Willy R. Piñero U., Alter-Info C.A.
Cualquier sistema de control instalado hace al menos veinte años, está muy limitado en su expectativa de conseguir repuestos, así como en las funciones de supervisión y facilidades adicionales que introducen los modernos sistemas computarizados, tales como los controladores de automatización programables (PACs). Se moderniza el sistema contemplando redundancia en algunos elementos controladores, interfaces de usuario lo que robustece su fiabilidad. Que los controladores “compartieran” un único juego de chasis para adquisición de señales de entrada y control de las variables de salida, fue el principal desafío. Pero además de información gráfica, la gestión de histórico de eventos u optimizaciones en la rutina de control, el usuario del sistema no quiere verse relegado por el equipo y demanda mantener la sensación de control; requiere poder realizar la operación en modo manual, por ejemplo, para hacer frente a una falla catastrófica o de suministro eléctrico.
Para satisfacer los exigentes criterios de disponibilidad y fiabilidad que tradicionalmente se asocian a los sistemas militares, se desarrolló una arquitectura redundante utilizando dos controladores CompactRIO-2025, los cuales comparten a través de una red ethernet, el acceso a los módulos de I/O con más de 100 variables. La interfaz de usuario se desarrolló en LabVIEW, y el proceso de control con LabVIEW Real Time y LabVIEW FPGA; todas las pantallas pueden asumir la gestión de una u otra máquina a voluntad del usuario, indistintamente de la pantalla en la cual se estén ejecutando. Se incorpora además un histórico de eventos y alarmas para hacer seguimiento a fallas, situaciones operativas y acciones del operador.
A diferencia de otros buques, el submarino es principalmente eléctrico. Para reducir el ruido y minimizar la probabilidad de que sea detectado, todos sus sistemas se energizan a través de baterías. Para recargar los bancos de baterías, el submarino cuenta con cuatro máquinas diésel acopladas a generadores elétricos, razón por la cual las máquinas diésel son un elemento neurálgico.
Automatizar con controladores de nueva generación la operación de las máquinas diésel, permite insertar nuevas variables al proceso, optimizar el ciclo de carga e interactuar más eficazmente con el usuario, extendiendo la vida útil y los períodos de mantenimiento de las máquinas, por ejemplo, al registrar con precisión su tiempo en uso.
El sistema tiene por función automatizar el encendido de las máquinas diésel para cargar las baterías, permitiendo la supervisión y el control de los tres procesos principales: Virado (encendido preventivo), virado y arranque (arranque/operación estable), y parada de las máquinas. El proceso de parada es el más crítico, pues se encarga de evitar que se produzcan situaciones riesgosas tanto para la tripulación como para los componentes mecánicos del submarino durante el apagado -comandado o por seguridad- de las máquinas.
Las características más destacadas se resumen a continuación:
Todos los equipos de control y supervisión incorporados en el tablero son National Instruments. Estos se integran en una
arquitectura redundante, tanto de controladores como de pantallas, conforme se muestra en la siguiente figura:
Las fuentes de alimentación y sus módulos de redundancia, los aisladores de señales -custom made-, y los switches LAN corresponden a otros fabricantes.
Las interfaces al operador son redundantes. Las pantallas utilizadas son las TPC2230 de 15”, las cuales son encargadas de mostrar el seguimiento del proceso y permitir al usuario aplicar los comandos requeridos. En las pantallas puede desplegarse la interfaz de usuario de cualquier máquina –incluso de otro tablero-, y realizar la supervisión desde ella. Las funciones de control únicamente se podrán ejecutar desde las pantallas del mismo tablero.
El control se ejecuta utilizando dos controladores cRIO2025. Hay uno principal y otro redundante, este último es capaz de tomar el control del sistema en caso de detectar una ausencia o falla del controlador principal.
Adicionalmente, a través del chasis de expansión ethernet y módulos NI, se manejan las señales de entradas digitales, analógicas, termocuplas, RTD y salidas digitales.
Dado que las RPM son una variable crítica en el proceso, para su medición, se usó el módulo contador NI9361, el cual es capaz de realizar (sin programación adicional) las mediciones estándar de un contador, facilitando los tiempos de desarrollo y solventando problemas que se tenían adquiriendo las RPM de las máquinas con entradas digitales normales. Específicamente el usar el modo de promedio dinámico, con el que cuenta para realizar la medición de frecuencias, permitió optimizar la exactitud y latencias de estas.
La redundancia de controladores se apoya en la programación de variables compartidas y dos elementos del hardware del cRIO: el selector (DIP switch) “USER1” y led “USER1”.
El DIP switch “USER1” de cada controlador se utiliza para definir por hardware, cuál será el principal -colocando el switch en posición “False”-, y cuál el secundario (switch en posición “True”). A su vez, el led “USER1” de cada controlador, indica si efectivamente él tiene el control del proceso (parpadea en verde), o si no lo tiene (permanente en color naranja).
Por su parte, la aplicación que se ejecuta en cada controlador evalúa, a través de variables compartidas booleanas, si el otro controlador está comandando el proceso; en caso negativo, él asume el control. Adicionalmente, presenta una variable global que permite habilitar/deshabilitar las salidas de control, según corresponda, El controlador principal actuará sobre las salidas y variables del sistema; mientras tanto, el controlador secundario seguirá los cambios de todas ellas para permitir la continuidad del proceso en la modalidad “hot stand-by”. El operador únicamente percibe la desconexión y conexión de las respectivas interfaces de usuario, y en el registro histórico del controlador activo queda asentada la acción (de conmutación).
Vale destacar, que la aplicación es idéntica para ambos controladores. La identificación como principal/secundario se hace en función del DIP switch “USER1”, por lo que cada controlador sabe su dirección IP y la de su par a interrogar. Adicionalmente, el controlador secundario introduce un retardo en su ejecución, lo que promueve que el controlador principal, si funciona correctamente, asuma el control cada vez que se encienda el sistema.
A continuación, se muestra un diagrama de flujo de la rutina que se implementó:
El sistema de control y supervisión de máquinas Diesel actualizado con la tecnología NI arroja un mejor desempeño, permitiendo la incorporación de funciones que el operador demanda, y asegurando la integridad del equipo y la tripulación. La modularidad del hardware y del software de NI permiten minimizar los tiempos de desarrollo, siendo más competitivos en el mercado, y mejorando los tiempos de respuesta para el mantenimiento del sistema.
La configuración redundante proporcionada, tanto en controladores como en interfaces, mejora sustantivamente la confiabilidad y disponibilidad del sistema; aun así, se facilita el arranque manual de las máquinas para que el operador ejecute el proceso ante una falla crítica o de la alimentación eléctrica.
Willy R. Piñero U.
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