PLC de seguridad vs. PLC estándar: Guía para ingenieros

Este artículo ofrece una evaluación en profundidad de los principios básicos de seguridad. PLCA través de una comparación multidimensional con los PLC convencionales, se exponen sus principios de diseño únicos, que incluyen redundancia, diversidad y autodiagnóstico.

Utilizando tablas completas y análisis de información, ciertamente dejaremos en claro por qué elegir un PLC de seguridad para aplicaciones esenciales no es un gasto adicional, sino una inversión financiera vital de “cinturón de seguridad” para proteger a los empleados, las herramientas y la continuidad de la producción.

En la era de la automatización, ¿estamos realmente “seguros”?

Con el avance del Sector 4.0 y la ola de la Fabricación Inteligente, el PLC se ha convertido en la base de los sistemas de automatización de las plantas de fabricación modernas. Desde el control básico de la línea de producción hasta la compleja colaboración robótica, los PLC impulsan la producción mundial gracias a su eficacia y flexibilidad.

Sin embargo, cuando un sistema de control experimenta una falla inesperada, los efectos pueden ser incluso más extremos de lo esperado: desde costosos daños en los equipos y paradas de la producción hasta lesiones irreversibles a los trabajadores.

Esto plantea una pregunta crucial: ¿puede el PLC del que usted depende llevar de manera segura el sistema a un estado seguro cuando ocurre una amenaza?

Aquí es precisamente donde se distingue un PLC convencional de un PLC de seguridad. Muchos perciben un PLC de seguridad simplemente como un PLC "más fiable", pero esta visión es solo superficial.

En realidad, un PLC de seguridad es un sistema de control especializado, diseñado con base en los principios de "Seguridad Práctica". Su objetivo no es solo completar una tarea, sino, sobre todo, garantizar la seguridad en cualquier circunstancia, incluso cuando falla.

Esta publicación sin duda desmitificará el PLC de seguridad y analizará por qué es tan crucial en la arquitectura de automatización moderna.

1. El objetivo principal de un PLC de requisitos

Antes de profundizar en los PLC de seguridad, debemos definir la función de un PLC estándar. Un PLC típico se desarrolla para implementar el razonamiento programado por el usuario de forma eficiente y correcta. Su objetivo principal es lograr la funcionalidad y aumentar la eficiencia.

• Modus operandi: Recibe señales de sensores y dispositivos de entrada, realiza operaciones lógicas basadas en un programa preestablecido y luego... Conduce actuadores (por ejemplo, motores, tubos cilíndricos, válvulas) para realizar determinadas acciones.
• Objetivos de estilo: Se buscan ciclos de verificación más rápidos, mayor potencia de procesamiento, mayor memoria e interfaces de usuario de comunicación mucho más amplias.
• Manejo de fallas: Cuando un PLC estándar deja de funcionar (por ejemplo, debido a un error de CPU o a una corrupción de memoria), su estado de resultado puede volverse impredecible. Puede desactivar sus resultados, mantener el estado anterior al fallo o incluso generar señales de resultado incorrectas. En determinadas circunstancias industriales, este comportamiento es muy peligroso.

En resumen, un PLC común es un “administrador” excepcional, pero no es un “guardián” certificado.

2. El PLC de seguridad: un guardián nacido para un funcionamiento seguro

A diferencia de un PLC convencional, el enfoque de estilo de un PLC de seguridad coloca la seguridad como la máxima prioridad desde el principio.

Sigue estrictos criterios internacionales de seguridad y protección, como: IEC 61508  (el estándar universal para la seguridad y protección útiles) y ISO 13849-1  (para componentes relacionados con la seguridad de los sistemas de control).

Su mejor objetivo es lograr un estado “seguro”, lo que sugiere que si alguna parte del sistema (incluido el PLC de seguridad en sí) falla, pasará inmediatamente a un estado seguro determinista predefinido (generalmente cortando la energía o deteniendo el movimiento peligroso).

Este cambio reflexivo se simboliza en su arquitectura de hardware única y en sus algoritmos de software, logrados principalmente con tres tecnologías modernas fundamentales:

2.1 Distinción arquitectónica: del “trabajo en equipo” a la “supervisión redundante”

Esta es una de las distinciones estéticamente más distintivas entre un PLC de seguridad y un PLC común.

• Criterio PLC: Puede incluir varias CPU. Cuando existen varias CPU, suelen operar en una asociación participativa, donde cada una gestiona diferentes tareas (p. ej., ejecución lógica, interacciones, control de movimiento) para mejorar la eficiencia total.
• PLC de seguridad: Se debe emplear una arquitectura repetitiva con al menos dos (o más) CPU. Estas CPU no dividen tareas, sino que ejecutan el mismo programa de control en paralelo. Al final de cada ciclo de prueba, el sistema realiza una comparación en tiempo real de los resultados de ambas CPU.
• Resultados del partido: El sistema identifica que el funcionamiento es regular y permite energizar las salidas.
• Desajuste de resultados: El sistema detecta inmediatamente una falla interna, ejecuta su lógica de seguridad y fuerza todas las salidas apropiadas al estado libre de riesgos predefinido (por ejemplo, desenergizado), mientras que simultáneamente activa una alarma.

Este modelo de “guía compartida de doble canal” elimina fundamentalmente la posibilidad de una salida dañina como resultado de un error de cálculo de una sola CPU.

2.2 Perspectiva de estilo: aceptar la “diversidad” para detectar fallas desconocidas

Si la redundancia es la primera línea de defensa contra fallos aleatorios de hardware, la "diversidad" es el logro contra los "Fallo de Causa Habitual" (FCC). Un FCC ocurre cuando una sola causa provoca el fallo sincronizado de varios canales repetitivos; por ejemplo, un fallo de estilo presente en un lote completo de CPU.

