Sistemas de control distribuidos vs centralizados

Todo diseñador de maquinaria industrial se enfrenta a la siguiente pregunta: ¿debería centralizarse el control de las distintas partes móviles del equipo en un PLC robusto o distribuirse entre las partes, en unidades individuales ubicadas cerca de los motores?

Para responder a esta pregunta, es necesario tener en cuenta una variedad de factores. En algunos casos, se recomendará una arquitectura de control centralizada; en otros, será preferible descentralizar. En general, sin embargo, y gracias a los recientes avances en el poder de la tecnología de servodrives, existe una tendencia observable hacia los modelos de control distribuido.

Hace aproximadamente cincuenta años, cuando se desarrolló por primera vez, el control centralizado era un concepto revolucionario. En los inicios de las máquinas industriales cableadas, los ingenieros que necesitaban modificar o solucionar problemas de operaciones tenían que abrirse camino a través de tableros de distribución y paredes de relés agrupados con cables e hilos, uno para cada función, volviéndose éstos más descuidados y menos confiables después de cada intervención.

El nacimiento del controlador lógico programable (PLC)

El aumento de la potencia de cómputo relegó estos nidos de ratas al pasado. Con el nacimiento del PLC, llegó la capacidad de controlar maquinarias complejas digitalmente, desde un único punto de vista, gestionando enormes matrices de entradas y salidas en tiempo real. Y, en general, los PLC han superado la prueba del tiempo: son rápidos, versátiles, programables a medida para cada aplicación y con facilidad de diagnóstico para resolución de problemas.

Poner un controlador junto con variadores y una fuente de alimentación en una ubicación central única es la práctica más habitual en estos días - y sigue siendo la disposición preferida para sistemas complejos con operaciones altamente entrelazadas en las que los motores están razonablemente cerca entre sí.

Sin embargo, se deben tener en cuenta los siguientes inconvenientes: es posible que aún se requieran cantidades significativas de cableado (tanto para la alimentación como para la retroalimentación) para vincular los variadores a los motores; es necesario un gabinete, potencialmente voluminoso, para alojar los componentes de control; el gabinete necesita aire acondicionado efectivo debido a la concentración de calor generado; y, nuevamente debido a la concentración, el comportamiento de compatibilidad electromagnética puede ser errático.

El control descentralizado, cuando es factible, elimina o minimiza estos problemas. La cantidad de cableado que requiere la arquitectura de variadores distribuidos es llamativamente menor: en el caso de una máquina con, supongamos, ocho ejes y motores separados entre uno y cinco metros, la conexión de un gabinete de control central puede requerir más de 200 metros de cable; la reubicación de los variadores desde el gabinete a los motores mismos podría reducir el cableado total a menos de 50 metros.

Menos cableado significa menos posibilidades que algo salga mal: menos puntos de conexión; menos vulnerabilidades; menos interferencia eléctrica; menos calor; menos mantenimiento. La velocidad también puede ser un problema. El tiempo de respuesta más rápido alcanzado al tener un controlador dedicado cerca del motor y su eje, incluso si es solo fraccional, puede ser importante. Y un solo controlador central que ejecuta un programa largo puede ser problemáticamente lento para algunos procesos.

Los beneficios de un sistema de control descentralizado

Por supuesto, hay límites en cuanto a cuánto puede o debe descentralizarse el control. No siempre es seguro, práctico o, de hecho, necesario distribuir los controladores alrededor de un sistema, particularmente cuando hay espacio de montaje limitado dentro de la máquina o en lugares donde la generación de calor adicional puede presentar un problema. Además, cuando los conjuntos de procesos siempre trabajan juntos, la distribución del control puede crear una complejidad innecesaria. En general, cuanto más dispersos físicamente están los equipos de proceso y cuanto más independientes operativamente son los procesos, más sentido tiene distribuir el control.

Un sistema de control distribuido bien diseñado debe ser relativamente fácil de mantener y actualizar. Agregar un nuevo proceso a una configuración centralizada, por ejemplo, generalmente requiere un tiempo de inactividad en todo el sistema, mientras que el programa se modifica y el resultado se prueba para eliminar los efectos no deseados. Por otro lado, si un nuevo proceso viene con su propio controlador, gran parte de la funcionalidad se puede probar y establecer antes de la conexión, minimizando el tiempo de inactividad y el riesgo para el sistema completo.

Por supuesto, la simplicidad de esta experiencia puede perderse si los ingenieros tienen que enfrentarse a demasiados tipos diferentes de dispositivos de distintos fabricantes. En la práctica, la multiplicación de problemas, como la disponibilidad de piezas de repuesto y el conocimiento especializado del software, podría anular fácilmente las ganancias de eficiencia previstas por una arquitectura descentralizada. Por lo tanto, cuando sea posible, la estandarización de los materiales no debería ser menos importante para estos diseños de lo que naturalmente lo es para un sistema centralizado.

De hecho, la generación actual de variadores inteligentes ofrece grandes posibilidades en esta área. Los variadores flexibles, capaces de realizar operaciones tanto centralizadas como descentralizadas, tienen el potencial de simplificar significativamente los requisitos de almacenamiento y programación de un fabricante; así como también, por supuesto, agilizando el proceso de diseño y puesta en marcha.

La libertad de diseño para el ingeniero es quizás el mayor capital ofrecido por la tecnología de control distribuido. La modularización, en particular, está disponible como el modo natural de coordinar y extender los procesos de la máquina cuando el control general deja de estar vinculado a un gabinete central. Y la adaptabilidad del diseño modular es cada vez más exigida por las demandas de un mercado cada vez más diverso y cambiante.

De hecho, en los últimos tiempos, los conceptos de distribución y modularidad se han convertido en temas destacados en diversos contextos industriales: desde la fabricación distribuida hasta la construcción modular, y desde la programación de software modular hasta la DLT (distributed ledger technology). En todos estos campos, los diseñadores están descubriendo que los sistemas son más escalables, más estables y más resistentes cuando no se crean completamente en torno a un único punto focal. Ese mismo concepto es el que está detrás de los sistemas de control distribuidos.