Resolución de problemas en controladores de automatización programable (PAC) E/S a nivel físico

07-10-2013 | Osciloscopios

Técnicas, consejos y herramientas para la resolución de problemas en el nivel más bajo del modelo OSI

Figura 1. Una resolución de problemas eficaz puede requerir comprobar el cableado, las conexiones y las características de la señal a lo largo de su recorrido por el sistema.

Las señales que provienen o se dirigen a sistemas automatizados de control de procesos deben transmitir la información de manera precisa y fiable. Ya sea una señal analógica antigua de 4 a 20 mA que comunica el nivel de fluido que hay en un tanque de almacenamiento o una señal Ethernet/IP™ que transmite instrucciones digitales a un sistema de transporte de una planta, la integridad de una señal eléctrica es la base sobre la que descansa la funcionalidad, la fiabilidad y la precisión de un controlador de automatización programable.

El calor, el polvo, las sustancias químicas corrosivas, la humedad y la vibración, habituales en muchos entornos de trabajo, pueden degradar el cableado y las conexiones, al igual que un entorno eléctrico difícil puede degradar la calidad de la señal. Por lo tanto, para lograr una resolución de problemas eficaz, se debe comprobar el cableado, las conexiones y las características de las señales a lo largo de su recorrido por el sistema (figura 1).

Caja de herramientas del responsable de la resolución de problemas

Las herramientas para comprobar la integridad de las señales eléctricas comprenden desde multímetros digitales hasta dispositivos diseñados específicamente para comprobar las características eléctricas de circuitos analógicos y digitales. (Nota: En este artículo no se abordan las herramientas para analizar señales como datos). Los dispositivos que funcionan con batería pueden realizar medidas "flotantes" en las que ningún punto del instrumento de medida se encuentra en potencial de tierra, lo que ayuda a asegurar la precisión de la medida y que el proceso de medida no degrade el rendimiento de la red.

  • Un multímetro digital puede realizar medidas eléctricas básicas (continuidad, resistencia y capacidad), que son comprobaciones básicas y útiles de la integridad del cableado.
  • Los osciloscopios permiten que los responsables de la resolución de problemas inspeccionen las formas de onda de una señal para así observar características eléctricas dinámicas como el ruido, la distorsión o la amplitud de la señal. Los osciloscopios diseñados para la comprobación de redes eléctricas ofrecen las funciones de los multímetros digitales y los osciloscopios, además de algunas características adicionales específicas para la resolución de problemas en redes. Algunos osciloscopios específicos para redes no solo pueden medir las características de una señal, sino que también pueden realizar un análisis de la forma de onda detallado (medir la velocidad en baudios, fluctuaciones, tiempos de elevación y caída), capturar las anomalías y las perturbaciones en la señal y comunicar al operador si los valores medidos se encuentran dentro de los rangos aceptables para redes industriales comunes.
  • Las herramientas de resolución de problemas analógicos incluyen una variedad de herramientas para la calibración de procesos y la documentación (de presión, temperatura y bucles de miliamperios, por ejemplo) sobre el terreno, y bombas para comprobar la presión y el vacío. Algunas de estas herramientas, como las pinzas amperimétricas de procesos para medidas de miliamperios, tienen capacidades de medida exclusivas para comprobar señales analógicas E/S.

Empiece por lo básico

Comience por delimitar el campo de aplicación de la tarea de resolución de problemas dejando claro lo que funciona, lo que no y cuáles son los síntomas exactos del problema.

Verifique el historial de reparaciones. ¿Se ha reparado o reconfigurado algo recientemente? ¿Se ha añadido o modificado algún componente antes de aparecer el problema? En ocasiones, los problemas en un sistema que se encontraba en buen estado vienen dados por modificaciones o reparaciones.

Busque incidentes relacionados. Investigue si las perturbaciones pueden estar relacionadas con incidentes o dispositivos específicos, como el arrancador de un motor o una luz que esté encendida.

