UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA SEDE CUENCA

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1 UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA SEDE CUENCA CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Trabajo previo a la obtención del Título de: INGENIERO ELECTRÓNICO. TEMA: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN LABORATORIO DE REDES DE COMUNICACIÓN INDUSTRIAL PARA LA UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA, CUENCA. AUTORES: JEFFERSON PATRICIO TORRES VÁSQUEZ. ANTONIO RENÉ VEGA SOTO. DIRECTOR: ING. JULIO ZAMBRANO. Cuenca, Febrero de 2015

2 CERTIFICACIÓN En facultad de Director del trabajo de Tesis DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN LABORATORIO DE REDES DE COMUNICACIÓN INDUSTRIAL PARA LA UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA, CUENCA desarrollado por: Jefferson Patricio Torres Vásquez y Antonio René Vega Soto, certifico la aprobación del presente trabajo de tesis, una vez ejecutado la supervisión y revisión de su contenido. Cuenca, Febrero 2015 ING. JULIO ZAMBRANO

3 RESPONSABILIDAD Y AUTORÍA Los autores del trabajo de tesis DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN LABO- RATORIO DE REDES DE COMUNICACIÓN INDUSTRIAL PARA LA UNIVER- SIDAD POLITÉCNICA SALESIANA, CUENCA Jefferson Patricio Torres Vásquez y Antonio René Vega Soto, en virtud de los fundamentos teóricos y científicos y sus resultados, declaran de exclusiva responsabilidad y otorgan a la Universidad Politécnica Salesiana la libertad de divulgación de este documento únicamente para propósitos académicos o investigativos. Cuenca, Febrero 2015 JEFFERSON PATRICIO TORRES VÁSQUEZ ANTONIO RENÉ VEGA SOTO

4 DEDICATORIA Patricio Torres El presente proyecto de graduación está dedicado al mentor de mi camino quien fue siempre mi fuerza y sabiduría para culminar con esta etapa de mi vida Dios. También va dedicada a mi madre que aunque no estuvo presente en este caminar, sus enseñanzas y su ejemplo de lucha me motivaron a concluir con esta meta de la cual estaría muy orgullosa, a mi familia mis dos hermanas Fernanda y Alexandra y a mi padre Patricio los cuales estuvieron siempre allí para tenderme una mano, también dedico este logro a una persona que es muy especial y siempre me ha brindado su apoyo incondicional al igual que su amor mi enamorada, a mi familia entera a la que incluyo mi mascota compañero fiel de noches enteras de desvelos. A ellos dedico este último esfuerzo para el cumplimiento de esta meta. Antonio Vega Esta tesis la dedico con mucho cariño a mis padres, quienes con su comprensión, dedicación y amor permitieron que yo pueda culminar esta meta. i

5 AGRADECIMIENTOS Patricio Torres Agradezco de manera especial a mi tutor del proyecto Ing. Julio Zambrano por sus consejos para sacar adelante este proyecto de graduación, a mi universidad de la cual obtuve los conocimientos respectivos que me van a ayudar en mi vida cotidiana y profesional, a mi compañero de tesis con quien formamos un equipo de trabajo para culminar con esta etapa muy importante en nuestras vidas, a mi familia entera en especial a mis dos hermanas y mi padre además de mi tía Susana y mi primo Esteban personas que me brindaron su ayuda incondicional. Antonio Vega Mi agradecimiento a todos los catedráticos de la universidad, que me impartieron sus conocimientos en el aula, y de manera especial, a mi director de tesis, Ing. Julio Zambrano, quien hizo posible el desarrollo de esta tesis hasta su culminación. ii

6 Índice general 1. REDES DE COMUNICACIÓN INDUSTRIAL Pirámide de las redes de comunicación industrial Introducción Pirámide de la automatización (CIM) Bus de campo MODBUS Introducción ASCII RTU TCP/IP PROFIBUS Introducción PROFIBUS-FMS (Especificación de Mensaje de bus de Campo) Tareas universales de comunicación PROFIBUS-PA (Automatización de Procesos) Intercambio de datos rápido y cíclico PROFIBUS-DP (Distributed I/O) Automatización de procesos incluso en áreas con riesgo de explosión PROFINET Introducción Componentes activos Conectores PROFINET (véase Tabla 1.13) ANÁLISIS DE LOS EQUIPOS DISPONIBLES S KTP600 BASIC PN SIMATIC OP177B 6" PN/DP (6AV DA01-1AX) S ET200S Twido TWDLCAE40DRF Antena Ubiquiti Nanostation M DISEÑO DEL LABORATORIO DE REDES DE COMUNICACIÓN INDUS- TRIAL Epacio físico y bancos de trabajo Módulos de trabajo Interconexión de equipos Redes PROFIBUS Redes PROFINET IO Redes MODBUS iii

7 4. IMPLEMENTACIÓN DE LOS BUSES DE CAMPO Y ANÁLISIS DE RESUL- TADOS MODBUS Red MODBUS TCP/IP utilizando dos PLCs Shneider Twido TWDLCAE40DRF PROFIBUS DP Red PROFIBUS DP utilizando dos PLCs Siemens S Red PROFIBUS DP utilizando dos PLCs Siemens S y los módulos de comunicación CM (DP Master) y CM (DP Slave) Red PROFIBUS DP utilizando un PLC Siemens S y un PLC Siemens S Red PROFIBUS DP utilizando un PLC Siemens S y un MicroMaster PROFINET I/O Red PROFINET I/O utilizando dos PLCs Siemens Simatic S Red PROFINET I/O utilizando dos PLCs Siemens Simatic S Red PROFINET I/O entre un PLC Siemens S7-300 y una periferia descentralizada ET 200S PN Red PROFINET I/O entre un equipo Siemens S y un HMI Simatic KTP I MÓDULO DE PRÁCTICAS 109 II PRESUPUESTOS 321 III PLANOS DE DISEÑO 324 iv

8 Índice de figuras 1.1. Sistema De Control Centralizado. [12] Sistema De Control Distribuido. [12] Pirámide De La Automatización. [12] Estándares de comunicación, redes y equipos utilizados en cada nivel de la pirámide de automatización. [15] Ciclo requerimiento-respuesta de una comunicación peer-to-peer de una red Modbus. [8] Trama de un Mensaje Modbus ASCII. [12] Trama de un Mensaje Modbus RTU. [12] Encapsulamiento de una Trama Modbus en TCP. [6] Posicionamiento de Redes. [5] Configuración PROFIBUS-PA. [5] Configuración PROFIBUS-DP. [5] Topología variada y fácil adaptación del cableado a la maquina o a la planta. [3] Alta disponibilidad de la planta debido a la redundancia. [3] Conector de Fibra Óptica para interior. [3] Conector de Fibra Óptica para exterior. [3] Conector Hibrido, datos y energía. [3] Estructura de hardware de un PLC S [22] Módulo CM PROFIBUS DP - Master. [26] Módulo CM PROFIBUS DP - Slave. [25] Módulo para telecontrol CP [29] Antena para módulo CP [29] Estructura del hardware del KTP600 Basic PN. [23] SIMATIC OP177B 6" PN/DP. [1] Estructura Física De La CPU 315F-2 PN/DP. [27] Fuente de tensión PS 307 5A. [31] Módulos De Señales DI16/DO16xDC24V [30] y AI4/AO2x8BIT [32] disponibles Para El PLC S Convertidor Siemens Micromaster 440. [20] Advanced Operator Panel (AOP). [20] ET200S - Módulo de interfaz IM151-3 PN. [24] LEDs de información del módulo de interfaz IM151-3 PN. [24] Módulo de potencia PM-E DC24..48V. [17] Módulo de entradas digitales 2DI DC24V HF. [18] Módulo de salidas digitales 2DO DC24V/0.5A HF. [19] ET 200S - Módulo de interfaz IM151-1 STANDARD. [21] LEDs de información del Módulo de interfaz IM151-1 STANDARD. [21] Controlador lógico programable Twido TWDLCAE40DRF. [14] Estructura de hardware de las bases compactas Twido. [14] Componentes adicionales de hardware para la base TWDLCAE40DRF. [14] Módulo De Ampliación De E/S Analógicas TWDAMM6HT. [13] v

9 2.24. Utilización de dos antenas para crear un enlace inalámbrico punto a punto. [10] Estructura física de la antena Ubiquiti NanoStationM5. [11] LEDs indicadores del funcionamiento de la antena. [11] Adaptador POE de 24 VDC para alimentación y acondicionamiento de la señal para la antena. [11] Esquema para la correcta instalación de las antenas Ubiquiti NanoStationM5. [11] Software de configuración de las antenas Ubiquiti NanoStationM5. [11] Vista superior del laboratoio de PLC Disposición interna del laboratorio de redes de comunicación industrial Módulo de trabajo para el laboratorio de redes de comunicación industrial Módulo para periferias desentralizadas Módulo para pantallas HMI Topología de red PROFIBUS DP tipo bus entre dos controladores S Topología de red PROFIBUS DP tipo bus entre dos controladores S Topología de red PROFIBUS PD tipo bus entre un controlador S y un controlador S Topología de red PROFIBUS DP tipo bus entre un controlador S y un convertidor de frecuencia MicroMaster Topología de red PROFINET IO tipo bus entre dos controladores S Topología de red PROFINET IO tipo bus entre dos controladores S Topología de red PROFINET IO tipo bus entre un controlador S7-300 y una periferia descentralizada ET-200S PN Topología de red PROFINET IO tipo bus Wi-Fi entre un controlador S y un controlador S Topología de red PROFINET IO tipo bus entre un controlador S y un Panel KTP-600 PN Topología de red MODBUS TCP/IP tipo bus entre dos controladores Twido TWDL- CAE40DRF Topología de red MODBUS tipo bus entre un controlador Twido TWDLCAE40DRF y un Ordenador Inserción de los dispositivos Twido TWDLCAE40DRF dentro de un proyecto Configuración de la macro de comunicación del PLC servidor Inserción de dos dispositivos Siemens S7-300 dentro de un proyecto Configuración de puertos de comunicación Áreas de transferencia para la comunicación entre dos equipos Siemens S Transferencia de datos entre dos equipos Siemens S Inserción de dos dispositivos Siemens S dentro del proyecto Implementación de red PROFIBUS DP Áreas de transferencia para la comunicación entre dos equipos Siemens S Transferencia de datos entre dos equipos Siemens S Inserción de los dispositivos Siemens S y Siemens S7-300 dentro del proyecto Configuración de puertos de comunicación e implementación de red PROFIBUS DP Áreas de transferencia para la comunicación entre los equipos Siemens S y S Transferencia de datos entre los equipos Siemens S y S Inserción de los dispositivos Siemens S y Siemens MM440 dentro del proyecto Direcciones de entrada y salida del PPO Implementación de red PROFIBUS DP Transferencia de datos (Hexadecimales) de los equipos Siemens S y MicroMaster Inserción de los dispositivos Siemens S dentro del proyecto vi

10 4.20. Bloques TSEND_C y TRCV_C para gestionar la comunicación de los equipos Siemens S Inserción de los dispositivos Siemens S7-300 dentro del proyecto Creación de un bloque de datos Bloques GET y PUT para gestionar la comunicación de los dispositivos Siemens S Inserción de los dispositivos Siemens S7-300 y ET200s dentro del proyecto Bloques de organización para control de errores Inserción de los dispositivos Siemens S y HMI KTP-600 dentro del proyecto Configuración del HMI KTP vii

11 Índice de tablas 1.1. Características del bus CANOpen. [12] Principales características del protocolo Hart. [12] Principales características del protocolo Fieldbus Foundation. [12] Principales características de DeviceNet. [12] Principales características de ControlNet. [12] Principales características de Modbus. [12] Distancia vs velocidad de comunicación. [16] Aplicabilidad de cada variante PROFIBUS. [5] Especificaciones del cableado, versión 2 pares.[3] Especificaciones del cableado, versión 4 pares. [3] Especificaciones del cableado, versión hibrida para datos + Energía. [3] Especificaciones del cableado, Fibra Óptica. [3] Conectores para datos PROFINET. [3] Conexiones de datos para interior. [3] Conectores de datos para exterior. [3] Conectores para alimentación. [3] Descripción de la estructura del hardware de un PLC S [22] Versiones de STEP 7 Professional (TIA Portal) compatibles con Windows Significado de cada símbolo de estado. [26] Significado de los estádos detallados del módulo. [26] Significado de cada símbolo de estado. [25] Significado de los estádos detallados del módulo. [25] Significado de cada símbolo de estado. [29] Significado de los estádos detallados del módulo. [29] Descripción de la estructura del hardware del KTP600 Basic PN [23] Descripción de la estructura física del CPU 315F-2 PN/DP. [27] Descripción de los LEDs del módulo de interfaz IM151-3 PN. [24] Descripción del módulo de potencia PM-E DC24..48V. [17] Descripción del módulo de entradas digitales 2DI DC24V HF. [18] Descripción del módulo de salidas digitales 2DO DC24V/0.5A HF. [19] Descripción de los LEDs del módulo de interfaz IM151-1 STANDARD. [21] Descripción de la estructura del hardware de una base compacta Twido. [14] Descripción de componentes adicionales de hardware para la base TWDLCAE40DRF. [14] Tipos de PPO viii

12 INTRODUCCIÓN En la Universidad Politécnica Salesiana dentro de la carrera de ingeniería electrónica, mención de sistemas industriales, de acuerdo al último proyecto curricular se han venido dictado cátedras relacionadas con la automatización industrial, como automatización industrial 1 y 2, sensores y transductores, instrumentación y redes de computadores III. Esta última hace referencia a los protocolos de comunicación utilizados dentro de la pirámide de automatización industrial. Todos estos contenidos hasta la actualidad se han expuesto únicamente de forma teórica, impidiendo al estudiante profundizar sus conocimientos y aclarar dudas sobre los procesos de comunicación llevados a cabo dentro de los procesos industriales. Por esta razón y por el hecho de que la universidad contaba con equipos que no estaban siendo utilizados, se planteó el presente proyecto de graduación. Por medio del cual se pretende implementar un laboratorio dedicado exclusivamente a la configuración y puesta en marcha de redes de comunicación industrial. Dentro de este laboratorio el estudiante podrá desarrollar de manera práctica el levantamiento de una red de comunicación, la configuración de protocolos y el control de los datos transmitidos dentro de la red, guiados por un módulo de prácticas que será desarrollado como anexo del presente proyecto. Para la implementación del laboratorio se realizó una etapa previa de investigación dedicada a las características de comunicación que soportan cada uno de los equipos disponibles, optando así por la implementación de los protocolos de comunicación PROFINET, PROFIBUS DP y MODBUS. Se empezará con la revisión de los fundamentos teóricos de cada protocolo, continuando con las principales características técnicas de los equipos a utilizar, se explicará el diseño del laboratorio y los bancos de trabajo en donde serán montados los dispositivos para el desarrollo de las prácticas y finalmente se realizará un análisis de resultados obtenidos del levantamiento de las redes plateadas en el módulo de prácticas. El presente proyecto tiene como finalidad desarrollar la capacidad de los ix

13 estudiantes para la implementación de redes de comunicación industrial, tema que en la actualidad está siendo muy utilizado en el ámbito industrial, donde las industrias están reemplazando sus sistemas antiguos por nuevos que permitan una mayor integración entre los diferentes niveles de la pirámide de automatización. x

14 Capítulo 1 REDES DE COMUNICACIÓN INDUSTRIAL En el presente capítulo se realizará una revisión de los fundamentos teóricos necesarios para entender el desarrollo del proyecto, inicialmente se presenta una breve reseña histórica de los sistemas de comunicación industrial, la estructura que ha sido estandarizada para la implementación de los mismos y una breve descripción de las tecnologías de comunicación que se usan en cada uno de los niveles de un sistema de comunicación industrial y por último se presenta un análisis más profundo de los buses de campo que se utilizarán para la implementación del laboratorio de Redes De Comunicación Industrial, estos buses son: MODBUS, PROFIBUS y PROFINET Pirámide de las redes de comunicación industrial Introducción Desde sus inicios los procesos industriales han necesitado equipos y herramientas que permitan relacionar el entorno con los mismos para trabajar de manera correcta, además de sistemas de registro y control que permitan evitar daños en las diferentes maquinarias y mejorar la calidad de los productos. Antiguamente los sistemas de registro y control eran operadores humanos, estos operadores tenían que llevar el registro de los datos de fomra manual, mismos que permitían a los administrativos monitorear índices de producción mediante la realización de informes estadísticos y documentos, etc. Muchas veces el control de un proceso se volvía repetitivo lo que causaba en los operadores fatiga y con ello una serie de inconvenientes como errores, accidentes, etc. Con la invensión de equipos electromecánicos aparece una primera 1

15 fase de automatización de los procesos industriales conocida como Lógica de Contactos que facilitó en ese entonces a los operadores la realización del trabajo mejorando los tiempos de producción. La desventaja de este tipo de sistemas era la cantidad de espacio físico que se utilizaba, además si se quería realizar una modificación del proceso se necesitaba realizar una modificación de los elementos físicos causando más gasto de dinero y demandando continuo mantenimiento. A partir de la década de los 60 y con el desarrollo de la electrónica aparecen dispositivos gobernados por microprocesadores llamados Autómatas programables o Controladores Lógicos [12] mismos que permitieron una segunda etapa de automatización de los procesos industriales, en donde, para controlar los procesos de una planta industrial se utilizaba un dispositivo de este tipo donde se programaban las tareas para el control de las diferentes máquinas haciendo que la mano de obra se reduzca, además de reducir el espacio físico incrementando la flexibilidad del sistema y mejorando la productividad a escalas que para la época eran impensables, además que facilitaban el registro de datos que esta vez podían ya ser almacenados en dispositivos digitales conocidos como registradores facilitando la realización de los informes que serían presentados posteriormente ante el sector administrativo. Estos sistemas fueron conocidos como sistemas de Control Centralizado (véase Figura 1.1), que eran sistemas en donde los mensajes y órdenes estaban concentradas en un solo punto que era el autómata programable. Figura 1.1: Sistema De Control Centralizado. [12] Con el pasar del tiempo las industrias necesitaban mejorar su capacidad de producción y la calidad de sus productos por lo que se necesitaban nuevas máquinas con estructuras complejas, esto obviamente implicó que los sistemas de control centralizado requierieran de más cableado lo que también los volvió sistemas más complejos provocando un verdadero dolor de cabeza al momento de realizar el mantenimiento del sistema, entonces, lo que en un comienzo era una ventaja en cuanto a costos de instalación se volvió una desventaja en cuanto a costos de mantenimiento, por esta 2

