Caso de estudio · Cadena de frío · Raspberry PLC
Cada rincón del congelador. Un PLC lo vigila.
Sondas en el tanque y el PLC fuera. Alarma, días y registro en un equipo.
Algunas vacunas y medicamentos deben estar por debajo de −20 °C, y otros en ultracongeladores a unos −80 °C.
El PLC lee cada sonda, da la alarma en el límite y guarda el registro.
Este caso es una propuesta de diseño de los ingenieros de Industrial Shields. Se escribió en 2020, para las primeras vacunas de ARN mensajero contra la COVID-19. No cita a ningún cliente ni ninguna instalación, y no publica lecturas. El sistema que describe no depende de una vacuna concreta: vigila la temperatura de un almacén frío de vacunas o medicamentos. Esta página sigue una lectura desde una sonda del tanque hasta la alarma, la cuenta de días, la base de datos y la nube.
El reto
Cada producto tiene su banda de temperatura. Fuera de ella, el lote se puede estropear.
Las vacunas y muchos medicamentos deben mantenerse en una banda de temperatura fija, en el almacén y en el transporte. El caso citaba dos ejemplos de 2020: una vacuna por debajo de −80 °C, y otra entre 2 y 8 °C durante un máximo de 30 días, o hasta 6 meses por debajo de −20 °C. Usa siempre las condiciones de conservación de la información de tu producto.
Bandas muy frías
Algunos productos necesitan un ultracongelador a −80 °C, otros −20 °C y otros una nevera de 2 a 8 °C. Las sondas y los límites dependen de la banda.
No hay una sola temperatura
La temperatura no es la misma en todos los puntos de un tanque. El caso reparte varios sensores por el depósito para tener una lectura más precisa.
Actuar a tiempo
Si el tanque se calienta por encima de un límite, los supervisores tienen que saberlo enseguida. El caso dice que es crucial corregir el error lo antes posible, para que no se estropee ninguna muestra.
Contar los días
Algunos productos se deben usar dentro de un plazo. En el caso, en un mes. El sistema tiene que saber cuánto tiempo lleva cada lote en el tanque.
Pérdidas, manipulación y retirada
Un lote que sale de su banda se pierde, y además cuesta tiempo y recursos manipularlo y retirarlo. Mantener el producto en su banda evita las dos cosas.
Cómo funciona
Tres trabajos: vigilar, contar, registrar.
Cada paso muestra un trabajo del PLC. Pulsa los botones. Los paneles son simulaciones ilustrativas: bandas, límites, retardos, temperaturas, lotes y frecuencias de registro son ejemplos, no datos de una instalación.
Cuatro sondas en el tanque. El PLC las lee todas y avisa en el límite.
El PLC está fuera del tanque de congelación. Los sensores están dentro, repartidos por el depósito, y el PLC los lee por cable. Si la temperatura del tanque pasa un límite, el PLC activa una alarma para avisar a los supervisores. Una forma habitual de hacerlo: comparar la sonda más caliente con el límite y esperar un breve retardo antes de la alarma, para que una apertura corta no la dispare. Elige una banda y después abre la tapa o para el frío.
- PLC fuera del tanque, sensores dentro
- Sensores repartidos por el depósito para una lectura más precisa
- Alarma a los supervisores por encima del límite
Eventos del PLC (ejemplo)
Simulación ilustrativa. Valores de ejemplo, sin datos de una instalación. Límites de ejemplo: −60 °C para el congelador a −80 °C, −20 °C para el congelador a −20 °C, 2 y 8 °C para la nevera. Alarma cuando una sonda pasa 5 minutos fuera del límite. Cada paso del panel son 30 segundos. El caso no publica sus límites ni sus retardos.
El reloj de tiempo real sabe cuánto tiempo lleva cada lote en el tanque.
Con el RTC (reloj de tiempo real), el PLC sabe cuántos días han pasado desde que un lote entró en el tanque. En el caso, el producto se tiene que usar en un mes. Una forma habitual de hacerlo: registrar cada lote al entrarlo, guardar la fecha del RTC y avisar unos días antes de que acabe el plazo. El reloj mantiene la hora con su propia pila. Entra un lote y avanza los días.
- Fecha y hora del RTC del PLC
- Un registro por lote (ejemplo)
- Un aviso antes de que acabe el plazo (ejemplo)
Registro de lotes (ejemplo)
Simulación ilustrativa. Valores de ejemplo, sin datos de una instalación. Ejemplo: un plazo de 30 días, como en el caso, y un aviso 5 días antes del final. El RTC da la fecha y la hora; el operario registra cada lote al entrarlo. El caso no publica cómo se registran los lotes.
