente superior a los niveles normales de funcionamiento. En casos extremos, las anomalías en el suministro eléctrico, ya sean internas o externas, pueden dañar los controladores que no cuenten con la protección adecuada, así como otros equipos críticos de automatización. Si no se dispone de piezas de recambio de forma inmediata en los almacenes de mantenimiento locales o no se pueden adquirir fácilmente a través de un distribuidor con existencias, pueden producirse costosas interrupciones prolongadas de la producción.

Si bien los sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS) basados en baterías y/o los generadores diésel de reserva están diseñados para proporcionar energía provisional durante las interrupciones del suministro eléctrico, por lo general no pueden reaccionar con la rapidez suficiente ni con la energía inmediata necesaria para evitar que los PLC, las computadoras industriales (IPC), los controladores de procesos, los servidores periféricos, paneles HMI u otros equipos de automatización industrial sensibles a las fluctuaciones de tensión se reinicien o se apaguen.

Los UPS con almacenamiento de energía capacitivo integrado y conmutación electrónica, como los módulos TRIO3 CAP de Phoenix Contact (Figura 1), pueden proporcionar la respuesta en milisegundos y los aumentos dinámicos de energía necesarios para evitar reinicios involuntarios del controlador, paradas o la pérdida de datos críticos en una amplia gama de aplicaciones de automatización industrial de uso general. Esta capacidad permite mantener la disponibilidad general del sistema y garantizar un funcionamiento seguro hasta que otras fuentes de alimentación provisionales puedan entrar en funcionamiento, se restablezca el suministro eléctrico normal o —en caso de que sea absolutamente necesario— se pueda apagar el equipo de forma segura para preservar los datos.

Figura 1: Los módulos de capacidad TRIO3 de Phoenix Contact combinan una fuente de alimentación de 24 V_CC, una conmutación electrónica y un sistema de almacenamiento de energía en carcasas compactas aptas para el montaje en riel DIN. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Flexibilidad para numerosos escenarios de automatización industrial

Los módulos industriales de UPS TRIO3 CAP ofrecen a los ingenieros una opción práctica para alimentar y proteger equipos de automatización de 24 V_CC montados en riel DIN en una amplia variedad de instalaciones. Entre ellas se incluyen fábricas de producción discreta; plantas de fabricación de semiconductores y plantas de producción por lotes, de productos químicos especializados y de otros procesos híbridos. Otras aplicaciones son aquellas en las que es probable que los motores monofásicos, las bombas, los ventiladores y otros equipos de proceso se enciendan y apaguen con frecuencia, lo que genera caídas o picos de tensión de milisegundos de duración que pueden provocar el reinicio de los controladores u otros dispositivos de automatización.

El modelo TRIO3 CAP 1467800, por ejemplo, combina una fuente de alimentación de 24 V_CC, una conmutación electrónica y un sistema de almacenamiento de energía basado en supercapacitores en una carcasa compacta de 125 mm x 133 mm x 135 mm. Con una corriente de salida nominal de cinco amperios, el módulo puede proporcionar un aumento de potencia dinámico moderado de 7.5 amperios durante cinco segundos y, en caso necesario, un aumento de capacidad de pico de 17.5 amperios durante 350 milisegundos. Los tres kilojulios (kJ) de la batería de reserva de la red eléctrica permiten hacer frente a los cortes de suministro eléctrico.

El modelo TRIO3 CAP 1467808 ofrece la misma funcionalidad y carcasa, pero con una mayor corriente nominal de salida (10 amperios), un aumento dinámico de potencia (15 amperios durante cinco segundos) y un aumento de la capacidad de ráfaga (35 amperios durante 350 milisegundos). En este caso, los 6 kJ de almacenamiento de energía de la red eléctrica permiten paliar los cortes de suministro.

Para aplicaciones de automatización más exigentes con mayores requisitos energéticos, el modelo TRIO3 CAP 1467815 de Phoenix Contact —de mayores dimensiones— puede proporcionar un aumento dinámico de potencia de 30 amperios durante cinco segundos y, en caso necesario, un aumento masivo de la capacidad de picos de 70 amperios durante 350 milisegundos, además de 12 kJ de almacenamiento de energía de red, todo ello en una carcasa de 125 mm x 249 mm x 135 mm.

Al combinar múltiples funciones en un único paquete compacto, que prácticamente no requiere mantenimiento y que se puede montar en un riel DIN, los módulos TRIO3 CAP pueden reducir considerablemente el espacio necesario en armarios de control, paneles y salas de racks. El aumento dinámico de potencia permite dimensionar la fuente de alimentación en función de las condiciones normales de funcionamiento, en lugar de en función de las demandas máximas durante el arranque.

Los módulos TRIO3 CAP son aptos para su uso en zonas peligrosas de Clase I, División 2 y Grupos A, B, C y D, siempre que se instalen de conformidad con los requisitos aplicables. Gracias a su carcasa industrial y a un rango de temperatura ambiente relativamente amplio (de -25 °C a +60 °C), pueden utilizarse para alimentar equipos de automatización instalados en armarios dentro de la planta o fábrica, o en el exterior, en recintos adecuados. Esto incluye emplazamientos al aire libre en los que cabe esperar condiciones meteorológicas relativamente extremas, como los parques eólicos y los yacimientos de producción de petróleo y gas. Los módulos también pueden utilizarse a altitudes relativamente elevadas (hasta 5000 metros) sin que se produzca una disminución del rendimiento.