16 razón se buscaron mejoras en cuanto a estos aspectos llegando así a una nueva escala de automatización en donde los sistemas de producción complejos se dividirían en subsistemas más sencillos dedicados a tareas específicas y gobernados por sus propios controladores. A estos nuevos sistemas de automatización se los conoce como sistemas de Control Distribuido (véase Figura 1.2). Figura 1.2: Sistema De Control Distribuido. [12] Gracias al auge de los autómatas programables y el desarrollo de la electrónica digital fue posible la interconexión de todos los autómatas del proceso además de lecturas de sensores para controlar acciones mediante un único medio de transmisión al cual se lo denominó Bus de Campo. Con esta nueva etapa de automatización se lograron disminuir costos de mantenimiento debido a que se eliminaron todos los cables que se necesitaban para realizar el control de las máquinas además el espacio físico en los armarios era cada vez menor. En cuanto a los registros de datos estos empezaron a ser almacenados en bases de datos, a los que se podía acceder en cualquier instante de tiempo y desde cualquier nivel organizacional. Bajo esta perspectiva se puede decir que ahora un sistema automatizado no es aquel que solamente realiza los procesos mecánicos de forma automática que antes realizaban los operarios de forma manual, sino más bien es aquel sistema que tiene flexibilidad en cuanto a conexión, accesibilidad en todo instante de tiempo y desde cualquier nivel de organización de la empresa, brinda facilidad en cuanto a operación y mantenimiento, además de un ahorro en cuanto a costos. Con la aparición de estos nuevos sistemas y viendo la flexibilidad y accesibilidad que brindan estos se han estandarizado para normalizar su uso y la estructura de las empresas de manera que puedan ser entendidos por todas las personas que se desenvuelven en este campo, así entonces estos sistemas se encuentran organizados en base a una estructura conocida como la pirámide de la automatización industrial. 3

17 Pirámide de la automatización (CIM) La pirámide de la automatización, CIM (por sus siglas en ingles de Computer Integrated Manufacturing) es una estructura gráfica estandarizada que se utiliza para estructurar sistemas de control distribuido dentro de un entorno productivo. La estructura de esta pirámide se muestra en la Figura 1.3. Figura 1.3: Pirámide De La Automatización. [12] Como se puede observar en la Figura 1.3 la estructura está dividida en cuatro niveles los cuales se diferencian por su funcionalidad, el tipo de información que intercambian entre si y las tecnologías de comunicación que utilizan. Tomando como referencia lo presentado por [12], a continuación se describe cada uno de estos niveles: Nivel de gestión: Es el nivel más alto, en este nivel se procesan tareas de tipo corporativo, tiene como función permitir la comunicación bidireccional entre departamentos que se encargan de la gestión de producción (Dirección, Contabilidad, Gerencia, Ventas, etc) con los demás niveles de la estructura, de tal manera que puedan acceder en cualquier momento y desde cualquier lugar a datos del proceso y si es necesario transmitir nuevas consignas de producción. En este nivel se manejan grandes cantidades de información, los equipos que se utilizan son ordenadores y otros equipos informáticos complejos y cuyas redes siempre están en expansión por lo que se utiliza Ethernet o Intranet como estándares de comunicación. Los equipos de este nivel pueden estar interconectados en una red de área local (LAN) o en una red de área amplia (WAN). Nivel de célula: Este nivel tiene como función la interconexión de todas las células de fabricación entre sí y con los departamentos de diseño y planificación, es decir, enlaza las funciones de ingeniería con control y producción. Los equipos 4

18 que conforman estas redes son ordenadores, autómatas y equipos de visualización que manejan grandes cantidades información y cuya transmisión demanda grandes niveles de seguridad. Utilizan Ethernet como estándar de comunicación dentro de redes de área local (LAN). Nivel de campo: Tiene como función la interconexión de los equipos de fabricación que operan de manera secuencial (módulos de entradas/salidas, medidores, sistemas de control de velocidad, autómatas, etc.), la información que se maneja en este nivel es pequeña pero que requiere de grandes velocidades de transmisión (tiempo real), por lo que utilizan como estándares de comunicación los buses de campo que además brindan seguridad intrínseca para aquellos elementos que funcionan en zonas de peligro. Estos estándares de comunicación utilizan únicamente las capas 1, 2 y 7 del modelo de referencia OSI. Nivel Actuador/Sensor: Es el nivel más bajo de la estructura de un sistema automatizado, tiene como función el control directo de las variables del proceso los equipos que conforman estas redes son sensores y actuadores y la información que manejan es muy pequeña lo que permite una gestión sencilla, lo que apremia en este tipo de redes es la transmisión de la información en tiempo real ya que de ello depende el correcto funcionamiento del proceso. En la Figura 1.4 se puede observar la estructura de la pirámide de automatización haciendo énfasis a los estándares de comunicación, redes y equipos que se utilizan en cada nivel. Figura 1.4: Estándares de comunicación, redes y equipos utilizados en cada nivel de la pirámide de automatización. [15] Bus de campo "Los buses de campo son redes digitales, bidireccionales, multipunto, 5

19 montadas sobre un bus serie que tiene como función la interconexión de los dispositivos de los niveles Actuador/Sensor y nivel de campo" [15]. Tomando como referencia lo expuesto por [15] a continuación se detallan algunos aspectos de los buses de campo: Integración de datos Hace referencia a la capacidad del bus para intercambiar todo tipo de información que se transmita desde los distintos dispositivos conectados, ya sea información básica como señales de entradas y salidas o información mas compleja como señales de consignas y parametrización. Integración de dispositivos Compatibilidad para que un autómata o controlador de cualquier marca pueda integrarse sin ningún problema al bus de campo. Tiempo real Se refiere al tiempo necesario para la transmisión de los datos. El cual debe ser más bajo que el tiempo del ciclo de trabajo del autómata, por lo general se encuentra por debajo de los 5 milisegundos. Determinismo Determinismo significa la capacidad de saber cuándo va a ocurrir algo. Este requisito es utilizado para determinar si el bus de campo es apto para tareas de regulación en donde es necesario poder determinar el tiempo de muestreo, para poder realizar un control fiable y preciso. Eficiencia del protocolo El bus de campo es el medio físico pero la información es transmitida según los protocolos de comunicación que maneja el bus y este requisito esta relacionado con la correcta gestión de la información pasa sacar el mayor provecho de la red. 6

20 Seguridad Hace referencia a la protección de los datos para que estos lleguen de manera correcta a su destino teniendo en cuenta la relación entre distancia y velocidad de transmisión a más de los posibles defectos que pueden ser causados por el medio. Expansión Se refiere a la capacidad de ampliación de un bus de campo y se basa en los siguientes parámetros: velocidad de transmisión, topología de red, máximo número de nodos conectables y tipos de medios de transmisión de la señal. Diagnóstico Hace referencia a la facilidad para determinar fallas, procurando reducir al máximo el tiempo de paro. Además debe brindar la posibilidad de sustituir un elemento defectuoso en línea, sin que esto afecte a la red. Disponibilidad Es el requisito más importante y hace referencia a la disponibilidad de repuestos para que en caso de ser necesario el reemplazo de algún elemento el tiempo de espera no afecte a los niveles de producción. Clasificación de los buses de campo Los buses de campo se clasifican según la velocidad de transmisión de datos y la funcionalidad, teniendo así los siguientes buses de campo: Buses de alta velocidad y baja funcionalidad. Están diseñados para la interconexión de sensores y actuadores simples que necesitan funcionar en tiempo real. Básicamente comprenden las capas 1 y 2 del modelo de referencia OSI. 7

21 Buses de alta velocidad y funcionalidad media. Este tipo de buses comprenden las capas 1, 2 y 7 del modelo de referencia OSI. Poseen una capa de enlace de datos más robusta que soporta datos de tamaño medio, como por ejemplo: configuraciones, parametrización, programación, entre otros. Por lo que presentan una capa de aplicación basados en PCs que permiten manipular los diversos dispositivos que constituyen el sistema. Buses de altas prestaciones Son buses capaces de soportar comunicaciones entre todos los niveles de la producción. Presentan como desventaja la sobrecarga de información que es necesaria para cumplir con los parámetros de seguridad que exigen este tipo de redes. Buses para áreas de seguridad intrínseca En este tipo de buses de campo se incluyen modificaciones en la capa física para cumplir con los requisitos específicos de seguridad intrínseca. Esto ocurre cuando los sistemas trabajan en atmósferas que presentan riesgos potenciales tanto para equipos como para el ambiente adyacente. Conexiones físicas estandarizadas y soporte de transmisión La conexiones físicas dentro de un entorno industrial se realizan mediante interfaces serie, normalizadas por la Asociación de Industrias Electrónicas de los Estados Unidos (EIA), los cuales determinan las características del soporte de comunicación, y como debe ser la señal eléctrica. Dentro de los estándares recomendados los más conocidos son: RS-232: Utilizado para comunicaciones Full dúplex. RS-485: Utilizado para comunicaciones Half dúplex. TTL: Transmisión de señales digitales a niveles TTL y CMOS. Bucle de corriente: Los niveles lógicos se indican mediante niveles de corriente en la línea de transmisión (4mA 20mA), utilizados generalmente en buses para seguridad intrínseca. 8

22 Para el soporte o medio físico de este tipo de conexiones se pueden utilizar los siguientes medios: Cable bifilar trenzado, con pantalla. Cable bifilar no trenzado, sin pantalla. Cable bifilar trenzado, sin pantalla. Cabe coaxial. Fibra óptica. Transmisión inalámbrica. En donde, la selección de estos depende de los siguientes parámetros: extensión deseada, inmunidad perseguida y las velocidades de transmisión. Normalización de los buses de campo Son prestaciones estandarizadas por la IEC (International Electrotechnical Commission), que se deben tener los buses de campo para que sean reconocidos como tal. Las mismas son: Nivel físico: Bus serie controlado por un maestro, comunicación semi-duplex trabajando en banda base. Velocidades: Se presentan dos alternativas 1 Mbit/s para distancias cortas, o valores entre 64 Kbits/s y 250 Kbits/s para distancias largas. Longitudes: Se presentan también dos alternativas, 40 metros para la máxima velocidad y 350 metros para bajas velocidades. Numero de periféricos: Máximo de 30 nodos, con posibles ramificaciones hasta un máximo de 60 elementos. Tipo de cable: Pares de cable trenzados y con pantalla. Conectores: Bornes de tipo industrial o conectores tipo D9 o D25. Conexión/Desconexión: On line Topología: Bus físico con posibles derivaciones hacia los nodos o periféricos. 9

23 Alimentación: Opción de alimentar los elementos de campo a través del bus. Longitud de mensajes: Mínimo 16 bytes por mensaje. Maestro flotante: Posibilidad de maestro flotante entre diversos nodos. Visión general, sobre ciertos buses de campo Tomando como referencia lo expuesto por [12] a continuación se presenta una descripción general sobre ciertos buses de campo: MAP/TOP Fue desarrollado por General Motors en el año de 1980, nace como un protocolo de comunicaciones capaz de alcanzar grandes tasas de transferencia de información y la simplificación de tareas de integración entre equipos de diferentes fabricantes. El protocolo MAP (Manufacturing Automation Protocol) se diseñó para interconectar los diferentes equipos a distintos niveles de producción incluso si estos pertenecen a diferentes fabricantes. Esta basado en las siete capas propuesto por la Organización Internacional de Estandarización, bajo el nombre de interconexión de Sistemas Abiertos (OSI, Open Systems Inteconnection). CANOpen Es un bus de campo serie, multipunto, desabus rrollado por la empresa BOSH y fue diseñado para el intercambio de información entre las unidades electrónicas de un automóvil. La comunicación de las redes CAN está basadas en la interoperabilidad e intercambiabilidad de información con dispositivos de fabricantes diferentes. Esto lo convierte en un protocolo abierto y que al ser estandarizado brinda grandes ventajas. En la Tabla 1.1 se presentan las características más importantes del bus CANOpen: Característica Métodos de Transmisión Velocidad/Longitud de transmisión Capas OSI Métodos de acceso Descripción Maestro esclavo utilizando el método de difusión 1000 metros a 50Kbits/s y 40 metros a 1Mbits/s Transporte, física y de enlace de datos CSMA/CD+CA (Carrier Sense Multiple Acces/Collision Detection+Conflict Resolution) Tabla 1.1: Características del bus CANOpen. [12] 10

24 Interbus Desarrollado por la sociedad Phoenix Contact como una red de Entradas-Salidas numéricas. Utiliza un método de transmisión Monomaestro Multiesclavo, optimizado para la transmisión numérica de Entradas Salidas. Físicamente utiliza una topología de anillo activo, lo que lo hace un sistema muy sensible a fallos. Todos los nodos son activos y regeneran la señal antes de retransmitirla al siguiente abonado, las señales de ida y vuelta son transmitidas por el mismo cable. La conexión punto a punto de los dispositivos del bus elimina la necesidad de ubicar resistencias de fin de línea. En este tipo de sistemas las direcciones se asignan mediante la ubicación física de los dispositivos a diferencia de los demás buses en donde las direcciones de red son asignadas de forma manual. Hart Hart (Highway Adressable Remote Transducer), fue desarrollado por Rosemount en los años 80, como protocolo abierto, creándose en 1993 HART Comunication Foundation con la finalidad de asegurar la accesibilidad de la tecnología a todos los sectores industriales. Utilizan captadores inteligentes compatibles con la señal clásica de 4-20mA. Realiza la transmisión de datos utilizando la técnica de modulación FSK (Frecuency Shift Keying) que utiliza dos frecuencias de 1200 y 2200 Hz para representar los bits 0 y 1 de la señal digital que se superpone a la señal medida de 4-20mA. En la Tabla 1.2 se muestran las principales características del protocolo Hart Característica Denominación Soporte Cuentas Topología Medio Elementos Distancia Comunicación Velocidad Datos/Paquete Tiempo ciclo Descripción HART (Highway Adressable Remote Transducer) HART Communication Foundation (HCF). Más de 14 millones de dispositivos. Punto a punto y multi-drop. Estándar 4-20mA (bucle de corriente) Recomendado hasta 15 elementos conectados en punto a punto. Hasta 3000m con repetidores. Analógica 4-20 ma y digital Maestro/Esclavo. Analógica 4-20mA, instantánea, sin retardos. 4 variables de proceso en coma flotante, más unidades de ingeniería y estado del dispositivo. 500 ms para la señal digital. Tabla 1.2: Principales características del protocolo Hart. [12] 11

25 Fieldbus Foundation Fieldbus Foundation es una organización dedicada a desarrollar un bus de campo único y abierto para aquellos usuarios que lo quieran integrar a sus procesos de producción. Fue creado en 1994, a partir de la empresa WorldFIP North America y de Interoperable Systems Project (ISP). Este protocolo fué desarrollado a partir del modelo de comunicaciones de los siete niveles OSI con estándares compatibles con los de la Sociedad Internacional para la Medida y Control (ISA) y el comité Electrotécnico Internacional (IEC). Este bus de campo está orientado a tecnologías de comunicación que puedan soportar aplicaciones críticas donde la transferencia de datos y el manejo de información son esenciales. Es considerado como el único protocolo que cumple con la especificación SP50, de ISA para buses de campo de seguridad intrínseca. Además, este protocolo permite la interoperabilidad con diferentes equipos de diferentes fabricantes sin la necesidad de usar gateways o pasarelas, para lo que utilizan un lenguaje que está por encima de la capa de aplicación y a la que se conoce como capa de Usuario, en donde se determinan el diseño de las funciones de control en los dispositivos y la forma en la que se van a comunicar en la red. En la Tabla 1.3 se presentan las principales características del protocolo Fieldbus Foundation. Característica Descripción Denominación FOUNDATION fieldbus H1 y High-Speed Ethernet (HSE). Soporte Fieldbus Foundation (FF). Cuentas Más de nodos en 5000 sistemas. Topología Estrella o Bus (H1), Estrella (HSE). Medio Par trenzado, Fibra óptica. Elementos H1: 240 nodos por segmento, hasta segmentos. HSE: limitado gracias a IP. Distancia H1: 1900m a 31.25Kbits/s con cable. HSE: 100m a 100Mbits/s con par trenzado y 2Km a 100Mbits/s full-duplex con fibra. Comunicación Cliente/Servidor, Productor/Consumidor. Datos/Paquete H1: 128 octetos. HSE: variable con TCP/IP. Tiempo ciclo H1: menor a 500ms. HSE: menor a 100ms. Tabla 1.3: Principales características del protocolo Fieldbus Foundation. [12] DeviceNet DeviceNet es un bus de campo basado en CAN, fue desarrollado por Allen Bradley en los años 90 e integrado por ODVA (Open Devicenet Vendor Association). Es una 12