Para superar esto, los PLC de seguridad avanzados llevan su estilo un paso más allá:

• Variedad de equipos: Ambas CPU redundantes podrían provenir de diferentes fabricantes (por ejemplo, una de Texas Instruments y otra de Infineon). Dado que sus diseños internos, conjuntos de instrucciones e incluso procesos de fabricación varían, es muy poco probable que compartan el mismo defecto de diseño.
• Variedad de software: Incluso al ejecutar el mismo razonamiento de usuario, varios compiladores suelen refinar esa lógica para crear dos conjuntos independientes de código ejecutable. Esto permite identificar eficazmente errores sistémicos introducidos por un error del compilador.

Esta filosofía de diseño de "diversidad" es comparable a que dos expertos de diferentes trayectorias investiguen por separado el mismo registro; permite detectar problemas arraigados que un solo profesional podría pasar por alto debido a una mentalidad fija. Mejora significativamente la capacidad del sistema para identificar errores desconocidos y sistémicos.

2.3 Capacidad de diagnóstico: “Autodiagnóstico” común

La seguridad de un PLC de seguridad no se limita a la redundancia y la diversidad; también se refleja en su eficaz y constante capacidad de autodiagnóstico. Este diagnóstico es exhaustivo y abarca toda la vulnerabilidad de seguridad, desde la entrada hasta el resultado.

• Diagnóstico de CPU y memoria: Se realizan exámenes exhaustivos en los registros de la CPU, la RAM y la ROM al principio y al final de cada ciclo de escaneo.
• Fuente de alimentación que debe vigilarse: Las tensiones de alimentación interna se verifican en tiempo real. Si difieren del rango seguro, se activa rápidamente un cierre de seguridad.
• Diagnóstico de red de E/S: Esta es una diferencia crucial con respecto a los PLC comunes. Los módulos de E/S de seguridad realizan activamente diagnósticos de circuitos, como:
• Entradas: Identificación de circuitos breves, circuitos abiertos (roturas de cables) o circuitos cruzados con fuentes de alimentación externas.
• Salidas: Detectar si el canal de resultado puede cambiar correctamente y determinar problemas como cortocircuitos o comentarios de voltaje exterior.
• Vigilancia del reloj: Los sistemas de relojes gemelos se mantienen en contacto entre sí para evitar errores de sincronización sensibles provocados por desviaciones o fallas del reloj.

De acuerdo con el criterio ISO 13849-1, estos pasos de análisis se suman a una especificación vital denominada “Protección de diagnóstico (DC)”.

Un PLC de seguridad de alto nivel (por ejemplo, uno clasificado para PLe) debe lograr una protección de diagnóstico de 99% o superior, lo que implica que se pueden identificar oportunamente más de 99% de posibles fallos peligrosos dentro del sistema. La capacidad de diagnóstico de un PLC convencional es muy inferior a este nivel.

3. Comparación completa: PLC de seguridad y protección vs. PLC de requisitos

Para proporcionar una comprensión mucho más instintiva de sus distinciones, la siguiente tabla proporciona un análisis exhaustivo lado a lado:

4. ¿Cuándo es obligatorio un PLC de seguridad?

La elección del PLC no debe basarse en el presupuesto, sino en los resultados de un exhaustivo análisis de riesgos. Con base en el nivel de riesgo examinado, debe elegir un sistema de control que cumpla con el Nivel de Honestidad de Seguridad (SIL) o el Nivel de Eficiencia (PL) requeridos.

Por lo general, el uso de un PLC de seguridad calificado es obligatorio o altamente recomendable cuando su aplicación implica cualquiera de los siguientes:

• Lugares peligrosos con frecuente comunicación humana: por ejemplo, prensas de estampación, máquinas de moldeo por inyección, celdas robóticas que requieren cortinas de luz, puertas de seguridad o controles de dos manos.
• Dispositivos de alta velocidad o carga pesada: Donde un arranque inesperado o una falla en la parada podrían provocar daños enormes, como en grandes transportadores o transelevadores.
• Refinar el control de riesgos de explosión o quemaduras: por ejemplo, calderas y soluciones de gestión de calentadores (BMS), donde una falla de control podría provocar una situación trágica.
• Solicitudes explícitamente requeridas por ley y directrices: En muchos países y áreas, los criterios de seguridad de maquinaria específicos exigen el uso de sistemas de control de seguridad que cumplan con un grado de eficiencia particular.

Comprar un PLC de seguridad es, básicamente, comprar un “plan de seguro” confiable para sus propiedades más valiosas: sus trabajadores y sus dispositivos de producción.

Reflexión final: La seguridad es una ganancia no negociable

Volviendo a nuestra primera preocupación, la distinción entre un PLC típico y un PLC de seguridad va mucho más allá de una simple elección de palabras. Representa una brecha en la filosofía de diseño, la arquitectura del hardware, los dispositivos de diagnóstico y la responsabilidad legal.

• Un PLC es el “caballo de batalla” de un sistema de automatización, encargado de realizar tareas de manera eficiente.
• Un PLC de seguridad es el "ángel guardián" y la "protección" del sistema. Opera silenciosamente entre bastidores, pero en los momentos más críticos, funciona como la última y más robusta línea de protección contra un accidente.

Al planificar su próxima tarea de automatización, no considere la seguridad como una función opcional ni un coste adicional. Realice un análisis de riesgos clínicos y elija la solución adecuada para su sistema. En el mundo de la seguridad industrial, ninguna mejora en la eficiencia o capacidad puede compensar las pérdidas derivadas de un solo accidente prevenible. Elegir un PLC de seguridad es un compromiso serio con la vida, la propiedad y la reputación de su empresa.