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• Anara Navas

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EXPOSICIÓN DE DINÁMICA

Contenido

INTRODUCCIÓN.................................................................................................................. 1 

Nivel de Gestion:......................................................................................................... 2

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Nivel de Control........................................................................................................... 2

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Nivel de Campo y Proceso............................................................................................ 2

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Nivel de entradas/salidas.............................................................................................. 2

¿QUÉ SON LAS REDES DE COMUNICACIÓN INDUSTRIAL?...................................................2 CARACTERISTICAS DE LAS REDES DE COMUNICACIÓN INDUSTRIALES..............................3 EQUIPO PRINCIPAL EN LAS REDES DE COMUNICACIÓN INDUSTRIAL -> Controlador Logico Programable (PLC)............................................................................................................. 3 Implementación de los PLCs........................................................................................... 3 Funciones de los PLCs..................................................................................................... 4 REDES DE COMUNICACIÓN MÁS UTILIZADAS EN LA ACTUALIDAD........................................4 MODBUS.......................................................................................................................... 4 PROFIBUS....................................................................................................................... 4 PROFIBUS-DP............................................................................................................... 5 PROFIBUS-PA............................................................................................................... 5 PROFIBUS-FMS............................................................................................................ 5 WIRELESS....................................................................................................................... 6 Wireless Remote Networks.............................................................................................. 6 Industrial Wireless LAN.................................................................................................... 6 WirelessHART................................................................................................................ 7 ETHERNET...................................................................................................................... 7

Rojo - Anara Azul - Jose David Verde - Francys Recuerden que tenemos 5 minutos cada uno asi que practiquen y ustedes ven si resumen o investigan más en tal caso de que sea poco, cosas que no entiendan investiguenla, no queden con ninguna duda por si el profe la pregunta de igual forma lean todo luego de aprenderse su punto xq no sabemos si el profe nos pregunte cosas diferentes :S

INTRODUCCIÓN Desde siglos pasados las comunicaciones han sido siempre un reto para nuestros antepasados. Posiblemente ya no nos acordemos de la forma de comunicarse entre los seres humanos mediante señales de humo, ya que es seguro que tan sólo lo hemos podido ver en las películas del lejano oeste americano. Otro tipo de comunicación, ya no tan lejano y que aún en nuestros días podemos encontrar, es que se realiza entre personas que se encuentran en el mar y otras que intentan enviarle una información desde erra como son los faros luminosos. Estos dos ejemplos son tan sólo una muestra de otros tantos que podríamos ir describiendo. Es posible que la invención del teléfono pudo ser una de las bases importantes sobre las que han ido desfilando los diferentes sistemas con los que hoy contamos, pero fue con la aparición de los ordenadores personales con lo que se empezaron a notar cómo las comunicaciones iniciaron un proceso de cambio total tanto en su concepción como en sus aplicaciones. Esto es debido a la utilización de la tecnología digital. Si nos situamos en nuestros días, ¿quién no utiliza un teléfono móvil?, o ¿existe alguna persona que no haya escuchado hablar de Internet?, ¿hay algún joven estudiante que no se relacione con otras personas del planeta mediante correos electrónicos?, etc. Todo esto nos hace ver una evolución continua y constante cuyos límites se desconocen. Tecnologías como bluetooth, wifi, GPRS, etc. son algunos de los últimos sistemas de comunicaciones aplicados a dispositivos que la mayoría de personas utilizan en la actualidad. La automatización de procesos de fabricación industriales ha originado la necesidad de nuevas tecnologías en los sistemas de comunicación existentes entre las unidades de proceso (PCs, Autómatas, controladores, máquinas de cálculo numérico, etc.) y los dispositivos de campo (sensores y actuadores). En un principio las interconexiones se realizaban punto a punto. Esta solución tiene una serie de problemas como son un exceso de cableado, instalaciones complejas, difícil escalabilidad y complicado diagnóstico y corrección de fallos o errores. En este tema nos centraremos en la parte inferior de la pirámide de automatización, donde se encuentran los llamados dispositivos de campo que actúan directamente sobre el proceso productivo. Las comunicaciones a este nivel deben poseer unas características particulares para responder a las necesidades de intercomunicación en tiempo real que se deben producir para ser capaces y resistir un ambiente hostil donde existe gran cantidad de ruido electromagnético y condiciones ambientales duras. En el uso de comunicaciones industriales se pueden separar dos áreas principales, una comunicación a nivel de campo y una comunicación hacia el SCADA. En ambos casos la transmisión de datos se realiza en tiempo real, o por lo menos con una demora que no es significativa respecto de los tiempos del proceso, pudiendo ser crítico para el nivel de campo. Según el entorno donde van a ser instaladas, en un ámbito industrial existen varios tipos de redes.   