26 red digital de tipo abierto diseñado para satisfacer exigencias de fiabilidad requeridas en ambientes industriales de seguridad intrínseca. Está basado en las siete capas del modelo OSI, en donde utiliza CAN para el enlace de datos y el protocolo CIP (Protocolo Común Industrial) para las capas superiores (Aplicación, Presentación, Sesión). Su modelo de diálogo está basado en el modelo Productor-Consumidor y tienen la posibilidad de configurarse para funcionar como Maestro-Esclavo o con enlaces punto a punto. A continuación se presenta la Tabla 1.4 con las principales características del bus de campo DeviceNet. Característica Descripción Denominación FOUNDATION fieldbus H1 y High-Speed Ethernet (HSE). Soporte Fieldbus Foundation (FF). Cuentas Más de nodos en 5000 sistemas. Topología Estrella o Bus (H1), Estrella (HSE). Medio Par trenzado, Fibra óptica. Elementos H1: 240 nodos por segmento, hasta segmentos. HSE: limitado gracias a IP. Distancia H1: 1900m a 31.25Kbits/s con cable. HSE: 100m a 100Mbits/s con par trenzado y 2Km a 100Mbits/s full-duplex con fibra. Comunicación Cliente/Servidor, Productor/Consumidor. Datos/Paquete H1: 128 octetos. HSE: variable con TCP/IP. Tiempo ciclo H1: menor a 500ms. HSE: menor a 100ms. Tabla 1.4: Principales características de DeviceNet. [12] ControlNet Se trata de una red de comunicaciones industriales desarrollado por la organización ControlNet International, de tipo abierto, orientada al control en tiempo real gracias a su elevada velocidad de transferencia. Gracias a su alto nivel de integración este tipo de bus de comunicación es ideal para reemplazar aquellos sistemas que tienen grandes cantidades de señales de Entrada-Salida cableadas. Este tipo de redes cumplen con las premisas de determinismo y repetibilidad lo que hacen que este tipo de redes sean aptas para trabajar en tiempo real, asegurando que los datos llegarán a su destino. Se confirma además que los tiempos de transmisión sean fijos sin importar la cantidad de nodos que tenga la red. Utilizan como modelo de diálogo el principio de Productor-Consumidor lo que permite a todos los nodos de la red el acceso de forma simultánea, con lo que se disminuye la carga de comunicaciones. Además, a todos los nodos de la red les llegan los mismos datos y al mismo tiempo. 13

27 A continuación se presenta la Tabla 1.5 con las principales características del bus de campo ControlNet. Característica Denominación Soporte Cuentas Topología Medio Elementos Longitud de segmento Descripción ControlNet, basado en CIP (Common Industrial Protocol). ODVA (Open DeviceNet Vendor Association) y ControlNet International (CI). 3,5 millones de nodos (redes CIP). Bus, árbol, estrella, mixto. Coaxial (tipo BCN) o Fibra. 99 nodos máximo 48 nodos sin repetidor. Cable coaxial (1 segmento) 1000 m con dos nodos. 500 m con 32 nodos. 250 m con 48 nodos. Fibra óptica: 3000 m con 99 nodos Distancia Comunicación Velocidad Datos/Paquete Tiempo de ciclo Con repetidores. Cable Coaxial: 5000m a 5Mbits/s Fibra Óptica: >30Km Multimaestro. Punto a punto. Maestro Esclavo. 5Mbits/s 0 a 510 bytes, variable. 2 a 100ms, configurable. Tabla 1.5: Principales características de ControlNet. [12] 1.2. MODBUS Introducción Es un protocolo que fue desarrollado en el año de 1979 por Modicon que corresponde a una marca registrada por Gould Inc. Fue un protocolo diseñado para que los controladores programables de Modicon puedan comunicarse con otros controladores además de otros dispositivos de otras redes. Modbus es un bus de campo que además puede soportar redes que incluyen Modbus Plus industrial y otros protocolos como MAP y Ethernet. Para realizar la transmisión de datos este protocolo utiliza 14

28 el modelo Maestro-Esclavo y Cliente-Servidor, este protocolo es ideal para la monitorización remota de elementos de campo. Modbus es un protocolo de enlace (capa 2 modelo OSI) que utiliza el estándar serie RS-232C, en donde cada fabricante define las características de conexión física del bus de campo. [8] Características del protocolo Modbus Medio Físico Puede ser un bus semidúplex (half dúplex, RS-485 o fibra óptica) o dúplex (full dúplex, RS-422, BC 4-20mA o fibra óptica) y las velocidades de transmisión van desde los 75 baudios a baudios. La máxima distancia entre estaciones depende del bus físico pero se pueden alcanzar distancias de has 1200m utilizando fibra óptica como bus físico y sin utilizar repetidores. [4] Acceso al Medio El acceso al medio es de tipo maestro-esclavo, con control de acceso al medio por parte del maestro, teniendo 63 nodos para estaciones esclavo más un maestro. [12] Comunicación La comunicación es de tipo asíncrona, en donde el intercambio de mensajes puede ser de dos tipos: Intercambios punto a punto: Aquí se mantiene el modelo de intercambio maestro-esclavo, en donde el maestro realiza un requerimiento y el esclavo da una respuesta. Mensajes difundidos (broadcast): En este tipo de comunicación el maestro envía un mismo mensaje a todos los esclavos sin recibir respuesta de los mismos. Este tipo de comunicación se utiliza para enviar datos comunes como por ejemplo configuraciones. Cuando se quieren comunicar dispositivos de otras redes con una red Modbus es necesario la utilización de pasarelas de comunicación, y al igual que en una comunicación de una red Modbus se utiliza el modelo peer-to-peer y cuyo ciclo de comunicación se muestra en la Figura1.5 [8]: 15

29 Figura 1.5: Ciclo requerimiento-respuesta de una comunicación peer-to-peer de una red Modbus. [8] Protocolos de Comunicación Para realizar las transacciones de comunicación en una red Modbus se tienen dos protocolos estandarizados como lo son ASCII y RTU. Su selección depende de las especificaciones del medio físico que se vaya a utilizar en la red. Tomando como referencia lo expuesto por [8] a continuación se presenta una descripción general sobre los protocolos de comunicacion Modbus ASCII Cuando una red es configurada para utilizar en modo ASCII cada byte se envía como dos caracteres ASCII. Este protocolo presenta como ventaja principal el permitir tiempos muertos hasta de un segundo entre carácter y carácter sin que se provoque un error. Este protocolo presenta las siguientes características: Codificación del sistema: Utiliza codificación hexadecimal (0-9, A-F). Donde, se utiliza un carácter Hexadecimal contenido en cada carácter ASCII del mensaje. Bits por cada byte: 1 start bit. 7 bits para datos, el bit menos significativo se envía primero. 1 bit para paridad par o impar, no se usan bits si no hay paridad. 1 bit para paro si se utiliza paridad, 2 bits si no. 16

30 Campo de verificación de error: Verificación de Redundancia Longitudinal (LRC) En la configuración ASCII, los mensajes inician con : (ASCII 3A, hexadecimal) y terminan con CRLF (ASCII 0D y 0A, hexadecimal). Los dispositivos que forman parte de la red están continuamente monitorizando la misma en busca de los dos puntos, una vez encontrados los dispositivos decodifican la dirección para saber si son o no los destinatarios del mensaje y responder así al requerimiento del maestro, cuando el tiempo muerto entre caracteres de un mensaje es mayor a un segundo el dispositivo que recibe el mensaje asume que ha ocurrido un error. Los mensajes tanto de requerimientos como de respuestas son enviados en una red Modbus dentro una estructura conocida con el nombre de trama, misma que se muestra a continuación en la Figura 1.6: Figura 1.6: Trama de un Mensaje Modbus ASCII. [12] RTU Cuando una red es configurada para utilizar como protocolo de comunicación RTU (Remote Terminal Unit), cada byte del mensaje contiene dos caracteres hexadecimales de 4 bits. La ventaja de este protocolo es la densidad de caracteres, más elevada que ASCII, lo que presenta como ventaja principal un aumento en la tasa de transmisión manteniendo la velocidad. Este protocolo presenta las siguientes características: Codificación del Sistema: Binaria de 8 bits, hexadecimal (0-9, A-F), dos caracteres hexadecimales por cada byte de mensaje. Bits por cada byte: 1 bit de inicio. 8 bits de datos, el bit menos significativo se envía primero. 1 bit de paridad par o impar, 0 bits si no hay paridad. 17

31 1 bit de parada con paridad, dos bits de parada si no hay paridad. Campo de verificación de error: Verificación de redundancia cíclica (CRC). En la configuración RTU, los mensajes comienzan tras un silencio de por lo menos 3.5 caracteres. Y a continuación viene el campo de dirección del dispositivo. El proceso de intercambio de mensajes es el mismo que ASCII, los dispositivos están siempre monitorizando la red en espera de un silencio que indica el inicio de la transmisión una vez determinado este silencio decodifican el resto del mensaje para saber si son o no los destinatarios para dar respuesta al requerimiento del dispositivo master. La respuesta por parte del esclavo comienza a partir de un nuevo silencio en la red del mismo intervalo de tiempo que indica el final del mensaje de requerimiento. En esta configuración los mensajes deben enviarse de manera contínua para no generar errores de transmisión. Al igual que los mensajes ASCII, los mensajes RTU se envían dentro de una estructura llamada trama, misma que se muestra en la Figura 1.7. Figura 1.7: Trama de un Mensaje Modbus RTU. [12] TCP/IP Este protocolo es una extensión del protocolo Modbus que permite utilizarlo sobre la capa de transporte TCP/IP, este protocolo nace de la idea de poder monitorizar una red de forma remota desde cualquier parte del mundo ya que Modbus-TCP se lo puede usar en Internet. La utilización de este protocolo dentro de una empresa presenta las siguientes ventajas [6]: Reducción de tiempo y costos en cuanto a mantenimiento ya que se lo puede hacer de forma remota desde una PC. El ingeniero de mantenimiento puede acceder al sistema de la planta a cualquier hora y desde cualquier lugar. 18

32 Permite gestionar sistemas distribuidos geográficamente mediante el uso de tecnologías como internet e intranet. La combinación de una red física versátil y escalable como Ethernet con el estándar TCP/IP y una representación de datos independiente del fabricante como lo es Modbus, proporciona una red abierta y accesible para el intercambio de datos de proceso. Comunicación El protocolo Modbus TCP/IP para la transmisión de mensajes no hace más que encapsular una trama Modbus RTU en un segmento TCP. El estándar de comunicación se basa en el modelo consulta-respuesta debido a que TCP/IP proporciona un servicio orientado a la conexión. En la Figura 1.8 se muestra el encapsulamiento de una trama Modbus en TCP. Figura 1.8: Encapsulamiento de una Trama Modbus en TCP. [6] El modelo Consulta/Respuesta concuerda con el modelo de Maestro/Esclavo de las redes Modbus pero brindándole el determinismo presente en las redes Ethernet conmutadas. La utilización de este protocolo de comunicación brinda la posibilidad de gestionar gran cantidad de nodos en comparación con otros buses de campo. Estas redes utilizan como medio físico cables de red Ethernet con conectores RJ45, además de la posibilidad de utilizar también fibra óptica. Cuando se utilizan redes basadas en Internet las velocidades de transmisión no son aptas para el uso a nivel de control, pero es suficiente para los niveles de gestión de procesos y de célula. Sería posible llegar a una funcionalidad en todos los niveles de la pirámide de automatización si se contara con una red intranet. En la Tabla 1.6 se presenta las características principales del protocolo de comunicación Modbus. 19

33 Carácteristica Denominación Soporte Topología Medio Elementos Distancia Comunicación Velocidad Datos/Paquete Descripción Modbus RTU/ASCII, Modbus TCP/IP. Modbus-IDA. Bus, árbol, estrella. Par trenzado, RS-232, RS-485 o Fibra. RTU/ASCII: 250 por segmento. RTU/ASCII: 350 metros.tcp/ip: 100 mts entre switches Maestro/Esclavo o Cliente/Servidor. RTU/ASCII: 300bits/s-38.4Kbits/s. TCP/IP: 100Mbits/s. RTU/ASCII: bytes. TCP/IP: 1500 bytes. Tabla 1.6: Principales características de Modbus. [12] 1.3. PROFIBUS Introducción Es un protocolo dinámico que brinda solución a tareas de comunicación Maestro- Esclavo e involucra todos los perfiles de comunicación industrial como automatización de procesos, seguridad y control de datos. En la actualidad PROFIBUS abarca todos los niveles de automatización, desde elementos de campo (sensores, actuadores) hasta sistemas complejos que gestionan múltiples equipos con toda su información. [12] Esto surgió con la necesidad de desarrollar un bus de campo que lograra comunicar una red de elementos de automatización a nivel de campo con el control de procesos a nivel de célula. Esta jerarquización se elaboró en la Norma Europea EN 50170, en [16] Con PROFIBUS llegó el estándar de bus de campo, el cual era libre y transparente a los fabricantes. Los dispositivos de diferentes fabricantes eran adquiridos con su correspondiente interface. Debido a su estructura y funcionalidad diferenciada, PROFIBUS abarca grandes áreas de sensores y actuadores, en los niveles de célula y campo, garantizando una correcta funcionalidad en los buses de niveles superiores del nivel de control de procesos. [16] PROFIBUS posee tres extensiones con diferentes características y aplicaciones. Según lo expuesto por [16] a continuación se presenta una breve síntesis de cada una de estas variantes: PROFIBUS - FMS PROFIBUS - PA PROFIBUS - DP 20

34 Estas tres variaciones de PROFIBUS son compatibles una con otra coordinando propiedades y rangos de usuario. Hacen transparente la comunicación desde los sistemas sensor-actuador a los sistemas superiores de control. Prestan ventajas en la planificación e instalación, minimizando costos. En la Figura 1.9 se muestra el posicionamiento de las tres versiones de PROFIBUS dentro de la pirámide de automatización industrial. Figura 1.9: Posicionamiento de Redes. [5] PROFIBUS-FMS (Especificación de Mensaje de bus de Campo) Tareas universales de comunicación. PROFIBUS-FMS cumple la funcionalidad de comunicar los niveles de célula y campo. Se corresponde con la DIN y se integra en la Norma Europea de Bus EN Debido a su capacidad de ejecución de funciones de usuario, es apta para comunicaciones de mayor complejidad, tales como el intercambio de datos entre dispositivos de automatización inteligentes. Por esta razón se crean los conceptos de estaciones activas (maestros) y estaciones pasivas (esclavos), la comunicación entre estos dos tipos de estaciones son intercambiados en procesos cíclicos o acíclicos, utilizando el método de paso de testigo. Es posible una velocidad de comunicación de 1.5 Mbit/s. El método de paso de testigo funciona como un elemento de autorización de acceso a bus. El testigo circula por cada maestro durante un tiempo específico. El método Maestro-Esclavo permite que el maestro envíe autorización directamente, cuando los esclavos asignados se comuniquen con el maestro. 21

35 PROFIBUS-FMS trabaja en base a programación orientada a objetos, y hace el acceso estandarizado posible a las variables, programas y áreas de datos (dominios). Todos los objetos que integra la comunicación de una estación son ingresados en la configuración del sistema de bus en el objeto directorio. El acceso al objeto de comunicación se realiza utilizando un índice o por medio de símbolos. La transmisión de datos se ejecuta en la base de las conexiones lógicas PROFIBUS-PA (Automatización de Procesos) Intercambio de datos rápido y cíclico. PROFIBUS-PA es una variante PROFIBUS diseñada para la automatización de procesos en la ingeniería de procesos (véase Figura 1.10). Originalmente, PROFIBUS- PA se especificó bajo la ISP 3.0 (Proyecto de Sistemas Interoperativos). Desde Junio de 1994, pasó a llamarse PROFIBUS-ISP. A principios de 1995, esta variante fue renombrada como PROFIBUS-PA. Utiliza procesos especificados en la Norma IEC de tecnología de transmisiones y habilita esos procesos mediante una confiable y remota alimentación de las estaciones. Esas propiedades permiten que, durante la ejecución actual, los elementos de campo puedan desacoplarse. Para realizar esto, se debe haber desconectado completamente un bus de campo seguro. A continuación se lista datos fundamentales de la Norma IEC (PROFIBUS-PA): Trasmisión digital de bits de datos síncronos Tasa de datos 31,25 kbit/s. Limitador seguro de inicio y final de errores. Nivel de envío 0,75 VSS a 1 VSS. Alimentación de potencia remota a través de descarga de señales. Soporta topología Lineal, Árbol y Estrella. Transmisión de Potencia: DC. Hasta 32 estaciones por segmento de cable. Longitud de segmento de cable de hasta 1900 m (sin repetidor). Bus expandible con un máximo de 4 repetidores en una fila. 22

36 Figura 1.10: Configuración PROFIBUS-PA. [5] PROFIBUS-DP (Distributed I/O) Automatización de procesos incluso en áreas con riesgo de explosión. PROFIBUS-DP se dispuso en la Parte 3 de la Norma DIN E y se integró en la Norma Europea de bus de campo EN Está diseñado para cumplir los requisitos de intercambio de datos con mayor velocidad y eficiencia, entre los elementos de automatización y los elementos distribuidos, tales como módulos de entradas, salidas analógicas y actuadores. Este cambio de la periferia en el nivel de campo, habilita la alimentación a través de los cables. Por esta razón, el campo de usuario de PROFIBUS es añadido por abajo y por encima. PROFIBUS-DP utiliza las propiedades aprobadas en la tecnología de comunicación PROFIBUS y el protocolo de acceso a bus (DIN Parte 1). Junto a esto también se puede nombrar las funciones que cumplen los exigentes requisitos de tiempo de reacción en el rango de las E/S distribuidas. Por tanto, es posible, ejecutar simultáneamente PROFIBUS-FMS y PROFIBUS-DP en un solo cable. Datos técnicos sobre PROFIBUS-DP. Los siguientes parámetros se especifican, para PROFIBUS, en la Norma 50170: La reserva de bus se produce en PROFIBUS-DP tras el procesamiento de Paso de Testigo con Maestro- Esclavo. Tiempo ciclo típico entre 5-10 ms. Se puede conectar un máximo de 127 estaciones con una longitud de registro 23

37 de entre bytes de datos de usuario. Rangos de transmisión de datos: 9,6 KBaud / 19,2 KBaud / 93,75 KBaud / 187,5 KBaud / 500 KBaud / 1,5 MBaud / 3 MBaud / 6 MBaud / 12 MBaud. La configuración del bus puede expandirse a través de módulos, los cuales pueden conectarse y desconectarse en ejecución. La transmisión se produce a través de un cable de dos hilos con interface RS-485 o por fibra óptica. El cable de dos hilos está cruzado y apantallado, con una sección mínima de 0.22mm2, y deben de cerrase, en los extremos inicial y final, por terminales de cierre. Se puede establecer una red de área más amplia en PROFIBUS-DP, dividiendo el bus en segmentos, interconectados a través de repetidores. El máximo número de estaciones por segmento de bus es de 32. Se puede conectar más segmentos a través de repetidores, teniendo en cuenta que cada repetidor cuenta como una estación. Se puede conectar un total de 128 estaciones, contando todos los segmentos de bus. Con repetidores 1,5 Mbaud, se puede operar 10 segmentos de bus en una fila (9 repetidores), con repetidores de 12 Mbaud, sólo 4 segmentos de bus (3 repetidores). Las distancias de hasta 12 km son posibles con cables eléctricos de dos hilos y de hasta 23.8 km con fibra óptica. La relacion velocidad-distancia se puede observar en la Tabla 1.7. Velocidad de comunicación en Kbaud Longitud por segmento en m Máx. longitud en m Número de segmentos de bus Tabla 1.7: Distancia vs velocidad de comunicación. [16] 24