Realice una inspección visual. Compruebe que el cableado funciona correctamente y que se encuentra en buen estado (que no esté roto, roído o con terminaciones defectuosas). Compruebe que las terminaciones están ajustadas, sin corrosión y con la impedancia correcta (si se requiere). Verifique que la longitud del cableado cumple las especificaciones, que tenga el blindaje correcto y que se encuentre aislado de conductores de potencia (especialmente variadores).

Realice medidas eléctricas básicas. Si es necesario y posible, realice medidas para verificar que tanto la señal como las conexiones de blindaje son sólidas y correctas. Las medidas (de las más básicas a las avanzadas) incluyen:

  • Resistencia y continuidad en el cableado. Asegúrese de que existe una trayectoria de señal y que la resistencia cumple las especificaciones, a fin de evitar una atenuación excesiva de la señal (figura 2).
  • Resistencia entre cableado, blindajes y tierra. Asegúrese de que el cableado y los blindajes están aislados y que estos últimos se han conectado a tierra correctamente.
  • Capacidad entre conductores y blindajes. Los valores de capacidad deberían ser conformes con las especificaciones del fabricante para el tipo y la longitud del cable y con el tipo de red.
  • Tensiones de alimentación. Compruebe que la potencia del equipo cumple las especificaciones, especialmente si se detectan señales débiles o señales con una amplitud más baja de la prevista.

Documente sus resultados.

Documente cuidadosamente cada medida, anotando lo que se ha medido, dónde y bajo qué condiciones.

Figura 2. Verifique que el nivel y la calidad de la señal cumplen las especificaciones de red.

Resolución de problemas digitales en la capa física mediante la inspección de formas de onda digitales

Las señales digitales suelen visualizarse y estudiarse en su forma ideal: formas de onda perfectas con una sincronización perfecta y otras características. La realidad, sobre todo en entornos industriales, puede ser muy distinta.

Para inspeccionar formas de onda digitales, conecte un osciloscopio a la conexión E/S e inspeccione las formas de onda.

  • Verifique que las formas de onda de la señal tienen la forma correcta, que no estén demasiado atenuadas y no tengan demasiado ruido.
  • Las transiciones que son demasiado lentas (tienen tiempos de elevación lentos) pueden ser un indicio de que un conductor es demasiado largo, que el cable está dañado o no es del tipo correcto, o que una terminación necesaria está rota o falta.
  • La oscilación de impulsos (un pulso excede el 100 % de la amplitud) también es indicativa de impedancias no conformes con las especificaciones en la red.
  • Aumente la persistencia de imagen del osciloscopio y ajuste el disparo para conseguir un "patrón visual" en la pantalla (figura 3). (Una herramienta para la inspección de señales en red puede contar con una configuración automática de patrón visual). Este modo de osciloscopio permite obtener una visión excelente de la actividad del bus y de la calidad general de la señal.
    Figura 3. La pantalla del osciloscopio muestra "patrones visuales" para señales digitales limpias y con ruido.
    Figura 4. Medir la corriente de un bucle de control de procesos de 4 a 20 miliamperios forma parte de la resolución de problemas analógicos en la capa física.
    • Los límites de cambio lento no indican necesariamente un problema de red, aunque una diferencia brusca en la velocidad de transición requiere una investigación más exhaustiva.
    • Si solo se registra una curva ocasional con una forma de onda completamente diferente, cabe la posibilidad de que un único dispositivo tenga problemas de hardware o no se haya encendido correctamente.
    • Una amplia diferencia entre el nivel más alto y el más bajo de la señal puede indicar una atenuación en la línea.
    • Una distribución inconsistente de los niveles de señal puede indicar discontinuidad en la red o un dispositivo que emite una señal con una amplitud demasiado baja.

Los patrones visuales también permiten un análisis de los niveles de ruido de la red. El ruido puede interferir con la señal, llegando a distorsionar o detener las comunicaciones. Las conexiones defectuosas en el blindaje de los cables o blindajes desconectados suelen ser la causa de niveles perjudiciales de ruido.