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Nivel de Gestion: Para redes de oficina, contabilidad y administración, ventas, gestión de pedidos, almacén, etc. Nivel de Control: Para interconectar módulos y células de fabricación entre si y con departamentos como diseño o planificación. Nivel de Campo y Proceso: Para interconectar dispositivos de fabricación que operan en modo secuencial como Robots, Maquinas de control numérico (CNC), Automatas Programables (PLC), Vehículos de guiado automático (AGV). Nivel de entradas/salidas: Las redes de comunicaciones industriales o buses de campo han experimentado un gran auge en los últimos años debido a la complejidad alcanzada por los sistemas de automatización en diversos ámbitos y sectores (control industrial, automoción, aeronaves, barcos, domótica). Los problemas mencionados en un principio fueron solucionados conforme aparecieron los Buses de Campo.

¿QUÉ SON LAS REDES DE COMUNICACIÓN INDUSTRIAL? La IEC (International Electrotechnical Commission) y la ISA (Instrument Society of America) definen a los buses de campo como redes de datos serie, digitales y múltiples puntos de conexión que sirven para comunicar elementos de control industrial de bajo nivel y dispositivos de instrumentación tales como sensores, actuadores y controladores locales. Los buses de campo permiten transferencias de información en serie y están orientados a la transmisión de datos en el ámbito industrial, tanto en los procesos discretos (automóvil, alimentación, bienes de equipo, electrodomésticos, etc.) como en los continuos (petroquímicas, electroquímicas, metalurgia, electricidad, agua, gas, etc.), e incluso en los incorporados a productos de la industria automovilística (motores de explosión, transmisión, climatización, seguridad, confortabilidad, etc.). Esto da lugar a una gran variedad de buses de campo que van desde los propietarios hasta los normalizados por alguna organización internacional (ISO, ITU, IEEE, etc.)

Figura 1. Instalación Industrial: a) Sin utilizar buses de campo, b) Con buses de campo.

o o o o o o o o o o o

CARACTERISTICAS DE LAS REDES DE COMUNICACIÓN INDUSTRIALES Son utilizados para sustituir cableado entre sensores-actuadores y los correspondientes elementos de control. Deben ser de bajo coste. Permitir la transmisión serie sobre un bus digital de datos con capacidad de interconectar controladores con todo tipo de dispositivos de entrada – salida, sencillo y permitir controladores esclavos inteligentes. Deben gestionar mensajes cortos eficientemente. Deben tener la capacidad de manejar tráfico de eventos directos Poseer mecanismos de control de error (detección y corrección). Transmitir mensajes prioritarios. Tener un bajo coste de instalación y de conexión por nodo. Poder recuperarse rápidamente de eventos anormales en la red y responder rápidamente a los mensajes recibidos. Generalmente poseen un tamaño pequeño (5 a 50 nodos). Utilizan tráfico de mensajes cortos para control y sincronización entre los dispositivos.