38 En PROFIBUS-DP, existe una extensa gama de posibilidades de diagnosis con la ayuda de herramientas de software. Tipos de dispositivos PROFIBUS-DP Maestro DP de clase 1 (DPM1). En esta clase PROFIBUS posee un controlador central que intercambia información con los equipos distribuidos o esclavos DP en un ciclo de mensajes específico. Se incluye las siguientes funciones M/E: Recopilación de información de diagnosis por parte de los esclavos DP. Operación cíclica de datos de usuario. Parametrización y configuración de los esclavos DP. Control de los esclavos DP a través de comandos. Estas funciones son ejecutadas de manera independiente desde el interface de usuario del maestro DP (clase 1). El interface entre el usuario y el interface de usuario es calibrado como interface de datos de servicio. Los dispositivos son controladores lógicos programables (PLC), controles numéricos computarizados (CNC) o control de robots (RC). Maestro DP de clase 2 (DPM2). Los elementos pertenecientes a este grupo son los dispositivos de programación, configuración o diagnosis. Son parametrizados en la puesta en marcha para especificar la configuración del sistema DP, como el número de dispositivos DP, direcciones de las estaciones del bus y direcciones de dispositivos de E/S. Entre el esclavo DP y el maestro DP (clase 2), se dispone de las siguientes funciones adicionales, junto con las funciones M/E del tipo maestro DP (clase 1): Lectura de la configuración de los esclavos DP. Lectura de los valores de E/S. Asignación de direcciones a esclavos DP. 25

39 Entre el maestro DP (clase 2) y el maestro DP (clase 1), se dispone de las siguientes funciones (la mayor parte de estas funciones se ejecutan de manera acíclica): Entrada de la información de diagnosis disponible de los esclavos DP asignados en el maestro DP (clase 1). Carga y descarga de los registros de datos. Activación de los registros de parámetros de bus. Activación y desactivación de los esclavos DP. Ajuste del tipo de operación del maestro DP (clase 1). Esclavo DP. Cada elemento de periferia (sensor/actuador) se identifica como esclavo DP cuando los datos de entrada son leídos y los datos de salida son entregados a la periferia. También es posible que los dispositivos sean solo de entrada o de salida. Los esclavos DP típicos son E/S binarias de 24 o 200 V, entradas analógicas, salidas analógicas, contadores, entre otros como válvulas neumáticas, dispositivos de lectura de código de barras, interruptores de proximidad, sensores de medida, accionamientos, etc. La mayoría de los datos de entrada y salida son independientes, poseen un máximo de 246 bytes para entradas y de 246 bytes para salidas. Configuración PROFIBUS-DP Un sistema de este tipo consta de un PLC o PC como sistema de control, dispositivos de Entrada/Salida digitales o analógicos, accionamientos o elementos finales como válvulas (véase Figura 1.11). Figura 1.11: Configuración PROFIBUS-DP. [5] 26

40 Utilización de cada variante PROFIBUS (FMS PA DP) PROFIBUS- FMS PROFIBUS-PA PROFIBUS-DP Aplicación Nivel de célula Nivel de campo Nivel de campo Estándar EB /IEC IEC EN /IEC Dispositivos de PLC, PG/PC, Dispositivos OKC, PG/PC, campo para Dispositivos de conectables campo de explosión y Dispositivos de áreas con riesgo campo binarios y analógicos, kbit/s accionamientos, OPs. Tiempo de <60 ms <60 ms 1-5 ms respuesta Tamaño de red Velocidad <= 150 km Máximo 1.9 km <= 150 km 9.6 kbit/s - 12 Mbit/s kbit/s 9.6 kbit/s - 12 Mbit/s Tabla 1.8: Aplicabilidad de cada variante PROFIBUS. [5] 1.4. PROFINET Introducción "Profinet es Profibus sobre Ethernet. Profinet ofrece soluciones de red para fábricas y procesos de automatización, para aplicaciones de seguridad, aplicaciones de control de movimiento sincronizado. La comunicación Profinet se basa en protocolos Ethernet, UDP, TCP e IP. Existen dos versiones de redes Profinet. Profinet I/O con la integración de dispositivos de campo descentralizados simples y aplicaciones de tiempo crítico. Profinet CBA (Component Based Automation) se ocupa de la integración de los sistemas de automatización distribuidas basadas en componentes". [7] De acuerdo a lo presentado por [10] a continuación se realiza una breve descripción de los aspectos más importantes del bus PROFINET I/O que es uno de los mas utilizados dentro del sector industrial Componentes activos. Características Físicas: Alta resistencia, a condiciones de humedad, condensaciones, temperaturas extremas, vibraciones e interferencias electromagnéticas. En cuanto a Fiabilidad: 27

41 Redundancia de anillo rápida (<200ms). IWLAN con reserva de ancho de banda, rapid roaming. Equipos modulares con sustitución en caliente. Características de aplicación industrial Consta de una total integración, diagnosis de red integrada en PLC, HMI Facilidad de mantenimiento. Sustitución de equipos por personal no especializado (Elementos extraibles). Sistema de cableado industrial rápido e inmune a ruidos. Uso fiable en entornos severos No se producen reflexiones en cables ni problemas de cableado (ej. Ausencia de resistencia terminal) con PROFINET. Los problemas de conexión solo afectan a dos putos de un enlace y no a la línea entera (Fácil localización de fallas). Tecnologías robustas para PROFINET El uso de Ethernet conmutada siempre permite una conexión punto a punto. El uso de cables apantallados y cable de FO garantizan la inmunidad frete a influencias electromagnéticas. La auto-negociación 1 y el auto-crossing 2 reducen los errores potenciales durante la puesta en marcha y el mantenimiento. Velocidad de transimisión 1 Consiste en el reconocimiento / la negociación automática de la velocidad de transferencia (10/100 MBit/s) y el modo de servicio (Full-Duplex / Half-Duplex).[1] 2 Permite la adaptación automática del cable emisor y receptor de un puerto, es decir, el cable Ethernet conectado (cruzado/no cruzado). [1] 28

42 Debido a su amplio ancho de banda, aplicaciones intensivas en datos se pueden usar paralelamente sin que ello afecte a la transmisión de datos de periferia. Usando 100 Mbit/s Ethernet, PROFINET alcanza una velocidad de transimision significativamente alta (Por ejemplo comparado con PROFIUS DP). 100 Mbit/s es una prestación suficientemente alta para el nivel de campo. Topología Flexible Topología basada en el diseño de la máquina, mejor coste de cableado y puesta en marcha más sencilla. Topología lineal y estructuras de anillo redundante posibles sin componentes de red adicionales. Varios controladores pueden convivir en una red (Acceso simultáneo a un dispositivo con Shared Device e I-Device). Topología adaptada para cada máquina Soporte de topologías variadas tales como estrella, árbol, línea o anillo (véase Figura 1.12). Varios medios disponibles para la red, cable de cobre Cat5, cables de fibra óptica de vidrio y plástico, e IWLAN. Acceso a máquinas y plantas mediante una conexión segura VPN (Para mantenimiento remoto). 29

43 Figura 1.12: Topología variada y fácil adaptación del cableado a la maquina o a la planta. [3] Redundancia de medio (véase Figura 1.13). Incremento de la disponibilidad de la planta y la maquina Se puede implementar con la ayuda de switches externos y mediante las interfaces integradas de PROFINET. El fallo de dispositivos en la topología de anillo no tiene efecto en la disponibilidad de la planta. El mantenimiento se agiliza incluso ante un fallo en la red. Figura 1.13: Alta disponibilidad de la planta debido a la redundancia. [3] 30

44 MPR Protocolo de redundancia de medio Norma IEC , Issue Basado en topología anillo. Maximo 50 nodos en el anillo, controlador PROFINET IO, dispositivos PROFINET IO, componentes de la estructura de red (Switches IE). Configuracion y diagnóstico desde herramienta de ingeniería o pagina web de los equipos. Tiempo de reconfiguración 200ms. Uno de los dispositivos toma automáticamente el papel de gestor del anillo. Especificaciones del cableado PROFINET Versión 2 pares (véase Tabla 1.9). 31

45 Diseño Tipo A Tipo B Tipo C Tipo de instalación Formación del Conductor Diámetro exterior cable Coloración cubierta Coloración conductores Instalación fija. Ningún Movimiento después de instalación Uso flexible, movimiento ocasional o vibración Uso extra flexible, movimiento permanente, vibración o torsión AWG22/1 AWG22/7 AWG22/... 5,5 ± 8,0mm Aplicación específica Verde (RAL 6018) Aplicación específica Blanco, amarillo, azul, naranja Par nº1: blanco(rxd+), azul(rxd-) Par nº2: amarillo(txd+), naranja(txt-) 2 pares ó 1 cuadrete estrella Diseño del cable Retardo señal <=20ns/100m entre pares ApantallamientoEncintado aluminio + trenza de cobre Aplicación específica Tabla 1.9: Especificaciones del cableado, versión 2 pares.[3] Versión 4 pares (véase Tabla 1.10). 32

46 Diseño Tipo A Tipo B Tipo C Tipo de instalación Formación del Conductor Instalación fija. Ningún Movimiento después de instalación Uso flexible, movimiento ocasional o vibración Uso extra flexible, movimiento permanente, vibración o torsión AWG23/1 AWG23/7 AWG24/... AWG24/... 5,5 ± 9,0mm Aplicación específica Coloración cubierta Verde (RAL 6018) Aplicación específica Coloración conductores Blanco/(naranja), Naranja Blanco/(Verde), Verde Blanco/(Azul), Azul Blanco/(Marrón), Marrón Diseño del cable 4 pares Retardo señal entre pares <=20ns/100m ApantallamientoEncintado aluminio + trenza de cobre Aplicación específica Tabla 1.10: Especificaciones del cableado, versión 4 pares. [3] Versión hibrida para datos + Energía (véase Tabla 1.11). 33

47 Diseño Tipo A Tipo B Tipo de instalación Uso flexible, Uso extra flexible, movimiento movimiento ocasional o permanente, vibración vibración o torsión Numero de hilos Datos Potencia Sección Datos Potencia AWG22/7 1.5mm2 AWG22/ mm2 Coloración cubierta Verde (RAL 6018) Aplicación específica Coloración conductores Datos Blanco, amarillo, azul y naranja Par 1: blanco, azul Par 2: amarillo, naranja Potencia Conductores negros numerados: 1,2,3,4 Apantallamiento Encintado aluminio + trenza cobre Aplicación específica Tabla 1.11: Especificaciones del cableado, versión hibrida para datos + Energía. [3] Fibra Óptica (véase Tabla 1.12). Diseño Tipo B Tipo C Tipo de instalación Alta flexibilidad, movimiento permanente, vibración o torsión Uso extra flexible, movimiento permanente, vibración o torsión Diámetro revestimiento POF: n.a PCF: 0,5 mm POF: n.a. PCF: 0,5 mm Coloración cubierta Verde RAL 6018 Según aplicación Número de fibras 2 Diámetro del núcleo POF: 980/1000 um PCF: 200/230 um Atenuación ; FWHM <4nm POF: 160 db/km PCF: 10 db/km POF: según aplicación PCF: 10 db/km Tabla 1.12: Especificaciones del cableado, Fibra Óptica. [3] 34

48 Conectores PROFINET (véase Tabla 1.13). PROFINET posee dos tipos de conectores de acuerdo al entorno de su aplicación: Interior (armarios eléctricos, estaciones, salas de control). Exterior (Zonas de alta temperatura, humedad, líquidos, suciedad o disturbios mecánicos). IP 20 Interior IP67 Exterior RJ45 IEC Variant 14 Concectores de cobre RJ45 Hybrid IEC Variant 5 RJ45 IEC M12 X-code IEC Tyoe X M12 4-pole IEC Edition 2 Conectores de fibra SC-RJ IEC SC-RJ IEC Variant 14 Tabla 1.13: Conectores para datos PROFINET. [3] Conexiones de datos para interior (véase Tabla 1.14). Conector RJ45, estándar IEC Dos o cuatro pares. AWG 22 a 24 solido o multifilar con apantallamiento. Minimo Cat 5. Proteccion IP20. 35

49 Señal 2 pares Color Señal 4 pares Color T568B # Contacto TD+ TD- Amarillo Naranja TD/RD 1 Blanco/Naranja Naranja 1 2 RD+ Blanco Blanco/Verde 3 RD- Azul TD/RD 2 Verde 4 TD/RD 3 Blanco/Azul 5 TD/RD 4 Azul 6 Blanco/Marrón 7 Marrón 8 Tabla 1.14: Conexiones de datos para interior. [3] Conexiones de datos para exterior (véase Tabla 1.15). Conector RJ45, estándar IEC o 4 pares. M12 cod. D o M12 type X. AWG 22 a 24 solido o multifilar con apantallamiento. Minimo Cat 5. Proteccion IP65/67 Conector PushPull. M12 Hibrido PushPull Tabla 1.15: Conectores de datos para exterior. [3] 36

50 Conexiones de Fibra Óptica para interior (véase Figura 1.14). Conector tipo SCRJ ISO/IEC Protección IP20. Fibras monomodo o multimodo (POF 1000um, PCF 230um, Glass 125um). Figura 1.14: Conector de Fibra Óptica para interior. [3] Conexiones de Fibra Óptica para exterior (véase Figura 1.15). Conector tipo PushPull OF SCRJ ISO/IEC Protección IP 65/67. Fibras monomodo o multimodo (POF 1000um, PCF 230um, Glass 125um). Figura 1.15: Conector de Fibra Óptica para exterior. [3] Conectores para alimentación (véase Tabla 1.16). Alimentación a 24V independiente. 37

51 Conector y cableado Hibrido (Alimentación y datos). Alimentación 400V. Protección IP 65/ Vdc PushPull 7/8" M12 A code 400 Vac Tabla 1.16: Conectores para alimentación. [3] Conectores Híbridos para datos y energía (véase Figura 1.16). Adecuados para entrono exterior. Trasporte de datos y energía (24 Vcc/16A). RJ45 2 pares. 1.5 a 2.5 mm2 de sección. Figura 1.16: Conector Hibrido, datos y energía. [3] 38

52 Capítulo 2 ANÁLISIS DE LOS EQUIPOS DISPONIBLES En el presente capítulo se muestra una revisión de las principales características de los dispositivos que serán utilizados para la implementación del laboratorio. Para de esta manera tener conocimiento sobre las características técnicas que debe reunir el laboratorio para el seguro y correcto funcionamiento de los equipos. A continuación se realiza una descripción general sobre la estructura del hardware que posee cada equipo, además una visión general sobre los software necesario para la programación de cada uno de estos equipos. Por último se representa una revisión del hardware y los protocolos de comunicación disponibles en cada uno de los equipos necesarios para la implementación de las redes de comunicación S Es un controlador lógico programable de diseño compacto con la capacidad de realizar varias tareas de automatización. El PLC S incorpora una CPU con un microprocesador, una fuente de alimentación, circuitos de entrada y salida, todo esto junto a un puerto de comunicación PROFINET haciendo del S una herramienta apta para controlar una amplia variedad de dispositivos para tereas de automatización. Posee gran flexibilidad al momento de incorporar otro tipo de módulos ya que solo es necesario colocarlos a continuación de los existentes sin necesidad de modificar al dispositivo. En cuanto a seguridad posee funciones que permiten proteger el acceso tanto a la CPU como al programa de control, incluso posee la protección de "Know-How" para ocultar el código de un bloque de programación específico. En la Figura 2.1 se muestra las partes que componen a un PLC S [22] 39

53 Figura 2.1: Estructura de hardware de un PLC S [22] En donde: Etiqueta Descripción 1 Conector de corriente 2 Conectores extraíbles para el cableado de usuario (detrás de las tapas) / Ranura para Memory Card (debajo de la tapa superior) 3 LEDs de estado para las E/S integradas 4 Conector PROFINET Tabla 2.1: Descripción de la estructura del hardware de un PLC S [22] Dentro de la gama de PLC S Siemens ofrece una amplia variedad de equipos para ejecutar las tareas de automatización. Estos equipos difieren principalmente en el tipo de entradas y salidas que ofrecen al usuario. Para la implementación del presente laboratorio se cuenta con el PLC S C AC/DC/Rly, este dispositivo de CPU compacta admite un rango de alimentación de 85 a 264 VAC a Hz, posee 14 entradas digitales de 24VDC (De las cuales 6 pueden ser utilizadas para contadores de alta velocidad - HSC), 10 salidas tipo relé que soportan 2A, 2 entradas analógicas de 0-10 VDC, una salida analógica de 0-10 VDC y una memoria de programa de 50 KB. De acuerdo a lo presentado en [22], a continuación se detallan algunas características de este tipo de PLC. Software de programación Para la configuración de los dispositivos y la creación del programa que se va a ejecutar dentro de los controladores se cuenta con la herramienta TIA Portal la cual 40

54 esta disponible para Windows de acuerdo a las especificaciones mostradas en la Tabla 2.2. Para cargar las configuraciones y el programa hacia el autómata es necesario que el computador o programadora disponga de un puerto ethernet y además es necesario un cable Siemens Industrial Ethernet TP cord 4x2 CAT 6. Para mayor detalle sobre TIA Portal refiérase al anexo 1. Sistema Operativo Microsoft Windows Microsoft Windows XP Microsoft Windows 7 Microsoft Windows 8.1 V11.0 V11.0 SP1 STEP 7 Professional (TIA Portal) V11.0 SP2 V12.0 V12.0 SP1 V13.0 Professional (32-Bit) SP3 " " " " " - Enterprise (32-Bit) " " " " - - Enterprise (32-Bit) SP1 Enterprise (64-Bit) Enterprise (64-Bit) SP1 - " " " " " - - " " " " " " Professional (32-Bit) " " " " - - Professional (32-Bit) SP1 Professional (64-Bit) Professional (64-Bit) SP1 - " " " " " - - " " " " " " Ultimate (32-Bit) " " " " - - Ultimate (32-Bit) SP1 Ultimate (64-Bit) " - - Ultimate (64-Bit) SP1 - - " " " " Enterprise " (64-Bit) Pro (64-Bit) " - " " " " " Tabla 2.2: Versiones de STEP 7 Professional (TIA Portal) compatibles con Windows Puertos de comunicación Para su comunicación cuenta con una interfaz PROFINET IO integrada, la cual soporta funciondes de comunicación S7, comunicación IE abierta (TCP/IP, ISO-on- TCP), configuración de servidor web, con un total de 15 conexiones. Además se puede insertar módulos externos para diferentes tipos de comunicación como son: 41