Cada lectura va a una base de datos en el PLC y después a la nube.
El Raspberry PLC funciona con Linux, así que puede tener una base de datos interna con todos los datos que recoge. Por Ethernet o wifi envía los datos a la nube. El caso también muestra los datos de los sensores en una pantalla. Una forma habitual de hacerlo: escribir cada lectura primero en la base de datos local y enviarla cuando hay enlace, para que un corte de red no deje huecos. Corta el enlace y después recupéralo.
- Base de datos interna en el PLC
- Ethernet o wifi hacia la nube
- Filas guardadas mientras no hay enlace (ejemplo)
Registro y enlace con la nube (ejemplo)
Simulación ilustrativa. Valores de ejemplo, sin datos de una instalación. Ejemplo: una fila por minuto con la hora y las cuatro sondas. Las filas esperan en el PLC mientras el enlace está caído y salen en orden cuando vuelve. Cada paso del panel es un minuto. El caso no publica su frecuencia de registro ni su base de datos.
Arquitectura del sistema
¿Cómo llega una lectura de un congelador de vacunas al supervisor y a la nube?
Las sondas de temperatura del interior del tanque van por cable a un Raspberry PLC 21 FLEX, fuera del frío. El caso las lee por el bus I2C. El PLC compara las lecturas con el límite, gobierna la alarma y pone fecha a cada lectura con su reloj de tiempo real. Guarda los datos en una base de datos interna, los envía a la nube por Ethernet o wifi y los muestra en una pantalla. En el transporte, una placa de red móvil envía los mismos datos desde el camión.
| Dato | Entre | Enlace | Función |
|---|---|---|---|
| Temperatura en cada esquina | EntreSondas del tanque → PLC | EnlaceI2C en el caso | FunciónTemperatura donde están los productos. El esquema muestra cuatro sondas |
| Fecha y hora | EntreRTC del PLC | EnlaceIntegrado | FunciónDías desde que cada lote entró en el tanque |
| Alarma | EntrePLC → baliza o zumbador | EnlaceSalida digital | FunciónAvisa a los supervisores por encima del límite. El equipo de salida es un ejemplo |
| Registro | EntrePLC | EnlaceBase de datos interna | FunciónCada lectura guardada en el PLC |
| Datos en la nube | EntrePLC → servidor en la nube | EnlaceEthernet o wifi | FunciónLos datos en la nube, lejos del tanque |
| Pantalla | EntrePLC → pantalla | EnlaceHDMI en el caso | FunciónDatos de los sensores junto al tanque |
| Datos en el transporte | EntrePLC → servidor | EnlaceRed móvil | FunciónGPRS en el caso; hoy, una placa 4G en el FLEX |
Por qué funciona
Las sondas en el frío. La lógica, la alarma y el registro, fuera.
Sondas donde está el riesgo
Varias sondas repartidas por el tanque dan una imagen más precisa que un solo punto. La más caliente decide la alarma.
La electrónica, fuera del frío
El PLC está fuera del tanque, dentro de su rango de 0 a 50 °C. Solo las sondas entran en el frío.
Un equipo, cinco trabajos
Lectura, alarma, cuenta de días, base de datos y enlace con la nube en el mismo Raspberry PLC.
Hora y datos fiables
El RTC tiene su propia pila. El SAI apaga Linux de forma segura si se corta la alimentación, para proteger la base de datos.
Abierto y modular
Linux, Python y Node-RED: herramientas abiertas que ya conoces. Añade sondas, salidas o una placa 4G cuando las necesites.
Hardware industrial
Hecho para uso industrial: carril DIN, de 12 a 24 Vdc, dentro de un armario junto al congelador.
Hardware utilizado
Un Raspberry PLC junto al tanque.
RASPBERRY PLC 21 FLEX
Un PLC industrial basado en una Raspberry Pi 4, con Debian de 64 bits preinstalado. Tiene 13 entradas, 8 salidas, dos puertos Ethernet, wifi, un reloj de tiempo real con pila y un SAI. En este caso lee las sondas, gobierna la alarma, cuenta los días de cada lote, y guarda y envía el registro.
- Función
- Sondas, alarma, cuenta de días, base de datos, enlace con la nube
- Ordenador
- Raspberry Pi 4, 2, 4 u 8 GB de RAM
- Entradas
- 13: 6 analógicas o digitales (0-10 V, 12 bits), 7 digitales optoaisladas
- Salidas
- 8: 3 analógicas o PWM (0-10 V), 5 digitales optoaisladas (70 mA máx.)