EQUIPO PRINCIPAL EN LAS REDES DE COMUNICACIÓN INDUSTRIAL -> Controlador Logico Programable (PLC). Un Controlador Lógico Programable, más conocido por sus siglas en inglés PLC(Programmable Logic Controller), es una computadora utilizada en la ingeniería automática o automatización industrial, para automatizar procesos electromecánicos, tales como el control de la maquinaria de la fábrica en líneas de montaje o atracciones mecánicas. Los PLC son utilizados en muchas industrias y máquinas. A diferencia de las computadoras de propósito general, el PLC está diseñado para múltiples señales de entrada y de salida, rangos de temperatura ampliados, inmunidad al ruido eléctrico y resistencia a la vibración y al impacto. Los programas para el control de funcionamiento de la máquina se suelen almacenar en baterías copia de seguridad o en memorias no

volátiles. Un PLC es un ejemplo de un sistema de tiempo real, donde los resultados de salida deben ser producidos en respuesta a las condiciones de entrada dentro de un tiempo limitado, de lo contrario no producirá el resultado deseado.

Implementación de los PLCs Los primeros PLC fueron diseñados para reemplazar los sistemas de relés lógicos (Relé lógico programable (PLR) Estos son muy similares a los PLC, y se utilizan en la industria ligera, donde sólo unos pocos puntos de entrada/salida (es decir, unas pocas señales que llegan desde el mundo real y algunas que salen) están involucrados, y el bajo costo es deseado). Estos PLC fueron programados en lenguaje llamado Listado de instrucciones con el cual las órdenes de control se le indicaban al procesador como un listado secuencial de códigos en lenguaje de máquinas. Luego para facilitar el mantenimiento de los sistemas a controlar se introdujo un lenguaje gráfico llamado lenguaje Ladder también conocido como diagrama de escalera, que se parece mucho a un diagrama esquemático de la lógica de relés. Este sistema fue elegido para reducir las demandas de formación de los técnicos existentes. Otros autómatas primarios utilizaron un formulario de listas de instrucciones de programación. Los PLCs modernos pueden ser programados de diversas maneras, desde la lógica de escalera de relés, a los lenguajes de programación tales como dialectos especialmente adaptados de BASIC y C. Otro método es la lógica de estado, un lenguaje de programación de alto nivel diseñado para programar PLC basados en diagramas de estado.

Funciones de los PLCs La función básica y primordial del PLC ha evolucionado con los años para incluir el control del relé secuencial, control de movimiento, control de procesos, sistemas de control distribuido y comunicación por red. Las capacidades de manipulación, almacenamiento, potencia de procesamiento y de comunicación de algunos PLCs modernos son aproximadamente equivalentes a las computadoras de escritorio. Un enlace-PLC programado combinado con hardware de E/S remoto, permite utilizar un ordenador de sobremesa de uso general para suplantar algunos PLC en algunas aplicaciones. En cuanto a la viabilidad de estos controladores de ordenadores de sobremesa basados en lógica, es importante tener en cuenta que no se han aceptado generalmente en la industria pesada debido a que los ordenadores de sobremesa ejecutan sistemas operativos menos estables que los PLCs, y porque el hardware del ordenador de escritorio está típicamente no diseñado a los mismos niveles de tolerancia a la temperatura, humedad, vibraciones, y la longevidad como los procesadores utilizados en los PLC. Además de las limitaciones de hardware de lógica basada en escritorio; sistemas operativos tales como Windows no se prestan a la ejecución de la lógica determinista, con el resultado de que la lógica no siempre puede responder a los cambios en el estado de la lógica o de los estado de entrada con la consistencia extrema en el tiempo como se espera de los PLCs. Sin embargo, este tipo de aplicaciones de escritorio lógicos encuentran uso en situaciones menos críticas, como la automatización de laboratorio y su uso en instalaciones pequeñas en las que la aplicación es menos exigente y crítica, ya que por lo general son mucho menos costosos que los PLCs

REDES DE COMUNICACIÓN MÁS UTILIZADAS EN LA ACTUALIDAD PROFIBUS PROFIBUS (PROcess FIeld BUS) es el bus líder en Europa impulsado por los fabricantes alemanes (ABB. AEG, Siemens, Bauer, Danfoss, Klóckner, Móeller, etc.). Se trata de un bus de campo abierto, que puede implementarse en diversas áreas como pueden ser fabricación, proceso y automatización de edificios. Se encuentra estandarizado en la norma DIN19245 (a principios de 1991) para más tarde, en 1996, ser incluido por el CENELEC en la norma europea EN 50170 (volumen 2), lo que le proporciona un gran nivel de confianza de cara al usuario, así como la posibilidad de comunicación entre equipos de diferentes fabricantes sin necesidad de ajustes especiales de interface. Los primeros productos que se ajustan a esta norma comenzaron a aparecer en 1989 y se creó un grupo de usuarios denominado PROFIBUS Nutzerorganisation (PNO)