55 Módulo CM PROFIBUS DP - Master Mediante este módulo (véase Figura 2.2) se da la función de Maestro DP al PLC S7-1200, su comunicación esta basada en el protocolo PROFIBUS DP-V1 permitiendo al autómata comunicarse con esclavos DP-V0/V1 como periferias desentralizadas, convertidores de frecuencia, sensores/actuadores de diferentes fabricantes y cualquier otro tipo de dispositivo Siemens que posea un puerto PROFIBUS. El módulo CM soporta servicios de comuniación S7 de tipo PUT/GET donde el maestro actua como cliente-servidor y PC/OP donde se pueden recibir y enviar datos desde y hacia un PC, los posibles interlocutores para comunicación OP son paneles HMI, PCs, sistemas SCADA, siempre que estos sean compatibles con la comunicación S7. Admite una velocidad de transferencia de 9.6 kbits/s a 12 Mbits/s, se puede conectar un máximo de 16 esclavos DP operables en el maestro, es posible un total de 8 conexiones S7 de las cuales se permiten como máximo 4 (PUT/GET), 1 (PC), 3 (OP). Para configurar este módulo se necesita el software STEP 7 a partir de la version V11.0, misma que se incluye en los paquetes de TIA Portal en su respectiva versión. [26] Para mayor detalle sobre la configuración y funcionamiento de este módulo de comunicación refiérase a la práctica 8 del anexo 1. Figura 2.2: Módulo CM PROFIBUS DP - Master. [26] LEDs indicadores del módulo El módulo posee varios LEDs para indicar diferentes tipos de estados o errores de hardware o software, se denominará "DIAG" al LED que siempre se encuentra visible y posee dos colores rojo/verde, los cuales indican el estado básico del módulo. Los LEDs bajo la tapa superior muestran mas detalles sobre el estado del módulo y pueden ser colores amarillo/verde y rojo. 42

56 En la Tabla 2.3 se muestra el significado de cada símbolo de los LEDs, mientras que en la Tabla 2.4 se indica el significado de los mismos. Símbolo - Estado de los LEDs OFF ON(encendido) Un solo color intermitente Amarilloverde intermitente Sin relevancia Tabla 2.3: Significado de cada símbolo de estado. [26] 43

57 DIAG (rojo/verde) verde - RUN/STOP (amarillo/verde) ERROR (rojo) SIGNIFICADO En ejecución (RUN) sin error, intercambio de datos útiles con maestro DP. verde intermitente Parado (STOP) sin error. No hay datos de configuración disponibles. Arrancando (STOP ->RUN). verde intermitente verde intermitente Se carga el firmware (Los LEDs DIAG y RUN/STOP, parpadean de forma alterna). RUN con avería PROFIBUS: rojo intermitente Error esclavo DP Sin conexión maestro-esclavo Línea PROFIBUS no conectada o no detectada Error del sistema: rojo intermitente El CM no tiene ningún direccionamiento de la CPU Interrupción de la alimentación del CM Restablecimiento de los ajustes de fábrica de la CPU Solución cuando la imagen de error permanece: tensión de la estación ->OFF ->ON Otros errores posibles: Error de módulo Versión de firmware incompleta Tabla 2.4: Significado de los estádos detallados del módulo. [26] 44

58 Módulo CM PROFIBUS DP - Slave Mediante este módulo (véase Figura 2.3) el PLC S puede comunicarse a un bus de campo PROFIBUS como esclavo DP, su comunicación esta basada en el protocolo PROFIBUS DP-V1 permitiendo al autómata comunicarse con maestros DP-V0/V1 como los SIMATIC S7-1200, S7-300, módulos maestros de las periferias desentralizadas, estaciones PC SIMATIC y equipos de automatización de diversos fabricantes. Dentro de sus características el módulo CM posee una velocidad de transferencia de 9.6 kbits/s a 12 Mbits/s. Para configurar este módulo se necesita el software STEP 7 a partir de la version V11.0, misma que se incluye en los paquetes de TIA Portal en su respectiva versión.[25] Para mayor detalle sobre la configuración y funcionamiento de este módulo de comunicación refiérase a la práctica 8 del anexo 1. Figura 2.3: Módulo CM PROFIBUS DP - Slave. [25] LEDs indicadores del módulo El módulo posee varios LEDs para indicar diferentes tipos de estados o errores de hardware o software, se denominará "DIAG" al LED que siempre se encuentra visible y posee dos colores rojo/verde, los cuales indican el estado básico del módulo. Los LEDs bajo la tapa superior muestran mas detalles sobre el estado del módulo y pueden ser colores amarillo/verde y rojo. En la Tabla 2.5 se muestra el significado de cada símbolo de los LEDs, mientras que en la Tabla 2.6 se indica el significado de los mismos. Símbolo - Estado de los LEDs OFF ON(encendido) Un solo color intermitente Amarilloverde intermitente Sin relevancia Tabla 2.5: Significado de cada símbolo de estado. [25] 45

59 DIAG (rojo/verde) - RUN/STOP (amarillo/verde) ERROR (rojo) SIGNIFICADO verde En ejecución (RUN) sin error, intercambio de datos útiles con maestro DP. Parado (STOP) sin error. verde intermitente No hay datos de configuración disponibles. Arrancando (STOP ->RUN). verde intermitente verde intermitente - Se carga el firmware (Los LEDs DIAG y RUN/STOP, parpadean de forma alterna). En caso de conexión existente entre maestro y esclavo: rojo intermitente CPU maestro DP en STOP, "CLEAR" en PROFIBUS) o bien Error de esclavo. No se ha detectado ninguna conexión entre maestro y esclavo. rojo intermitente Línea PROFIBUS no conectada o no detectada. rojo Tabla 2.6: Significado de los estádos detallados del módulo. [25] Módulo para telecontrol CP Este módulo (véase Figura 2.4) es un procesador de comunicaciones que permite conectar al S a redes GSM a través de los siguientes servicios: GPRS (General Packet Radio Service): El servicio de transmisión de datos orientado a paquetes se ejecuta a través de la red GSM. SMS (Short Message Service): El módulo CP puede enviar y recibir mensajes del tipo SMS, el interlocutor puede ser otro PLC S o un teléfono 46

60 móvil. Figura 2.4: Módulo para telecontrol CP [29] Dentro de esto el CP permite varias aplicaciones de Telecontrol como son el envío de mensajes vía SMS, comunicación con unae central supervisora, comunicación entre estaciones S mediante una red GSM, almacenamiento temporal de telegramas al servidor de Telecontrol, registro de diferentes datos y de su envío al servidor de Telecontrol entre otros. [29] Requisitos de Hardware Una CPU con versión de firmware a partir de V2.0. Una antena externa para el CP (véase Figura 2.5). Figura 2.5: Antena para módulo CP [29] En el modo de operación "Telecontrol" del CP , para el servidor Telecontrol es necesario un PC con conexión a internet. 47

61 En el caso de utilizar TeleService a través de GPRS, es necesario una gateway de TeleService con conexión a internet para las configuraciones sin servidor de Telecontrol. Se trata de un PC que posee el software "TS Gateway". Requisitos para el uso de los servicios GSM Un contrato con un proveedor de red GSM El contrato debe admitir transmisión de datos a través de GPRS. El contrato debe admitir la asignación de direcciones IP públicas. En el modo de operación "GPRS directo" el proveedor de red GSM debe asignar direcciones IP fijas a los CP y transmitir los telegramas a los participantes destinatarios. Tarjeta SIM que se adquiere en el contrato, la cual se inserta en el módulo CP Disponibilidad local de una red GSM con capacidad GPRS. LEDs indicadores del módulo El módulo posee varios LEDs para indicar diferentes tipos de estados o errores de hardware o software, se denominará "DIAG" al LED que siempre se encuentra visible y posee dos colores rojo/verde, los cuales indican el estado básico del módulo. Los LEDs bajo la tapa superior muestran mas detalles sobre el estado del módulo y pueden ser colores rojo/verde, amarillo/verde y verde. En la Tabla 2.7 se muestra el significado de cada símbolo de los LEDs, mientras que en la Tabla 2.8 se indica el significado de los mismos. Símbolo Estado de los LEDs OFF ON(encendido) intermitente Sin relevancia - Tabla 2.7: Significado de cada símbolo de estado. [29] 48

62 DIAG (rojo/verde) - Network (rojo/verde) Connect (verde) Signal Quality (amarillo/verde) TeleService Significado (verde) Ninguna conexión con el servicio GPRS en la red GSM Conexión existente con el servicio GPRS en la red GSM Esperar el PIN (tarjeta SIM OK) - Tarjeta SIM defectuosa PIN incorrecto Error interno: es necesario rearrancar la estación - - No hay conexión con el servidor de Telecontrol No hay configuración disponible Existe conexión con el servidor de Telecontrol - - Transferencia de datos Tabla 2.8: Significado de los estádos detallados del módulo. [29] Red GSM buena ( > -53 dbm) Red GSM media ( dbm) Red GSM débil ( dbm) No hay red GSM (< -111 dbm) En estos momentos no hay ninguna sesión de TeleService La sesión de TeleService está en ejecución Intento de inicio de sesión en la sesión de TeleService 49

63 2.2. KTP600 BASIC PN El KTP600 Basic PN (véase Figura 2.6) es una pantalla LCD-TFT (Pantalla de cristal líquido de transistores de película fina) con una área activa del display de mm x 86.4 mm (5.7") que posee una resolución de 320x240 pixeles. Puede representar hasta 256 colores, incluye 6 teclas de función que pueden adaptarse para cualquier tipo de uso dependiendo del usuario y posee una memoria de apliación de 512 KB. En cuanto a comunicación incorpora una inteface ethernet RJ45 10/100 Mbit/s, adminte un voltaje de alimentación de +24VCD, posee un reloj de tiempo real sin respaldo y puede montarse de forma horizontal o vertical. [23] Figura 2.6: Estructura del hardware del KTP600 Basic PN. [23] En donde: 50

64 Etiquueta Descripción 1 Display/Pantalla táctil 2 Escotaduras para las mordazas de fijación 3 Junta de montaje 4 Teclas de función 5 Interfaz PROFINET 6 Conexión para la fuente de alimentación 7 Placa de características 8 Nombre del puerto 9 Guía para las tiras rotulables 10 Conexión para tierra funcional Tabla 2.9: Descripción de la estructura del hardware del KTP600 Basic PN [23] Para mayor detalle sobre la configuración y funcionamiento de este módulo de comunicación refiérase a la práctica 2 del anexo 1. Software de programación El KTP600 Basic PN puede ser configurado por medio del siguiente software: STEP 7 Basic (TIA Portal) - vía WinCC Basic (TIA Portal) integrado. STEP 7 Professional (TIA Portal) - vía WinCC Basic (TIA Portal) integrado. WinCC flexible Compact. WinCC flexible Standard. WinCC flexible Advanced. WinCC Basic (TIA Portal). WinCC Comfort (TIA Portal). WinCC Advanced (TIA Portal). WinCC Professional (TIA Portal) SIMATIC OP177B 6" PN/DP (6AV DA01-1AX) El SIMATIC OP177B 6" PN/DP (véase Figura 2.7) es una pantalla LCD-STN (super-twisted nematic display) con una área activa del display de 120 mm x 90 mm (5.7") que posee una resolución de 320x240 pixeles. Puede representar hasta 256 colores, incluye 32 teclas de función configurables, 26 con LED, funciona con el sistema operativo Windows CE y es posible adaptar elementos como ratón/teclado/lector 51

65 de códigos de barras mediante USB. En cuanto a comunicación incorpora una inteface MPI/PROFIBUS DP, interfaz RS485/RS422/USB, interfaz ethernet 10/100 e interfaz impresora slot para MultiMedia-Card, adminte un voltaje de alimentación de +24VCD, posee un reloj de tiempo real sin respaldo. [1] Figura 2.7: SIMATIC OP177B 6" PN/DP. [1] Software de programación El SIMATIC OP177B 6" PN/DP puede ser configurado por medio del siguiente software: WinCC flexible Compact. WinCC flexible Standard. WinCC flexible Advanced. WinCC Comfort (TIA Portal). WinCC Advanced (TIA Portal). WinCC Professional (TIA Portal) S7-300 Los controladores programables SIMATIC fabricados por la empresa SIEMENS, vienen en dos presentaciones, CPUs de tipo compactas y modulares en cada una 52

66 de sus presentaciones. En el laboratorio de redes industriales se dispondrá de dos controladores Simatic S7-300 con CPU 315F-2 PN/DP (véase Figura 2.8) que es una CPU modular. Esta CPU funciona con una tensión nominal de 24 VDC admitiendo tensiones que estén entre un rango de 20.4 a 28.8 VDC. Esta CPU posee dos puertos PROFINET y un puerto MPI/PROFIBUS DP para comunicarse con otros dispositivos y con un ordenador para descargar el programa de usuario. En ella también se encuentra una ranura para el alojamiento de una SIMATIC MicroSD para el correcto funcionamiento del mismo. Esta CPU a diferencia de su antecesora posee una memoria interna de programa de 512 KBytes. Figura 2.8: Estructura Física De La CPU 315F-2 PN/DP. [27] En donde: 53

67 Etiqueta Descripción 1 Indicadores de estado y error. 2 Ranura de la Micro Memory Card 3 Selector de modo 4 Dirección MAC y código de barras 2D 5 Interfaz X1 (MPI/DP) 6 Conexión para la fuente de alimentación 7 Interfaz X2 (PN), con switch de 2 puertos 8 Puerto PROFINET 2 9 Puerto PROFINET 1 Tabla 2.10: Descripción de la estructura física del CPU 315F-2 PN/DP. [27] Para el correcto funcionamiento se necesitan de otros módulos tales como: fuentes de poder y módulos de señales, además permite la conexión con módulos de funciones, procesadores de comunicaciones, módulos de interface, módulos repetidores y swicth para la conexión de dispositivos en una red ethernet. Para la programación y la configuración de dispositivos y redes se utiliza el paquete de software STEP 7 Profesional V13 (TIA PORTAL). A continuación se realiza una descripción de los módulos que poseen los controladores lógicos S7-300 que estarán disponibles en el laboratorio de comunicaciones industriales. Para mayor detalle sobre la configuración y funcionamiento de este módulo de comunicación refiérase a la práctica 4 del anexo 1. Fuente De Poder (PS) La fuente de poder es un dispositivo que se encarga de proveer a la CPU la tensión nominal de 24 VDC para su correcto funcionamiento. La fuente disponible para los PLCs es la PS 307 5A (véase Figura 2.9), cuya tensión nominal de alimentación puede ser monofásica 120 VAC o bifásica de 230 VAC a 50/60 Hz y entrega a su salida una tensión de 24 VDC a una corriente de 5A. Los rangos para la tensión de alimentación pueden estar entre VAC para tensión monofásica y entre VAC para tensión bifásica [27]. Esta fuente posee un switch para controlar el encendido y apagado de la misma e indicadores LED para mostrar su correcto funcionamiento. 54

68 Figura 2.9: Fuente de tensión PS 307 5A. [31] Módulos de señales Son módulos de entradas, salidas o entradas/salidas analógicas o digitales cuya función es adaptar las señales presentes en el proceso para que puedan ser manejadas por el PLC. En este caso, se dispondrá de un módulo de entradas/salidas digitales tipo DI16/DO16xDC24V (véase Figura 2.10), que cuenta con 16 entradas digitales y 16 salidas digitales. Además, de un módulo de entradas/salidas analógicas tipo AI4/AO2x8BIT (véase Figura 2.10) que es un módulo que contiene 4 entradas analógicas que permite realizar mediciones de tensiones o corrientes en un rango de 0 a 10 VDC para tensiones y de 4 a 20 ma para corrientes, también cuenta con dos salidas analógicas configurables para tensión o corriente en los mismos rangos citados anteriormente. Trabajan con ADCs cuyas resoluciones son de 8 Bits. Al igual que el módulo de entradas/salidas digitales su tensión nominal de alimentación es de 24VDC. Figura 2.10: Módulos De Señales DI16/DO16xDC24V [30] y AI4/AO2x8BIT [32] disponibles Para El PLC S

69 Puertos de comunicación Las CPUs de los controladores que estarán disponibles en el laboratorio tienen incorporados dos puertos PROFINET y un puerto MPI/DP para conectarse con otros dispositivos y con el ordenador para que se pueda cargar el programa de usuario. Las CPUs que estarán disponibles en el laboratorio cuentan con un puerto MPI/DP que viene configurado como interfaz MPI (Multi Point Interface) de fábrica, que sirve para comunicarse con una PC o con otros dispositivos dentro de una red MPI. Si se desea que la interfaz sea configurada como una interfaz PROFIBUS DP esta se tiene que configurar en el programa de usuario. Esta interfaz permite tres modos de operación como interfaz MPI, como maestro o esclavo DP configurables mediante el programa de usuario. Esta interfaz permite la interconexión con dispositivos como [28]: Ordenadores o programadores SIEMENS. Esclavos DP. Maestros DP. Actuadores/sensores. S7-300 o S7-400 con interfaz DP. Además estas CPUs cuentan con un switch con dos puertos PROFINET integrados, mismos que permiten la inteconexion con una PG/PC, un HMI o con otros dispositivos PROFINET en redes con topología lineal o de anillo. Esta interfaz permite la interconexión con dispositivos como [28]: Controlador PROFINET IO. Dispositivos PROFINET IO (p. ej. el módulo interfaz IM PN en un ET 200S). Componentes PROFINET CBA (Component Based Automation). S7-300/S7-400 con interfaz PROFINET (p.ej. CPU PN/DP o CP 343-1). Componentes de red activos (p. ej. un switch). PG/PC con tarjeta Ethernet. IE/PB-Link. 56