Las opciones de conexión permiten aumentar la tensión o la intensidad disponibles, o bien proporcionan redundancia

La flexibilidad de conexión amplía aún más las posibilidades de aplicación, ya que ofrece opciones de configuración para aumentar la tensión y la intensidad de salida de corriente continua disponibles. Como alternativa, los módulos pueden conectarse en paralelo para crear una redundancia 1+1.

Si una aplicación requiere más de 24 V_CC, se pueden conectar en serie dos módulos TRIO3 CAP configurados de forma idéntica (Figura 2) para proporcionar hasta 48 V_CC.

Figura 2: Al conectar dos módulos TRIO3 CAP con la misma configuración para su funcionamiento en serie, se duplica la tensión disponible. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

A la hora de ampliar los sistemas existentes para aumentar la intensidad disponible y cubrir así la corriente que consume la carga más potente del armario de control o del recinto, se pueden conectar en paralelo dos módulos TRIO3 CAP con la misma configuración (Figura 3).

Figura 3: Al conectar dos módulos TRIO3 CAP con la misma configuración para su funcionamiento en paralelo, se duplica la intensidad disponible. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

La conexión en paralelo también puede utilizarse para lograr una redundancia 1+1, lo que proporciona un mayor grado de disponibilidad general del sistema. En este caso, la carga de corriente continua puede alimentarse conectando en paralelo dos módulos TRIO3 CAP configurados de forma idéntica mediante un diodo de salida (Figura 4). Cada uno de los módulos debe ser capaz de proporcionar la potencia de salida de corriente continua total requerida. En condiciones normales de funcionamiento, cada módulo se utilizará hasta un 50% de su capacidad.

Figura 4: La incorporación de un diodo permite configurar dos módulos TRIO3 CAP en funcionamiento en paralelo para proporcionar una redundancia 1+1. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Efectos atenuantes de los picos de consumo energético o de las caídas y bajadas de tensión en la red eléctrica

Los supercapacitores de doble capa del TRIO3 CAP proporcionan una función de refuerzo sólida y dinámica para compensar situaciones breves de sobrecarga, como por ejemplo, cuando se pone en marcha un variador de corriente continua o un motor. Cuando están completamente cargados mediante la red eléctrica, los módulos TRIO3 CAP pueden proporcionar un refuerzo dinámico del 150% de la potencia nominal durante cinco segundos o un refuerzo CAP de hasta el 350% durante 350 ms directamente desde su almacenamiento interno de energía. A continuación, los módulos se recuperan en el plazo de un minuto. Los supercapacitores de doble capa ofrecen además una vida útil de 20 años, más prolongada (en comparación con los UPS basados en baterías de plomo-ácido) y prácticamente sin necesidad de mantenimiento. Estas características resultan especialmente relevantes a la hora de alimentar, proteger y proporcionar una fuente de alimentación de reserva a equipos de automatización de 24 V_CC instalados en lugares remotos o de difícil acceso, como en el nodo de un aerogenerador o en la parte superior de un gran depósito o torre.

En caso de que se produzca un corte en el suministro eléctrico o de que la tensión de alimentación de entrada se desvíe del rango deseado en condiciones normales de funcionamiento, el almacenamiento de energía capacitivo de los módulos puede amortiguar estos efectos durante varios minutos, en función del consumo de corriente.

Las interfaces de comunicación proporcionan conectividad

En el entorno actual de la automatización industrial, caracterizado por la conectividad y basado en datos, resulta fundamental evitar que los equipos funcionen de forma aislada, lo que dificulta compartir información valiosa sobre los activos con sistemas de nivel superior y aplicaciones de software. Además de los LED del panel frontal, que muestran claramente los estados clave del sistema, los módulos TRIO3 CAP de Phoenix Contact incluyen interfaces de comunicación integradas tanto para USB-C (USI) como para RS-485, teniendo la interfaz USI prioridad sobre la interfaz RS-485.

Figura 5: Los módulos TRIO3 CAP son compatibles con las comunicaciones en serie RS-485 y USI/USB-C. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

En combinación con el software adecuado, estas interfaces de comunicación permiten a los usuarios y aplicaciones autorizados acceder a datos de monitorización del estado, de consumo energético y de diagnóstico desde una computadora personal con sistema operativo Windows o Linux. Las interfaces también ofrecen opciones para configurar y controlar los módulos de forma segura. En caso necesario, los usuarios autorizados también pueden llevar a cabo un apagado seguro y controlado de las computadoras industriales o los servidores periféricos para guardar los registros de datos.

Conclusión

Los módulos TRIO3 CAP de Phoenix Contact pueden proporcionar una alimentación limpia y fiable para garantizar un funcionamiento continuo y la integridad de los datos en aplicaciones de automatización industrial. Al integrar múltiples funcionalidades en un único módulo compacto montado en riel DIN, simplifican el diseño, reducen la complejidad del cableado y las necesidades de espacio en el armario, y eliminan el mantenimiento de las baterías gracias al almacenamiento de energía capacitivo. Las comunicaciones serie USB-C y RS 485 integradas, la parametrización simplificada y los diagnósticos locales o remotos reducen aún más el esfuerzo de ingeniería, el tiempo de inactividad y el costo total.