En la actualidad existen diferentes versiones de Profibus: Profibus-PA, Profibus-FMS, Profibus-DP, todas ellas ampliamente extendidas en el mundo y especialmente en el continente europeo. PROFIBUS-DP (Periferia Descentralizada, DIN E 19245, parte 3). El protocolo PROFIBUS-DP se ha diseñado para la comunicación rápida con unidades periféricas descentralizadas, con rápidos tiempos de reacción. Hay numerosos dispositivos PROFIBUS ofrecidos por diversos fabricantes. Dichos dispositivos abarcan desde módulos sencillos de entradas o de salidas hasta controladores de motores y sistemas de automatización. Por lo general, las redes PROFIBUS-DP incorporan un maestro y varios esclavos. La configuración del maestro le permite reconocer cuáles tipos de esclavos están conectados, así como sus respectivas direcciones. El maestro inicializa la red y verifica si los esclavos coinciden con la configuración. Continuamente, el maestro escribe los datos de salida en los esclavos y lee de allí los datos de entrada. Una vez que un maestro DP haya configurado correctamente a un esclavo, éste último le pertenecerá. Si hay otro maestro en la red, tendrá apenas un acceso muy limitado a los esclavos del primer maestro La base para el desarrollo de este protocolo fue un proyecto de investigación de varias empresas y cinco institutos de investigación alemanes. Actualmente, Profibus en sus 3 versiones FMS, DP y PA son estándar europeo EN50170 desde 1996, aunque sus actividades comenzaron alrededor de 1987. Existen más de dos millones de dispositivos Profibus instalados, con aproximadamente 250 fabricantes de productos Profibus en todo el mundo. Son dos las asociaciones principales que organizan las actividades encaminadas a la mejora de este bus: PI (Profibus Internacional) y PNO (Organización de usuarios de Profibus). PROFIBUS-PA (Process Automation) Es la ampliación de PROFIBUS-DP compatible en comunicación con una tecnología que permite aplicaciones en áreas con riesgo de explosión. La tecnología de transmisión de PROFIBUS-PA se corresponde con el estándar internacional IEC 1158-2. PROFIBUS-FMS (Field Message Specification, DIN 19245, tomo 2) Este protocolo es aplicable para la comunicación de autómatas en pequeñas células y para la comunicación con dispositivos de campo con interface FMS. En esta versión, la funcionalidad es más importante que conseguir un tiempo de reacción pequeño. En la siguiente tabla se observan las características más importantes para cada versión.

Profibus especifica las características técnicas y funcionales de un sistema basado en un bus de campo serie en el que controladores digitales descentralizados pueden ser conectados entre sí desde el nivel de campo al nivel de control. Se distinguen dos tipos de dispositivos, dispositivos maestros, que determinan la comunicación de datos sobre el bus. Un maestro puede enviar mensajes sin una petición externa cuando posee el control de acceso al bus (el testigo). Los maestros también se denominan estaciones activas en el protocolo Profibus. Como segundo tipo están los dispositivos esclavos, que son dispositivos periféricos. Los esclavos son normalmente dispositivos de E/S, válvulas, actuadores y transmisores de señal que no tienen el control de acceso al bus y sólo pueden recibir o enviar mensajes al maestro cuando son autorizados para ello. Los esclavos también son denominados estaciones pasivas, por lo que sólo necesitan una parte del protocolo del bus. Así pues, sobre un mismo medio físico de bus, existen dos tipos de comunicaciones, la existente entre maestros para el paso de testigo, y la existente entre los nodos maestros y sus esclavos (ver Figura 2).