70 Convertidor de frecuencia Micromaster 440 El convertidor Micromaster 440 (véase Figura 2.11) es un módulo adicional del que se dispondrá en uno de los controladores S7-300 que estarán disponibles en el laboratorio. Este convertidor puede controlar motores cuya potencia nominal sea de 0.75kW, su tensión de alimentación puede ser bifásica con rangos entre 200 y 240 voltios o trifásica entre 200 y 240 voltios con una tolerancia ±10 %. A su salida entrega tensión trifásica entre un rango de tensión comprendida entre los 0V y la tensión de alimentación a una corriente de 3.9A y una frecuencia variable comprendida entre un rango de 0Hz a 650Hz. Estos convertidores poseen estructura modular permitiendo así intercambiar los módulos de operador y módulos de comunicación según las necesidades del usuario. Este convertidor además cuenta con 6 entradas digitales, 2 entradas analógicas configurables como entradas de tensión 0V a 10V o corriente 0mA a 20mA o como la séptima y octava entrada digital, 2 salidas analógicas parametrizables (0mA a 20mA), 3 salidas digitales tipo relé parametrizables (VD 30V/5A de carga óhmica; AC 250V/2A de carga inductiva), cuenta con protección tanto para el motor como para el convertidor, además de presentar un funcionamiento silencioso del motor gracias a sus elevadas frecuencias de pulsación. Su puesta en servicio es simple y se la puede realizar mediante un panel de operador, vía comunicación con un controlador lógico programable o mediante el paquete de software Sinamics Micromaster Starter, en este caso se profundizará en la puesta en servicio mediante un panel de operador y mediante la comunicación PROFIBUS con un controlador lógico programable. [20] Figura 2.11: Convertidor Siemens Micromaster 440. [20] Para poner en marcha el convertidor en el laboratorio se dispondrá de un módulo panel de operador tipo AOP (Advanced Operator Panel) y un módulo de comunicación PROFIBUS para puesta en marcha a distancia del mismo. Para mayor detalle sobre la configuración y funcionamiento de este módulo de comunicación refiérase a la práctica 16 del anexo 1. 57

71 El AOP (véase Figura 2.12) es un panel que permite ajustar mediante una manera más cómoda los parámetros del mismo a diferencia de su antecesor el BOP (Basic Operator Panel), debido a que posee una pantalla configurable en múltiples idiomas en donde se indican de manera explícita los parámetros de configuración y los valores asignados a los mismos. Además posee una barra de desplazamiento para una navegación más rápida de los parámetros que se deseen ajustar. Este módulo se puede conectar directamente en el convertidor o se puede comunicar con el mismo mediante el kit de montaje para puerta del AOP pudiendo comunicarse mediante bus con hasta un máximo de 30 convertidores. Figura 2.12: Advanced Operator Panel (AOP). [20] Para mayor detalle sobre la configuración y funcionamiento de este módulo de comunicación refiérase a la práctica 12 del anexo 1. El módulo de comunicación PROFIBUS permite el mando remoto del conversor a través de dispositivos PROFIBUS, la velocidad para transmisión de datos en el bus es máximo de hasta 12 Mbaud. Este módulo de comunicación puede ser conectado directamente en el conversor. La alimentación del módulo es de 24 VDC y para establecer las conexiones dispone de un conector sub-d de 9 polos (suministrable como accesorio). [20] 2.5. ET200S Cuando los sensores y actuadores se encuentran a distancias muy grandes del centro de control se presentan dificultades por el gran volumen de cableado, a la vez que incrementa la posibilidad de interferencias en el transporte de las señales. El módulo ET200S (véase Figura 2.13) es un sistema de periferia descentralizada que permite concentrar todas las señales del proceso y enviarlas al centro de control por medio de un bus de comunicación de manera eficiente y segura. Su estructura modular permite escalar y ampliar los ET200S de forma sencilla, siendo posible 58

72 agregar varios módulos, los cuales pueden ser de diferente tipo como E/S digitales y analógicas, sistemas neumáticos, variadores de frecuencia entre otros. [24] Figure 2.13: ET200S - Módulo de interfaz IM151-3 PN. [24] Para el laboratorio de redes de comunicación industrial se cuenta con dos módulos de comunicación ET200S, un módulo de interfaz IM151-3 PN HIGH FEATURE y un módulo de interfaz IM151-1 STANDARD cuyas características se indican a continuación: Módulo de interfaz IM151-3 PN HIGH FEATURE El módulo de interfaz IM151-3 PN permite la conexión a través de PROFINET IO por medio de dos puertos integrados RJ45 con una velocidad de transferencia de 10 Mbits/s para servicios Ethernet y 100 Mbits/s dúplex para PROFINET IO. Su tensión de alimentación es de 24 VDC, posee varios LEDs de información de estado y una ranura para tarjeta de memoria que se muestran en la Figura Figure 2.14: LEDs de información del módulo de interfaz IM151-3 PN. [24] En donde: 59

73 Etiqueta Descripción 1 Error de grupo (rojo) 2 Error de bus (rojo) 3 Indicador de mantenimiento (amarillo) 4 Tensión de alimentación (verde) 5 Conexión con un switch/controlador IO (verde) 6 SIMATIC Micro Memory Card 7 Soporte de cable Enclavamiento/desenclavamiento 8 (pestaña inferior) de la Micro Memory Card Tabla 2.11: Descripción de los LEDs del módulo de interfaz IM151-3 PN. [24] Para mayor detalle sobre la configuración y funcionamiento de este módulo de comunicación refiérase a la práctica 5 del anexo 1. A continuación se detallan los módulos que estan disponibles en la ET200S para el laboratorio de redes industriales: Módulo de potencia PM-E DC24..48V El módulo de potencia PM-E DC24..48V (véase Figura 2.15) se encarga de la alimentación para todos los módulos electrónicos integrados al ET200S. Figura 2.15: Módulo de potencia PM-E DC24..48V. [17] Donde: Etiqueta Descripción 1 Error agrupado (rojo) 2 Tensión de carga (verde) Tabla 2.12: Descripción del módulo de potencia PM-E DC24..48V. [17] Si el indicador LED SF se encuentra encendido significa que no existe parametrización o el módulo conectado es incorrecto. 60

74 Si el indicador LED PWR esta apagado se debe a la falta de tensión de carga en el módulo de potencia. Módulo de entradas digitales 2DI DC24V HF El módulo 2DI DC24V HF (véase Figura 2.16) posee dos entradas digitales con una tensión nominal de 24 VDC, posee diagnóstico y protección de cortocircuitos, también posee LEDs de información de estado. Figura 2.16: Módulo de entradas digitales 2DI DC24V HF. [18] En donde: Etiqueta Descripción 1 Error agrupado (rojo) 2 Indicador de estado de la entrada (verde) Tabla 2.13: Descripción del módulo de entradas digitales 2DI DC24V HF. [18] Si el indicador LED SF se encuentra encendido significa que no existe parametrización o el módulo conectado es incorrecto. Si el indicador LED 1 esta encendido la entrada en el canal 0 esta activada. Si el indicador LED 5 esta encendido la entrada en el canal 1 esta activada. Módulo de salidas digitales 2DO DC24V/0.5A HF El módulo 2DO DC24V/0.5A HF (véase Figura 2.17) posee dos salidas digitales con una tensión nominal de 24 VDC a 0.5A por salida, posee diagnóstico de rotura de hilo y cortocircuito, protección contra cortocircuitos, también posee LEDs de información de estado. 61

75 Figura 2.17: Módulo de salidas digitales 2DO DC24V/0.5A HF. [19] Donde: Etiqueta Descripción 1 Error agrupado (rojo) 2 Indicador de estado de la salida (verde) Tabla 2.14: Descripción del módulo de salidas digitales 2DO DC24V/0.5A HF. [19] Si el indicador LED SF se encuentra encendido significa que no existe parametrización o el módulo conectado es incorrecto. Si el indicador LED 1 esta encendido la salida en el canal 0 esta activada. Si el indicador LED 5 esta encendido la salida en el canal 1 esta activada. Módulo de interfaz IM151-1 STANDARD El módulo de interfaz IM151-1 STANDARD (véase Figura 2.18) permite a la ET 200S la conexión vía PROFIBUS DP a través de la interfaz RS485 como esclavo DPV0 o DPV1. Permite un direccionamiento de 244 bytes para entradas y 244 bytes para salidas como máximo, se pueden utilizar hasta 63 módulos, su firmware es actualizable vía PROFIBUS DP con STEP 7. [21] 62

76 Figura 2.18: ET 200S - Módulo de interfaz IM151-1 STANDARD. [21] LEDs indicadores del módulo El módulo de interfaz IM151-1 STANDARD posee tres LEDs de información (véase Figura 2.19) de estado y error, mismos que se describen en la Tabla Figura 2.19: LEDs de información del Módulo de interfaz IM151-1 STANDARD. [21] 63

77 SF Evento (LEDs) BF ON Causa apagado apagado apagado El módulo de interfaz no tiene tensión o el hardware del módulo de interfaz está defectuoso * * encendido El módulo de interfaz tiene tensión * parpadea encendido El módulo de interfaz no está configurado o su configuración es incorrecta. No se están transfiriendo datos entre el maestro DP y el módulo de interfaz. Causas: La dirección PROFIBUS es incorrecta Error de configuración Error de parametrización * encendido encendido Búsqueda de la velocidad de transferencia, dirección PROFIBUS no permitida o el interruptor DIP inferior (dirección PROFIBUS) no está en la posición OFF. Causas: Se ha excedido el tiempo de supervisión de respuesta La comunicación de bus vía PROFIBUS DP con el módulo de interfaz está interrumpida encendido * encendido apagado apagado encendido La configuración software del ET 200S no coincide con la configuración real del ET 200S. Error en un módulo de la periferia o el módulo de interfaz está defectuoso. Se están intercambiando datos entre el maestro DP y el ET 200S. La configuración teórica y la configuración real del ET 200s coinciden. * irrelevante Tabla 2.15: Descripción de los LEDs del módulo de interfaz IM151-1 STANDARD. [21] 64

78 Para mayor detalle sobre la configuración y funcionamiento de este módulo de comunicación refiérase a la práctica 11 del anexo Twido TWDLCAE40DRF Los controladores lógicos programables Twido antes fabricados por Telemecanique ahora Schneider Electric están disponibles en dos presentaciones, bases compactas y bases modulares. Para el laboratorio de redes de comunicación industrial se dispondrá de dos controladores lógicos programables de base compacta TWDLCAE40DRF (véase Figura 2.20) Figura 2.20: Controlador lógico programable Twido TWDLCAE40DRF. [14] Todas las bases compactas presentan la estructura de hardware mostrada en la Figura Figura 2.21: Estructura de hardware de las bases compactas Twido. [14] En donde: 65

79 Etiqueta Descripción 1 Orificio de montaje 2 Cubierta de terminal 3 Tapa con bisagra 4 Cubierta extraíble del conector de monitor de operación 5 Conector de ampliación 6 Terminales de potencia del sensor 7 Puerto serie 1 8 Potenciómetros Analógicos 9 Conector de puerto serie 2 10 Terminales de fuente de alimentación de 100 a 240 VCA 11 Conector de cartuchos 12 Terminales de entradas 13 Indicadores luminosos 14 Terminales de salidas Tabla 2.16: Descripción de la estructura del hardware de una base compacta Twido. [14] La base compacta que se encontrará disponible en el laborpara mayor detalle sobre la configuración y funcionamiento de este módulo de comunicación refiérase a la práctica 19 del anexo 1. El laboratorio posee dos componentes adicionales a la estructura general de las bases compactas Twido. Estas partes se muestran en la Figura 2.22 y son descritas en la Tabla Figura 2.22: Componentes adicionales de hardware para la base TWDLCAE40DRF. [14] En donde: Etiqueta Descripción 1 1. Puerto Ethernet RJ45 100Base-TX 2 2. Compartimiento de la batería externa reemplazable por el usuario. Tabla 2.17: Descripción de componentes adicionales de hardware para la base TWDLCAE40DRF. [14] 66

80 Este dispositivo permite un rango de tensión de alimentación entre 85 y 264 VAC de 50 o 60 Hz y cuenta con una fuente interna propia de 24 VDC para el funcionamiento nominal de la base. Cuenta con 24 entradas digitales cuya tensión permite un rango de alimentación entre 19 y 30 VCC y 16 salidas digitales de las cuales 14 son de tipo relé y 2 de tipo transistor. Cuenta además con dos entradas analógicas propias del módulo en forma de potenciómetros mismos que están ubicados debajo del puerto de comunicación serial 1 y funcionan a 10 bits. Permite la ampliación mediante módulos de entradas o salidas, digitales o analógicas hasta un máximo de 7 módulos. En cuanto a módulos de ampliación para comunicación permite hasta un máximo de 2 módulos para conexión de bus AS-Inteface y 1 módulo para comunicación CANopen. Los dispositivos que estarán disponibles en el laboratorio cuentan con un módulo de ampliación de E/S analógicas modelo TWDAMM6HT (véase Figura 2.23), misma que posee 4 entradas analógicas y 2 salidas analógicas configurables para que funcionen como entradas o salidas de tensión o corriente, los rangos de tensión permitidos están entre los 0 y 10 V y la corriente entre rangos de 4 a 20 ma para lo cual se utilizan conversores analógicos digitales de 12 bits haciendo que las palabras de almacenamiento en memoria varíen entre valores de 0 a [13] Figura 2.23: Módulo De Ampliación De E/S Analógicas TWDAMM6HT. [13] Software De Programación Para la configuración de los dispositivos y la creación del programa que se va a ejecutar dentro de los controladores se cuenta con la herramienta TwidoSuite en su versión 2.01, en la misma que, se realizarán las configuraciones tanto de hardware como de software del equipo a ser utilizado. En este entorno también se realizarán las configuraciones para el correcto funcionamiento y gestión de las comunicaciones entre equipos. Para cargar las configuraciones y el programa en los autómatas se dispone de un cable TSX PCX 1031 que es un conector tipo serie. 67

81 Puertos de comunicación La base compacta TWDLCAE40DRF tiene un puerto serie RS485, que permite la comunicación con una PC o para realizar conexiones remotas hasta un máximo de 7. Además mediante este puerto se puede realizar comunicaciones basadas en los protocolos MODBUS RTU tipo maestro/esclavo y ASCII. Mientras que por el puerto Ethernet integrado RJ45 permite realizar comunicaciones basadas en MODBUS TCP/IP tipo Cliente/Servidor, Además permite conexiones remotas con un máximo de hasta 16 nodos remotos. [14] 2.7. Antena Ubiquiti Nanostation M5 Esta es una antena wi-fi fabricada por la compañía Ubiquiti Networks, es utilizada, para crear enlaces inalámbricos punto a punto (véase Figura 2.24) o multipunto gracias a su nueva tecnología AirMax, que es un nuevo protocolo basado en (TDMA) que permite a los usuarios enviar y recibir datos mediante un tiempo predeterminado que es controlado por un controlador inteligente AP. Para el laboratorio de comunicaciones industriales se dispondrá de dos antenas, mismas que serán usadas para realizar comunicaciones inalámbricas punto a punto entre dos equipos. [10] Figura 2.24: Utilización de dos antenas para crear un enlace inalámbrico punto a punto. [10] Las antenas que estarán disponibles en el laboratorio pertenecen al modelo NanoStationM5 que pueden operar en un rango de frecuencias entre los 5170 y 5875 MHz, poseen dos puertos Ethernet el uno de ellos dedicado para aplicaciones de video IP. Las antenas además poseen un botón de reset que permiten cargar la configuración de fábrica en las antenas (véase Figura 2.25). 68

82 Figura 2.25: Estructura física de la antena Ubiquiti NanoStationM5. [11] Para comprobar el correcto funcionamiento de la antena en su parte posterior cuenta con una serie de LEDs indicadores, según lo expuesto por [11] a continuación se presenta una breve síntesis de cada uno de ellos: Power: El LED de encendido se mostrará de color verde cuando la antena esté conectada a la fuente, en este caso, el adaptador POE de 24V. LAN1: Es el indicador del puerto ethernet principal, este permanecerá encendido de color verde cuando la conexión realizada con este puerto este activa y comenzará a parpadear cuando se envíe o reciba datos. LAN2: Es el indicador del puerto ethernet secundario, este permanecerá encendido de color verde cuando la conexión realizada con este puerto este activa y comenzará a parpadear cuando se envíe o reciba datos. Señal: Son cuatro LEDs que nos indican la intensidad de la señal del enlace, estos valores pueden ser modificados para cada LED a través del software airos, pero los valores predeterminados son los siguientes: El primer LED se encenderá de color rojo si la intensidad de la señal es mayor a -94dBm. El segundo led se encenderá de color ambar si la intensidad de la señal es mayor a -80dBm. El tercero y cuarto LED se encenderán de color verde si la intensidad de la señal es mayor a los -75dBm y -65dBm respectivamente. Figura 2.26: LEDs indicadores del funcionamiento de la antena. [11] Para el correcto funcionamiento de la antena se necesita del adaptador POE (véase 69

83 Figura 2.27), cuya función es la de acondicionar la señal que va a ser enviada, además de transformar la tensión de 120 VAC a 24VDC para alimentar a la antena para su correcto funcionamiento. Figura 2.27: Adaptador POE de 24 VDC para alimentación y acondicionamiento de la señal para la antena. [11] Software De Configuración Para configurar los parámetros de las antenas y del enlace que se desee realizar entre las mismas se utilizará el software AirOS (véase Figura 2.29). Para acceder al mismo debemos conectar la antena a un ordenador tal como se indica en la Figura Figura 2.28: Esquema para la correcta instalación de las antenas Ubiquiti NanoStationM5. [11] 70