- Comunicaciones
- 2 Ethernet, wifi, Bluetooth LE, 2 RS-485, I2C, SPI, USB
- Fiabilidad
- RTC DS3231 con pila, SAI para un apagado seguro
- Ampliación
- Una placa: 4G (LTE-M/NB-IoT o LTE Cat 4), LoRa, CAN o M-Bus
- Entorno
- De 0 a 50 °C, carril DIN TS35, IP20
El caso original habla de un PLC de Industrial Shields basado en Raspberry Pi y no fija el modelo. Esta página usa el Raspberry PLC 21 FLEX: entradas analógicas para los transmisores de las sondas, salidas digitales para la alarma y una ranura para una placa 4G. La versión CORE es la configuración estándar, sin placa de ampliación. El caso muestra una pantalla por HDMI, y la hoja de datos no incluye un puerto HDMI: muestra los datos en un panel en el navegador o en un panel PC por Ethernet, o consúltalo con nuestro equipo.
Preguntas sobre este caso
¿Cómo se monitoriza la temperatura de un congelador de vacunas con un PLC?
Pon varias sondas dentro del congelador y deja el PLC fuera, dentro de su rango de trabajo. El PLC lee las sondas, las compara con el límite del producto, activa una alarma y guarda un registro con fecha. En este caso, un Raspberry PLC lee las sondas por I2C, cuenta los días de cada lote con su RTC, guarda los datos en una base de datos interna y los envía a la nube por Ethernet o wifi. Para el historial de alarmas, consulta el registro de alarmas en MySQL con Node-RED.
¿Qué sonda de temperatura funciona a −80 °C?
Comprueba primero el rango del sensor: muchos sensores digitales no están preparados para −80 °C. Una opción habitual en ultracongeladores es una sonda Pt100 o Pt1000 con transmisor. Con un transmisor de 0-10 V, el Raspberry PLC 21 la lee en una entrada analógica (12 bits). Con uno de 4-20 mA, añade una resistencia de precisión de 500 Ω (20 mA × 500 Ω = 10 V), o una de menor valor si quieres leer corrientes de fallo por encima de 20 mA, y escala la lectura en el programa. Para −20 °C y de 2 a 8 °C puede servir un sensor digital preparado para esa banda, por ejemplo un DS18B20 por 1-Wire. El caso no publica el modelo de sensor.
¿Funcionan los sensores I2C con un cable largo hasta el congelador?
I2C es un bus corto, pensado para distancias dentro de un armario. El caso lee sus sensores por I2C, así que mantén el cable corto o usa extensores de bus I2C. Cada sensor necesita su propia dirección, y algunas direcciones del bus del Raspberry PLC ya están ocupadas: la hoja de datos indica 0x08, 0x0A, 0x20, 0x21, 0x28, 0x40, 0x41, 0x68, 0x6B y 0x70. Para cables largos, los transmisores de 0-10 V o 4-20 mA son más robustos. Ejemplo de código: un ADC I2C en un Raspberry PLC.
¿Qué normas se aplican a un almacén frío de medicamentos?
El caso no cita ninguna norma. En la UE, las Directrices de 5 de noviembre de 2013 sobre prácticas correctas de distribución de medicamentos para uso humano (2013/C 343/01), pensadas para la distribución mayorista, piden un mapeo de temperaturas de la zona de almacenamiento antes de usarla, equipos de control donde la temperatura varía más, equipos calibrados a intervalos definidos y sistemas de alarma que avisen cuando se salga de las condiciones de almacenamiento, con niveles de alarma ajustados y probados con regularidad. Los sistemas informatizados deben validarse o verificarse antes de usarse, y sus datos protegerse. Comprueba las normas de tus productos y de tu país.
¿Puede el mismo sistema vigilar el tanque durante el transporte?
Sí. El caso usa un equipo de la familia GPRS y GSM para enviar los datos a un servidor mientras el tanque viaja en camión. Hoy, la versión FLEX admite una placa 4G (LTE-M/NB-IoT o LTE Cat 4). Para camiones con GPS y la temperatura de la carga, lee el caso de la flota refrigerada.
¿Qué partes de este caso son hechos y cuáles son ejemplos?
Hechos: una propuesta de diseño de 2020; el PLC fuera del tanque de congelación y varios sensores dentro, repartidos por el depósito; sensores leídos por I2C; una alarma a los supervisores por encima de un límite de temperatura; el RTC para contar los días desde que entra un lote, con un plazo de un mes; una base de datos interna; Ethernet o wifi hacia la nube; una pantalla por HDMI; GPRS en el transporte, y el esquema dibuja el tanque dentro de un camión. Ejemplos: bandas, límites, retardos, temperaturas, la lista de lotes, la frecuencia de registro y el equipo de salida. El Raspberry PLC 21 FLEX es el modelo actual elegido para esta página.
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