Anillo lógico entre maestros Estaciones activas , dispositivos maestros

PLC

PLC

PROFIBUS

M Sensor

Sensor

Driver

ActuadorSensor

M

T

Driver

Transmisor

Figura 2. Esquema de comunicaciones existente en una red Profibus multimaestro. La configuración de los sistemas Profibus es totalmente abierta, es decir, que dispositivos de diferentes fabricantes se pueden utilizar en la misma red Profibus. Para ello, basta con disponer de un fichero de configuración GSD donde está la información de dicho dispositivo. Esta información es leída por la herramienta de configuración (una computadora PC o un terminal de programación), para posteriormente transferir todos los datos al elemento maestro que controlará la red (pueden ser varios elementos maestros en el caso de sistemas multimaestro).

MODBUS Es uno de los protocolos más veteranos, apareció en 1979 para transmitir y recibir datos de control entre los controladores y los sensores a través del puerto RS-232 (comunicación punto a punto), con un alcance máximo de 350 metros. No ha sido estandarizado por ninguna entidad, pero sus especificaciones están disponibles. Funciona mediante el sistema maestro/esclavo, y posee dos modos esenciales de funcionamiento, modo ASCII, enviando dos caracteres (2 bytes) para cada mensaje, pudiendo haber hasta 1 segundo de tiempo de diferencia entre ellos, y modo RTU (Remote Terminal Unit), donde se envían 4 caracteres hexadecimales (4 bits cada uno) para cada mensaje. Esta última opción es más empleada en transmisiones inalámbricas. Existe la versión MODBUS plus donde se emplea el puerto RS485 para permitir hasta 32 nodos y cubrir distancias de hasta 1500 metros con técnica de transmisión de paso de testigo. Ambos emplean como medio físico el par trenzado apantallado y la tensión de alimentación es independiente para cada dispositivo. Se trata de un protocolo con limitaciones y donde sólo es recomendable usarlo en caso de instalaciones donde existan instalaciones de este tipo (para mantener compatibilidad), pero donde en la actualidad es posible emplear medios de comunicación con más prestaciones y un precio similar. Actualmente se está impulsando el empleo de MODBUS sobre TCP/IP para aprovechar las infraestructuras que se están implantando para Internet, y usar protocolos industriales empleando las mismas líneas y empaquetando mensajes MODBUS dentro de los paquetes TCP/IP, de modo que son necesarios unos módulos de encapsulado y des encapsulado para conectar con módulos tradicionales MODBUS.

WIRELESS Industrial Wireless Communication: La comunicación inalámbrica industrial La comunicación industrial es una de las claves para aumentar la eficiencia, reducir los costes totales de propiedad y mejorar la productividad. El enorme potencial de esta tecnología, particularmente en su variante inalámbrica, abre nuevas perspectivas, desde la modernización parcial de una planta o máquina hasta la optimización de complejos procesos logísticos o de producción. Partiendo de la base de Wireless Remote Networks, Industrial Wireless LAN y WirelessHART, Siemens ofrece soluciones para una automatización fiable con Industrial Wireless Communication. Wireless Remote Networks La comunicación constante entre unidades de proceso alejadas entre sí en el sector de las aguas/aguas residuales o el rápido acceso del mantenimiento remoto a máquinas y plantas ubicadas en el otro extremo del mundo son sólo dos de las innumerables posibilidades de aprovechar las ventajas que ofrece Wireless Remote Communication. Gracias a la integración en el sistema de telecontrol SINAUT o en un sistema HMI/ SCADA, en todo momento están disponibles los datos de proceso transmitidos por telefonía móvil. Una LAN inalámbrica (WLAN o Wireless Local Area Network, a veces referida como LAWN, por lo de Red Inalámbrica de Área Local) es en la que un usuario móvil puede conectarse a una red de área local (LAN) a través de una conexión inalámbrica (radio). El grupo IEEE 802.11 de estándares especifica las tecnologías para redes LAN inalámbricas. Las normas 802.11 utilizan el protocolo Ethernet y CSMA/CA (acceso múltiple de sentido de portadora con evasión de colisión) para compartición de ruta e inclusión de un método de cifrado, el algoritmo Wired Equivalent Privacy (WEP). Industrial Wireless LAN Las soluciones inalámbricas se convierten cada vez más en componentes imprescindibles de máquinas e instalaciones. Para aquellos casos en