84 Una vez realizada la conexión se debe asignar una IP estática al ordenador y en el buscador introducir la dirección IP de la antena que por defecto es la IP , con lo cual en el explorador se abrirá el software AirOS que nos pedirá un usuario y una contraseña para acceder al mismo, aquí se deberá introducir la palabra ubnt en ambos campos. Las configuraciones a realizar en cada antena dependerán del tipo de enlace que se requiera. Para mayor detalle sobre la configuración y funcionamiento de las antenas refiérase a la práctica 6 del anexo 1. Figura 2.29: Software de configuración de las antenas Ubiquiti NanoStationM5. [11] 71

85 Capítulo 3 DISEÑO DEL LABORATORIO DE REDES DE COMUNICACIÓN INDUSTRIAL En el presente capítulo se muestra el diseño del espacio físico del laboratorio de comunicación industrial, el cual estará anexo al actual laboratorio de PLC con el que cuenta la universidad. Se presenta además un análisis de las estructuras de los bancos de trabajo que serán utilizados por los estudiantes para la realización de las respectivas prácticas de laboratorio. Este capítulo también incluye la topología de las redes que podrán ser montadas según el protocolo de comunicación que se plantee para cada una de las prácticas Epacio físico y bancos de trabajo El laboratorio de redes de comunicación industrial funcionará en el mismo espacio en donde actualmente funciona el laboratorio de PLC. El espacio físico no presentará modificación alguna ya que aquí se emplazarán los ocho bancos de trabajo correspondientes al laboratorio de redes de comunicación industrial. En la Figura 3.1 se muestra una vista superior del espacio físico en donde funcionará el laboratorio. 72

86 Figura 3.1: Vista superior del laboratoio de PLC. Internamente se dispondrán de diez puestos de trabajo para los estudiantes. En la Figura 3.2 a se muestra una vista panorámica de la disposición interna del laboratorio de redes de comunicación industrial. Figura 3.2: Disposición interna del laboratorio de redes de comunicación industrial. Para cada puesto de trabajo se dispondrá de un computador de escritorio que contendrá todos los paquetes de software para realizar las prácticas planteadas en el módulo anexo de prácticas. Además en cada puesto de trabajo se encuentra una estación para el desarrollo de las prácticas de las materias de automatización industrial 1 y 2, y en ocho de los diez puestos de trabajo se emplazarán los módulos del laboratorio de redes de comunicación industrial Módulos de trabajo Los módulos de trabajo son estructuras metálicas en donde se encontrarán emplazados todos aquellos dispositivos necesarios para la implementación de las redes de comunicación industrial planteadas en el módulo anexo de prácticas. Para cada 73

87 uno de los controladores lógicos programables se plantea una estructura metálica, en forma de L (véase Figura 3.3), que estará formado por un soporte perfil para emplazar los controladores y módulos de ampliación de los mismos, canaleta perforada para el guiado de las conexiones internas, un acrílico en donde se colocarán todos y cada uno de los dispositivos para el correcto funcionamiento del controlador, una fuente de tensión contínua de 24 VDC de 2.3 A y para protección un breaker monofásico. Para mayor detalle sobre las especificaciones del módulo de trabajo refiérase al anexo 2. Figura 3.3: Módulo de trabajo para el laboratorio de redes de comunicación industrial 74

88 Al igual que para los PLCs, se realizaron estructuras para el emplazamiento de las periferias descentralizadas y para las pantallas HMI como se muestra en las Figuras 3.4 y 3.5 respectivamente. Para mayor detalle sobre las especificaciones de estos módulos refiérase al anexo 2. Figura 3.4: Módulo para periferias desentralizadas. Figura 3.5: Módulo para pantallas HMI Interconexión de equipos Las redes que pueden ser implementadas con estos equipos son varias dependiendo del protocolo de comunicación que se utilice, pero en este punto se presentan las diferentes topologías de las redes planteadas en el módulo de prácticas de laboratorio. Para mayor detalle refiérase al anexo Redes PROFIBUS Red PROFIBUS DP entre dos equipos Simatic S7-300 Esta red presenta una topología de red tipo bus (véase Figura 3.6), en donde con la ayuda de un cable PROFIBUS se conectan el maestro con el esclavo teniendo 75

89 así que cerrar el bus en el mismo con una resistencia terminadora de bus. Esta red permite una comunicación Maestro/Esclavo pudiendo enviarse por la misma varios tipos de datos como palabras, las cuales regularán el comportamiento de las salidas en ambos controladores. Para mayor detalle sobre la configuración y funcionamiento de esta red de comunicación refiérase a la práctica 9 del anexo 1. Figura 3.6: Topología de red PROFIBUS DP tipo bus entre dos controladores S Red PROFIBUS DP entre dos equipos S Esta red presenta una topología de red tipo bus (véase Figura 3.7). Para lograr una comunicación PROFIBUS con estos controladores es necesario insertar módulos de comunicación en cada uno debido a que no cuentan con puertos PROFIBUS incorporados. Los módulos de comunicación PROFIBUS adicionales son el CM (Maestro DP) y CM (Esclavo DP), estos serán conectados entre sí con la ayuda de un cable PROFIBUS, siendo necesario cerrar el bus en el módulo esclavo con una resistencia terminadora de bus. Esta red permite una comunicación Maestro/Esclavo donde las palabras enviadas regularán el comportamiento de las salidas en ambos controladores. Para mayor detalle sobre la configuración y funcionamiento de esta red de comunicación refiérase a la práctica 8 del anexo 1. Figura 3.7: Topología de red PROFIBUS DP tipo bus entre dos controladores S Red PROFIBUS DP entre un equipo S y un equipo S7-300 Esta red presenta una topología de red tipo bus (véase Figura 3.8). Para lograr una comunicación PROFIBUS con estos controladores es necesario un módulo de comunicación para el controlador Simatic S debido a que no cuenta con un 76

90 puerto POFIBUS incorporado. El módulo PROFIBUS a utilizarse puede ser el CM (Maestro DP) o CM (Esclavo DP) dependiendo de su funcionalidad dentro de la red (Maestro o Esclavo). Este módulo será conectado con el controlador Simatic S7-300 mediante un cable PROFIBUS, siendo necesario cerrar el bus en el módulo esclavo con una resistencia terminadora de bus. Esta red permite una comunicación Maestro/Esclavo donde las palabras enviadas regularán el comportamiento de las salidas en ambos controladores. Para mayor detalle sobre la configuración y funcionamiento de esta red de comunicación refiérase a la práctica 10 del anexo 1. Figura 3.8: Topología de red PROFIBUS PD tipo bus entre un controlador S y un controlador S Red PROFIBUS DP entre un equipo S y un variador de tensión Micromaster 440 Esta red permite el control de un convertidor de frecuencia MicroMaster 440 de manera remota, en donde, el convertidor de frecuencia actúa como esclavo de un controlador lógico maestro (Simatic S Simatic S Simatic S7-1500) en una red PROFIBUS DP. La topología de red utilizada es de tipo bus (véase Figura 3.9) siendo necesario cerrar el bus en el módulo esclavo con una resistencia terminadora de bus. Mediante esta red el controlador maestro puede enviar palabras de configuración y control para preestablecer los datos necesarios para la puesta en marcha y funcionamiento del convertidor. Para mayor detalle sobre la configuración y funcionamiento de esta red de comunicación refiérase a la práctica 16 del anexo 1. Figura 3.9: Topología de red PROFIBUS DP tipo bus entre un controlador S y un convertidor de frecuencia MicroMaster

91 Redes PROFINET IO Red PROFINET IO entre dos equipos S7-300 Esta red presenta una topología tipo bus (véase Figura 3.10), en donde con la ayuda de un cable Industrial Ethernet TP XP Cord 4x2 RJ45/RJ45 se conectan ambos controladores mediante su puerto PROFINET. Esta red permite una comunicación Cliente/Servidor mediante la creación de un enlace S7 y la creación de bloques de datos para el intercambio de los mismos con la ayuda de los bloques de funciones PUT y GET. Esta red permite enviar varios tipos de datos, en nuestro caso palabras que regularán el comportamiento de las salidas en ambos controladores. Para mayor detalle sobre la configuración y funcionamiento de esta red de comunicación refiérase a la práctica 4 del anexo 1. Figura 3.10: Topología de red PROFINET IO tipo bus entre dos controladores S Red PROFINET IO entre dos equipos S Esta red presenta una topología tipo bus (véase Figura 3.11), en donde con la ayuda de un cable Industrial Ethernet TP XP Cord 4x2 RJ45/RJ45 se conectan ambos controladores S mediante su puerto PROFINET. Esta red permite una comunicación Maestro/Esclavo mediante la utilización de los bloques TSENDC y TRCVC para el intercambio de los datos. Por esta red pueden enviarse varios tipos de datos, por ejemplo palabras, las cuales regularán el comportamiento de las salidas en ambos controladores. Para mayor detalle sobre la configuración y funcionamiento de esta red de comunicación refiérase a la práctica 3 del anexo 1. Figura 3.11: Topología de red PROFINET IO tipo bus entre dos controladores S

92 Red PROFINET IO entre un equipo S7-300 y una periferia descentralizada ET 200S PN Esta red posee una topología tipo bus (véase Figura 3.12) en la cual mediante un cable Industrial Ethernet TP XP Cord 4x2 RJ45/RJ45 se conectan ambos equipos por medio de sus puertos PROFINET. Esta red permite una comunicación Maestro/Esclavo en donde el maestro será siempre un controlador (Simatis S7-300) y el esclavo será la periferia descentralizada (ET-200S PN). Esta red permite el intercambio de datos con la periferia descentralizada para el control remoto de los estados de sus salidas digitales y la lectura remota de los estados de sus entradas. Para mayor detalle sobre la configuración y funcionamiento de esta red de comunicación refiérase a la práctica 5 del anexo 1. Figura 3.12: Topología de red PROFINET IO tipo bus entre un controlador S7-300 y una periferia descentralizada ET-200S PN. Red PROFINET IO entre un equipo S y un equipo S7-300 vía Wi-Fi La topología de esta red es de tipo bus (véase Figura 3.13), con la diferencia que el transporte de datos será vía un enlace Wi-Fi punto a punto entre dos antenas Ubiquiti NanosStation M5. Al igual que en el caso de la red PROFINET entre dos controladores Simatic S7-300, en esta red se tiene que crear un enlace S7 y utilizar bloques de datos para realizar el intercambio de datos con ayuda de los bloques de función PUT y GET. Esta red permite el intercambio de varios tipos de datos, por ejemplo palabras, las cuales regularán el comportamiento de las salidas en ambos controladores. Para mayor detalle sobre la configuración y funcionamiento de esta red de comunicación refiérase a la práctica 6 del anexo 1. 79

93 Figura 3.13: Topología de red PROFINET IO tipo bus Wi-Fi entre un controlador S y un controlador S Red PROFINET IO entre un equipo S y un HMI KTP-600 Para conectar estos equipos se utiliza una topología de red tipo bus (véase Figura 3.14) en donde con la ayuda de un cable Industrial Ethernet TP XP Cord 4x2 RJ45/RJ45 se conectan los puertos PROFINET de ambos equipos. Esta red permite el intercambio de varios tipos de datos, para el laboratorio de redes industriales se desarrollaron aplicaciones específicas que permiten al HMI enviar y recibir datos de tipo palabra y tipo bit mediante los cuales regulan los estados de las salidas del controlador S Para mayor detalle sobre la configuración y funcionamiento de esta red de comunicación refiérase a la práctica 2 del anexo 1. Figura 3.14: Topología de red PROFINET IO tipo bus entre un controlador S y un Panel KTP-600 PN Redes MODBUS Red MODBUS TCP/IP entre dos equipos Twido TWDLCAE40DRF Esta red presenta una topología tipo bus (véase Figura 3.15) en donde los controladores Twido se conectan a través de sus puertos Ethernet mediante un cable de red pudiendo ser este un cable Industrial Ethernet TP XP Cord 4x2 RJ45/RJ45 o un cable de red punto a punto con terminales RJ45. El modelo de comunicación 80

94 que se da en este tipo de red es de tipo Cliente/Servidor que permite el intercambio de varios tipos de datos MODBUS empaquetados dentro de una trama TCP/IP a través del puerto de comunicación 502. Para esta comunicación se utilizaron datos tipo palabra que regulan los estados de las salidas de los controladores. Para mayor detalle sobre la configuración y funcionamiento de esta red de comunicación refiérase a la práctica 19 del anexo 1. Figura 3.15: Topología de red MODBUS TCP/IP tipo bus entre dos controladores Twido TWDL- CAE40DRF. Red MODBUS TCP/IP entre un equipo Twido TWDLCAE40DRF y un Ordenador Esta red presenta una topología tipo bus (véase Figura 3.16) en donde el controlador Twido se conecta a través de su puerto Ethernet con un ordenador mediante un cable de red (Industrial Ethernet TP XP Cord 4x2 RJ45/RJ45 o un cable de red punto a punto con terminales RJ45). El modelo de comunicación que se da en esta red es de tipo Cliente/Servidor en donde el cliente es el controlador Twido TWDL- CAE40DRF y el servidor será el ordenador. Para esta comunicación será necesario un servidor OPC (OLE for Process Control). Para mayor detalle sobre la configuración y funcionamiento de esta red de comunicación refiérase a la práctica 20 del anexo 1. Figura 3.16: Topología de red MODBUS tipo bus entre un controlador Twido TWDLCAE40DRF y un Ordenador. 81

95 Capítulo 4 IMPLEMENTACIÓN DE LOS BUSES DE CAMPO Y ANÁLISIS DE RESULTADOS En este capítulo se presenta a manera de síntesis el procedimento para la configuración y puesta en marcha de los diferentes buses de campo que se pueden implementar dentro del laboratorio de redes de comunicación industrial. La idea central de este capítulo es dar al usuario una breve guía de como configurar las redes industriales, para mayores detalles referirse al anexo MODBUS MODBUS permite dos tipos de comunicación, una mediante Ethernet (Modbus TCP/IP) y otra usando comunicación serial RS-232 y RS-485 mismos que transmiten datos bajo el modelo Cliente/Servidor y Maestro/Esclavo respectivamente Red MODBUS TCP/IP utilizando dos PLCs Shneider Twido TWDL- CAE40DRF Para la implementación de la presente red se utilizó una topología de red tipo bus en donde los equipos son conectados por medio de sus puertos Ethernet con la ayuda de un cable de red de tipo cruzado. Dentro del programa de usuario se debe configurar los macros de comunicación para realizar una correcta conexión. El proceso realizado para el levantamiento de la presente red fue el siguiente: Se debe crear un proyecto en el software Twido Suite, el cual nos permitirá configurar los parámetros de las tarjetas de red y las características de los equipos para la comunicación. 82

96 Agregar los dos dispositivos entre los cuales se desea establecer la comunicación MODBUS, dos PLCs compactos Twido (TWDLCAE40DRF) (véase Figura 4.1). Figura 4.1: Inserción de los dispositivos Twido TWDLCAE40DRF dentro de un proyecto. Configurar los parámetros de las tarjetas de red de los dispositivos. Aquí se debe configurar las direcciones IP de cada uno de los equipos, al igual que sus identificadores dentro de la red MODBUS. Configurar una macro de comunicación (véase Figura 4.2), la cual es un bloque de programación encargado de gestionar el envio y recepción de datos, al igual que sus espacios de memoria dentro del programa de usuario. Es necesario programar y configurar elementos adicionales para que la macro de comunicación funcione de la manera correcta, es decir, un tambor de conmutación para generar los tiempos de envío y recepción de los datos, un bloque MSG3.D para gestionar el tráfico de datos en la red, control de errores y las salidas de sistema S5 que son temporizadores internos que regularán el cambio de estado del tambor de conmutación. 83

97 Figura 4.2: Configuración de la macro de comunicación del PLC servidor. Realizar el programa de usuario tanto del PLC Servidor, como del PLC Cliente. Considerar que se debe programar unicamente en un PLC (PLC servidor en este caso) la gestión de la comunicación. Abrir un nuevo proyecto para realizar la configuración de hardware y software del PLC Cliente. Configurar las caracterizas de la tarjeta de red y realizar el programa para manipular los datos enviados por el otro PLC. El usuario únicamente debe conocer los espacios de memoria reservados por la macros de comunicación configurada en el otro PLC. Descargar la configuración a cada uno de los dispositivos con la ayuda de un pc o una programadora. Montar de forma física la red planteada con la ayuda de un cable de red Industrial Ethernet TP XP Cord 4x2 RJ45/RJ45. Se decidió implementar este tipo de red ya que a diferencia del tipo de comunicación MODBUS RTU este modelo permite más opciones de conexión con otros equipos. Permite una mayor integración con respecto a los niveles de la pirámide de automatización, permitiendo incluirse dentro de una red Ethernet convencional, obteniendo otra opción de comunicación con la tecnología OPC cuya finalidad es la integración de equipos desarrollados por diferentes fabricantes del entorno industrial. 84

98 4.2. PROFIBUS DP Para la implementación de una red industrial es necesario completar varios requisitos, entre los más importantes la concordancia entre hardware y software, existiendo en todos los protocolos pasos similares, a continuación se detallará los pasos para implementar una red PROFIBUS DP de acuerdo a los equipos utilizados Red PROFIBUS DP utilizando dos PLCs Siemens S7-300 Ingresar al software de programación TIA Portal V13, crear un proyecto y agregar los dos dispositivos S7-300 (6ES FJ14-0AB0), entre los cuales se desea establecer la comunicación PROFIBUS DP (véase Figura 4.3). Los dispositivos de software deben ser exactamente iguales a los que se posee en forma física, tanto su modelo como sus versiones de software. Figura 4.3: Inserción de dos dispositivos Siemens S7-300 dentro de un proyecto. Algunos dispositivos utilizan un solo puerto para diferentes tipos de comunicación (MPI/PROFIBUS), por esta razón es necesario especificar el tipo de comunicación que se realizará y para el propósito específico de PROFIBUS DP asignar una dirección PROFIBUS a cada uno de los dispositivos y su funcionalidad, maestro o esclavo. Para implementar la red unir con la ayuda del puntero los puertos PROFIBUS de cada equipo (véase Figura 4.4). 85