Resolución de problemas analógicos en la capa física

Aunque la tendencia es hacia lo digital, los sistemas analógicos (particularmente los bucles de control de procesos de 4 a 20 mA) pueden encontrarse todavía en muchos lugares, especialmente en áreas de producción farmacéutica, de refinería y otros procesos (figura 4). El multímetro y el osciloscopio juegan un papel importante a la hora de medir y visualizar las características eléctricas de sistemas analógicos, pero la norma general es utilizar herramientas dedicadas que no se limitan a medir el nivel analógico y las señales de control, sino que pueden ofrecer información sobre su origen, simularlos y documentarlos.

Bucles de control de procesos de 4 a 20 miliamperios

Las señales de bucles de control de 4 a 20 mA representan una variable del proceso (como la presión o la posición de la válvula) con una corriente eléctrica análoga. Para solucionar problemas:

  1. Mida la señal de 4 a 20 mA. Si una corriente de lazo no es la prevista, compruebe las tres posibles causas: un suministro de alimentación del bucle defectuoso, cables rotos/desconectados/con cortocircuito o instrumentación defectuosa.
  2. Mida el suministro de alimentación del bucle tanto del transmisor como de la fuente de alimentación. En el transmisor deberían registrarse entre 19 y 23 V. La fuente de alimentación debería acercarse a los 24 V.
  3. Si las medidas de la alimentación del bucle parecen sospechosas, realice una prueba de sustitución usando la alimentación de 24 V de el instrumento de comprobación.
  4. Verifique el cableado. Verifique las terminaciones para conexiones con una resistencia mayor de lo normal.
  5. 5. Compruebe la tarjeta E/S del PAC enviando una señal de mA a la entrada del controlador y verificando que la indicación es correcta.
  6. Envíe una señal de mA al último elemento de control (un posicionador de válvula, por ejemplo). Si el elemento funciona como se le ha indicado, el problema se encuentra en el cableado o en la señal de salida del controlador. Si no es así, posiblemente el problema esté en el último elemento de control.

Averías en bucles

Si el problema no es que el bucle esté inactivo, sino que es impreciso, entre las posibles causas se incluyen que la tarjeta de E/S del PAC esté dañada o que haya un elemento de control final averiado. Normalmente, es mejor comenzar realizando una comprobación de campo del transmisor, el indicador remoto o local, o bien el elemento de control final.

Para el elemento de control final, utilice una pinza amperimétrica de miliamperios para medir la corriente de lazo y comparar el valor con el indicador de posición local en la válvula u otro elemento de control final. Transmita esa información al operador para verificar los descubrimientos.

En el caso de un bucle de medida, utilice una pinza amperimétrica para medir la corriente de lazo y luego hable con el operador para comprobar si el valor que se indica en el panel de control se ajusta a la corriente de lazo real. Esto le facilita una comprobación rápida de la tarjeta E/S del PAC que se encarga del bucle. También es posible enviar una señal conocida al centro de control; al igual que antes, compruebe el valor leído por el operador y la corriente de lazo real.

Comprobación de tarjetas E/S de PAC

Para solucionar problemas en las tarjetas de entrada de 4 a 20 mA, desconecte el bucle de proceso, conecte una corriente de señal conocida y compárela con el valor mostrado en la lectura. Compruebe igualmente las tarjetas de entrada de tensión, conectando una tensión de señal conocida.

Si el sistema de control no responde, verifique la resistencia de entrada de la tarjeta E/S (el valor típico es de 250 ohmios). Si la lectura de la resistencia muestra un circuito abierto, la tarjeta E/S puede ser defectuosa o tener un fusible fundido.

Análisis de datos y extracción de conclusiones

En ocasiones, una sola medida revela el origen del problema. A veces, es necesario un análisis cuidadoso de un rango de medidas y por ello es importante registrar los valores de medida al tiempo que avanza el proceso de resolución de problemas. Otras veces, el análisis de las medidas hace que surjan preguntas adicionales, que pueden ser la base para nuevas comprobaciones, con lo que los técnicos de mantenimiento estarán más cerca de solucionar las averías y los problemas del sistema.