los que la comunicación de datos deba satisfacer estrictos

requisitos, Industrial Wireless LAN (IWLAN) apuesta por innovaciones como las redes inalámbricas deterministas y PROFINET, el estándar de Industrial Ethernet. Pero IWLAN también se está utilizando cada vez más en sectores semiindustriales, ya que la elevada velocidad de transferencia que éstos exigen permite implementar aplicaciones

con streaming de vídeo o transmisión de datos de visualización y de voz. La infraestructura de la IWLAN permite satisfacer altos requisitos de determinismo y redundancia. WirelessHART WirelessHART es un estándar industrial abierto, desarrollado para los requisitos especiales de la comunicación inalámbrica en el nivel de campo de la industria de procesos. Cumple íntegramente todos los requisitos específicos de fiabilidad, seguridad, rentabilidad y facilidad de manejo. Con más de 30 millones de equipos instalados en todo el mundo, la tecnología HART es el protocolo de comunicación utilizado más a menudo para la instrumentación de procesos inteligente a nivel de campo. WirelessHART es compatible hacia abajo con la tecnología HART por cable y, por tanto, ofrece la máxima seguridad de la inversión. El protocolo HART (acrónimo en inglés de highway addressable remote transducer) es un protocolo abierto de uso común en los sistemas de control, que se emplea para la configuración remota y supervisión de datos con instrumentos de campo. Este protocolo aún no siendo un bus de campo, pues los instrumentos se cablean a los módulos de entrada/salida de un sistema de control, tiene una funcionalidad asimilable, en cuanto a la gestión y configuración que permite sobre los equipos. Este protocolo permite comunicar con un instrumento de campo sobre un lazo de corriente 4-20 mA, tanto los datos de configuración y parámetros como las medidas de proceso como temperatura, caudal, presión o cualquier otra. La información de control del instrumento se modula digitalmente sobre el lazo de corriente y por tanto no hay interferencias entre ellas. Su velocidad es de 1200 bps, de forma que el equipo maestro puede actualizar la información varias veces por segundo. Los modernos controladores empleados en los sistemas de control distribuido (DCS), son transparentes a estos instrumentos de forma que se pueden configurar y programar remotamente desde el nivel de operación de los sistemas de control.

ETHERNET Ethernet Industrial es una especificación para redes de área local que comprende el nivel físico y el nivel de enlace del modelo de referencia ISO/OSI.

Se

implementa

en

principio sobre una topología bus serie con mecanismos CSMA/CD para control del acceso al medio (MAC).

Fue desarrollada inicialmente por Xerox Corporatio con el apoyo de Intel Corporation y Digital Equipment Corporation, y ha sido la base para el desarrollo del estándar IEEE 802.3 que difiere ligeramente de la especificación Ethernet. Ethernet se ha convertido rápidamente en un estándar ‘de facto’ por el gran número de equipos que existen en el mercado y la gran cantidad de software desarrollado para esta red. Se implementaba originalmente sobre cable coaxial, codificándose la señal en banda base mediante el código manchester. Sin embargo se han desarrollado especificaciones para que la red Ethernet se pueda implementar sobre otros soportes físicos: para trenzado, fibra óptica, etc y soportando mayores velocidades de transmisión. Es más, el original control de acceso al medio CSMA/CD ha sido prácticamente desplazado por las técnicas de conmutación (Ethernet conmutada), que agilizan el tráfico de la red, aumentan el ancho de banda de transmisión disponible, aumenta el número de nodos que se pueden conectar a una misma red local y minimizar tanto la posibilidad de perdida de mensajes como el retardo de propagación de estos hacia su destino. Este hecho ha provocado que Ethernet se haya incorporado definitivamente al entorno industrial como un medio de transmisión fiable, rápido y prácticamente determinista. Nota: Un modelo de transmisión es determinista cuando, bajo condiciones normales de trabajo, permite determinar el tiempo máximo que un mesa je enviado a través del va a tardar en llegar a su destino.