99 Figura 4.4: Configuración de puertos de comunicación. Una vez configurados todos los parámetros de la red y de los equipos, se procede a realizar el programa de usuario tanto del dispositivo maestro, como del esclavo. Para gestionar la comunicación entre los dos dispositivos se debe configurar el área de transferencia del dispositivo definido como esclavo (véase Figura 4.5). En donde se establecerá los espacios de memoria para enviar y recibir datos. Figura 4.5: Áreas de transferencia para la comunicación entre dos equipos Siemens S Finalmente se debe crear un programa dentro de los dispositivos, maestro y esclavo, que permita leer y escribir datos en las direcciones reservadas en el paso anterior. Se debe tomar en consideración el tipo de dato que se muestra en las áreas de transferencia, por ejemplo al insertar una salida Q2, debe ser declarada como QB2 puesto que es de tipo Byte (véase Figura 4.6). 86

100 Figura 4.6: Transferencia de datos entre dos equipos Siemens S Descargar la configuración a cada uno de los dispositivos con la ayuda de un pc o una programadora. Montar de forma física la red planteada con la ayuda de un cable de red PRO- FIBUS bifilares retorcidos RS Red PROFIBUS DP utilizando dos PLCs Siemens S y los módulos de comunicación CM (DP Master) y CM (DP Slave) Ingresar al software de programación TIA Portal V13, crear un proyecto y agregar los dos dispositivos entre los cuales se desea establecer la comunicación PROFIBUS DP, dos S (6ES BE30-0XB0), dado que estos equipos no poseen incorporado un puerto PROFIBUS se debe insertar dos módulos extras el CM (maestro) y el CM (esclavo), uno en cada PLC (véase Figura 4.7). Los dispositivos de software deben ser exactamente iguales a los que se posee en forma física, tanto su modelo como sus versiones de software. Figura 4.7: Inserción de dos dispositivos Siemens S dentro del proyecto. 87

101 Mediante los módulos de comunicación CM (maestro) y el CM (esclavo) los dispositivos pueden funcionar únicamente en un modo, maestro o esclavo respectivamente, también se debe asignar una dirección PROFIBUS a cada dispositivo. Para implementar la red unir con la ayuda del puntero los puertos PROFIBUS de cada equipo (véase Figura 4.8). Figura 4.8: Implementación de red PROFIBUS DP. Una vez configurados todos los parámetros de la red y de los equipos, se procede a realizar el programa de usuario tanto del dispositivo maestro, como del esclavo. Para gestionar la comunicación entre los dos dispositivos se debe configurar el área de transferencia del dispositivo definido como esclavo (véase Figura 4.9). En donde se establecerá los espacios de memoria para enviar y recibir datos. Figura 4.9: Áreas de transferencia para la comunicación entre dos equipos Siemens S Finalmente se debe crear un programa dentro de los dispositivos, maestro y esclavo, que permita leer y escribir datos en las direcciones reservadas en el paso anterior. Se debe tomar en consideración el tipo de dato que se muestra en las áreas de transferencia, por ejemplo al insertar una salida Q2, debe ser declarada como QB2 puesto que es de tipo Byte (véase Figura 4.10). 88

102 Figura 4.10: Transferencia de datos entre dos equipos Siemens S Descargar la configuración a cada uno de los dispositivos con la ayuda de un pc o una programadora. Montar de forma física la red planteada con la ayuda de un cable de red PRO- FIBUS bifilares retorcidos RS Red PROFIBUS DP utilizando un PLC Siemens S y un PLC Siemens S7-300 Ingresar al software de programación TIA Portal V13, crear un proyecto y agregar los dispositivos en cuestión, un S (6ES BE30-0XB0) junto a un módulo de comunicación PROFIBUS CM (maestro) o CM (esclavo) dependiendo de la funcionalidad que se designe al dispositivo S7-300 (6ES FJ14-0AB0) (véase Figura 4.11). Los dispositivos de software deben ser exactamente iguales a los que se posee en forma física, tanto su modelo como sus versiones de software. Figura 4.11: Inserción de los dispositivos Siemens S y Siemens S7-300 dentro del proyecto. Los dispositivos S7-300 utilizan un solo puerto para diferentes tipos de comunicación (MPI/PROFIBUS), por esta razón es necesario especificar el tipo de 89

103 comunicación que se realizará y para el propósito específico de PROFIBUS DP asignar una dirección PROFIBUS a cada uno de los dispositivos y su funcionalidad, maestro o esclavo (considerar que funcionalidad se designó al dispositivo S7-1200). Para implementar la red unir con la ayuda del puntero los puertos PROFIBUS de cada equipo (véase Figura 4.12). Figura 4.12: Configuración de puertos de comunicación e implementación de red PROFIBUS DP. Una vez configurados todos los parámetros de la red y de los equipos, se procede a realizar el programa de usuario tanto del dispositivo maestro, como del esclavo. Para gestionar la comunicación entre los dos dispositivos se debe configurar el área de transferencia del dispositivo definido como esclavo (véase Figura 4.13). En donde se establecerá los espacios de memoria para enviar y recibir datos. Figura 4.13: Áreas de transferencia para la comunicación entre los equipos Siemens S y S Finalmente se debe crear un programa dentro de los dispositivos, maestro y esclavo, que permita leer y escribir datos en las direcciones reservadas en el paso anterior. Se debe tomar en consideración el tipo de dato que se muestra en las áreas de transferencia, por ejemplo al insertar una salida Q2, debe ser declarada como QB2 puesto que es de tipo Byte (véase Figura 4.14). Figura 4.14: Transferencia de datos entre los equipos Siemens S y S

104 Descargar la configuración a cada uno de los dispositivos con la ayuda de un pc o una programadora. Montar de forma física la red planteada con la ayuda de un cable de red PRO- FIBUS bifilares retorcidos RS Red PROFIBUS DP utilizando un PLC Siemens S y un MicroMaster 440 Ingresar al software de programación TIA Portal V13, crear un proyecto y agregar los dispositivos entre los cuales se desea establecer la comunicación PROFIBUS DP, un S (6ES BE30-0XB0) junto al módulo CM (maestro) y un MicroMaster 440 (6SE640X-1PB00-0AA0) (véase Figura 4.15). Los dispositivos de software deben ser exactamente iguales a los que se posee en forma física, tanto su modelo como sus versiones de software. Figura 4.15: Inserción de los dispositivos Siemens S y Siemens MM440 dentro del proyecto. Para la configuración del MM440 se debe definir el tipo de PPO (objeto parámetrosdatos de proceso) que se desea utilizar (PPO 1, 2, 3, 4) donde cada uno difiere por el número de palabras de mando y palabras de parámetros que se desean transmitir (véase Tabla 4.1). PKW Palabras para leer/escribir valores de parámetros PZD - Palabras de mando PPO 1 4 palabras 2 palabras PPO 2 4 palabras 6 palabras PPO 3-2 palabras PPO 4-6 palabras Tabla 4.1: Tipos de PPO 91

105 Una vez definido el PPO, se debe observar las direcciones reservadas para leer y escribir datos (véase Figura 4.16). Figura 4.16: Direcciones de entrada y salida del PPO. Para implementar la red unir con la ayuda del puntero los puertos PROFIBUS de cada equipo y designar una dirección PROFIBUS a cada uno (véase Figura 4.17). Figura 4.17: Implementación de red PROFIBUS DP. Dentro del programa del dispositivo maestro se deben enviar palabras < <de preferencia hexadecimales para una visualización más rápida> > a dichas direcciones, donde cada posición de bit corresponde a un parámetro definido por el fabricante, estos parámetros pueden ser examinados en el manual de usuario del equipo (véase Figura 4.18). Figura 4.18: Transferencia de datos (Hexadecimales) de los equipos Siemens S y MicroMaster

106 Descargar la configuración a cada uno de los dispositivos con la ayuda de un pc o una programadora. Montar de forma física la red planteada con la ayuda de un cable de red PRO- FIBUS bifilares retorcidos RS 485. Se concluyó satisfactoriamente con todas las prácticas planteadas dentro del protocolo de comunicación PROFIBUS DP. Se obtuvo un intercambio de datos entre maestro y esclavo superando el principal objetivo de las prácticas, el protocolo PROFIBUS DP presenta la ventaja frente a otros protocolos de no requerir la configuración de bloques especializados para la comunicación, y su programación se realiza únicamente dentro del PLC esclavo (comunicación entre PLCs), obteniendo así, un menor tiempo de programación y una fácil detección de fallos. Cada dispositivo debe poseer una dirección PROFIBUS DP para una correcta comunicación. Ciertos dispositivos poseen en forma física un selector de dirección PROFIBUS DP en su carcaza, razón por la cual es necesario cerciorarse que la dirección seleccionada de forma física concuerde con la asignada dentro del software de configuración PROFINET I/O Dentro del modelo de redes de comunicación PROFINET I/O se pueden presentar varios tipos de conexión dependiendo de los equipos a utilizar. Los diferentes tipos de conexiones presentan características específicas para optimizar las comunicaciones, las conexiones se implementan sobre múltiples estándares de comunicación a través de una red Industrial Ethernet. Los estándares de comunicación que soporta un equipo Siemens S en su puerto PROFINET integrado son: Comunicación S7 User Datagram Protocol (UDP) ISO on TCP (RFC 1006) Transport Control Protocol (TCP) Red PROFINET I/O utilizando dos PLCs Siemens Simatic S Para la implementación de la presente red se utilizó una conexión Open User Comunications (comunicación abierta), que utiliza ISO on TCP como estándar modelo para gestionar la comunicación entre los equipos. 93

107 Es necesario programar la gestión de datos debido a la interfaz de programación SEND/RECEIVE. El proceso realizado para el levantamiento de la presente red fue el siguiente: Crear un proyecto en el software TIA PORTAL V.13, mismo que permitirá configurar la red y las características de los equipos para la comunicación. Agregar los equipos pertenecientes a la red, dos PLCs Siemens S (6ES BE30-0XB0) (véase Figura 4.19). Para establecer la conexión se debe unir los puertos PROFINET de los dos equipos con la ayuda del puntero. Figura 4.19: Inserción de los dispositivos Siemens S dentro del proyecto. Acceder al puerto de comunicación de cada equipo y asignarle un a dirección IP, los dos equipos deben estar dentro de una misma red. Realizar el programa de usuario tanto del PLC Maestro, como del PLC Esclavo. Para gestionar la comunicación entre estas dos terminales dentro del programa de usuario se tienen que cargar y configurar los bloques de comunicación TSEND_C y TRCV_C (véase Figura 4.20). En la configuración de estos bloques se debe especificar qué PLC será maestro (PLC Local) y qué PLC será el esclavo (PLC Interlocutor), al igual que asignarles un mismo ID de conexión. Estos bloques internamente se encargan de gestionar los espacios de memoria para el intercambio de datos entre los equipos terminales. 94

108 Figura 4.20: Bloques TSEND_C y TRCV_C para gestionar la comunicación de los equipos Siemens S Descargar la configuración a cada uno de los controladores lógicos con la ayuda de un pc o una programadora. Montar de forma física la red planteada con la ayuda de un cable de red Industrial Ethernet TP XP Cord 4x2 RJ45/RJ Red PROFINET I/O utilizando dos PLCs Siemens Simatic S7-300 Para realizar esta comunicación se utiliza una conexión tipo S7, la cual maneja el estándar TCP para realizar el intercambio de mensajes (servicio Cliente/Servidor). Para gestionar la comunicación el usuario debe utilizar los bloques de función de comunicación PUT y GET, teniendo que previamente crear instancias de bloques de datos globales para reservar los espacios de memoria en donde se ubicarán los datos a enviar y recibir. El procedimiento es el siguiente: Se debe crear un proyecto en el software TIA PORTAL V.13, mismo que permitirá configurar la red y las características de los equipos para la comunicación. Agregar los equipos que formarán la red de comunicación, dos PLCs Siemens S7-300 (6ES FJ14-0AB0) (véase Figura 4.21). Montar la red de tipo bus 95

109 en donde los dispositivos estarán conectados el uno con el otro mediante un cable de red, seleccionar el tipo de conexión S7. Figura 4.21: Inserción de los dispositivos Siemens S7-300 dentro del proyecto. Configurar los parámetros de las tarjetas de red de los equipos, asignando direcciones IP a cada uno de los equipos. Realizar el programa de usuario tanto del PLC Cliente, como del PLC Servidor. Para almacenar los datos que se van a enviar y recibir se debe crear en el PLC Cliente y en el PLC Servidor bloques de datos, que son bloques de función que reservan los espacios de memoria (véase Figura 4.22). Dichos bloques deben tener la misma numeración dentro del programa de usuario, y los datos contenidos dentro de estos deben concordar en tamaño y tipo para evitar errores en la comunicación. 96

110 Figura 4.22: Creación de un bloque de datos. Para gestionar la comunicación entre estas dos terminales dentro del programa de usuario se debe cargar y configurar los bloques de comunicación PUT y GET (véase Figura 4.23). En la configuración de estos bloques se debe especificar qué PLC será maestro (PLC Local) y qué PLC será el esclavo (PLC Interlocutor), al igual que asignarles un mismo ID de conexión. 97

111 Figura 4.23: Bloques GET y PUT para gestionar la comunicación de los dispositivos Siemens S Descargar la configuración a cada uno de los controladores lógicos con la ayuda de un pc o una programadora. Montar de forma física la red planteada con la ayuda de un cable de red Industrial Ethernet TP XP Cord 4x2 RJ45/RJ Red PROFINET I/O entre un PLC Siemens S7-300 y una periferia descentralizada ET 200S PN Para la implementación de la presente red se utilizó una conexión dedicada para periferias descentralizadas, que utiliza ISO on TCP como estándar modelo para gestionar la comunicación. Para enviar o recibir datos el usuario únicamente debe conocer las direcciones de entradas y salidas asignadas a cada uno de los módulos del ET 200S. También es necesario cerciorarse que el nombre del dispositivo concuerde tanto en el software como en el hardware para evitar errores en la comunicación. El proceso realizado para el levantamiento de la presente red fue el siguiente: Se debe crear un proyecto en el software TIA PORTAL V.13, mismo que nos 98

112 permitirá configurar la red y las características de los equipos para la comunicación. Agregar los equipos que formarán la red de comunicación, un PLC Siemens S7-300 (6ES FJ14-0AB0) y una periferia descentralizada ET-200S con interfaz de comunicación PN (6ES BA23-0AB0) con todos sus elementos como fuente, entradas y salidas digitales (véase Figura 4.24). Montar la red de tipo bus en donde los dispositivos estarán conectados a través de sus puertos PROFINET mediante un cable de red, seleccionar el tipo de conexión S7. Configurar los parámetros de las tarjetas de red de los equipos, asignando direcciones IP a cada uno de ellos. Ademas se debe asignar como maestro del ET200s al dispositivo Siemens S Figura 4.24: Inserción de los dispositivos Siemens S7-300 y ET200s dentro del proyecto. Realizar el programa de usuario tanto del PLC masetro, como del PLC esclavo. Para gestionar la comunicación entre estos equipos el usuario debe conocer las direcciones asignadas a cada uno de los módulos de entradas y salidas de la periferia, de esta manera si se requiere leer un dato solo se apunta a la dirección de entrada del módulo y si se quiere escribir se apunta a la dirección de la salida deseada en la periferia. Para evitar errores en la comunicación es necesario que en el programa de usuario del dispositivo maestro se agreguen los bloques de organización para control de errores (véase Figura 4.25), el bloque OB82 llamado I/O FLT1 y el bloque OB86 llamado RACK FLT. 99

113 Figura 4.25: Bloques de organización para control de errores. Descargar la configuración al controlador lógico con la ayuda de un pc o una programadora. Montar de forma física la red planteada con la ayuda de un cable de red Industrial Ethernet TP XP Cord 4x2 RJ45/RJ Red PROFINET I/O entre un equipo Siemens S y un HMI Simatic KTP-600 Para la implementación de la presente red se utilizó una conexión dedicada para pantallas HMI, que utiliza ISO on TCP como estándar modelo para gestionar la comunicación entre el HMI y el controlador. Para gestionar los datos el usuario únicamente debe conocer las direcciones tanto de entradas como salidas asignadas en el programa de usuario y los espacios de memoria que serán compartidos con el HMI. El proceso realizado para el levantamiento de la presente red fue el siguiente: Se debe crear un proyecto en el software TIA PORTAL V.13, mismo que nos permitirá configurar la red y las características de los equipos para la comunicación. Agregar los equipos que formarán la red de comunicación, un PLC Siemens 100

114 S (6ES BE30-0XB0) y un HMI KTP-600 (6AV6647-0AD11-3AX0) (véase Figura 4.26). Montar la red de tipo bus en donde los dispositivos estarán conectados el uno con el otro mediante un cable de red, seleccionar el tipo de conexión S7. Figura 4.26: Inserción de los dispositivos Siemens S y HMI KTP-600 dentro del proyecto. Configurar los parámetros de las tarjetas de red de los equipos, asignando direcciones IP a cada uno de ellos. Realizar el programa de usuario tanto del PLC Maestro, como del HMI. Para gestionar la comunicación entre estos equipos el usuario debe únicamente conocer los espacios de memoria que van a servir para intercambiar datos entre el HMI y el controlador. Dentro del arbol del proyecto dirigirse al HMI. Aqui se puede acceder y configurar las ventanas del HMI al igual que su contenido (véase Figura 4.27). La imagen por defecto se denomina "imagen raiz". Cuando se han insertado todos los elementos de monitoreo y control se debe agregar acciones a cada uno de ellos, gestionando los espacios de memoria para el intercambio de datos entre el PLC y el HMI. 101

115 Figura 4.27: Configuración del HMI KTP-600. Descargar la configuración a cada dispositivo por separado con la ayuda de un pc o una programadora. Montar de forma física la red planteada con la ayuda de un cable de red Industrial Ethernet TP XP Cord 4x2 RJ45/RJ45. Se logró realizar la comunicación bidireccional entre maestro y esclavo de todas las prácticas pertenecientes al protocolo PROFINET IO cumpliendo con el objetivo planteado, dentro de PROFINET IO existen varios tipos de comunicación, los cuales varian de acuerdo al equipo que se requiera utilizar. En el caso de los PLCs S se utilizaron los bloques de comunicación TSEND_C y TRCV_C los cuales necesitan una configuración extensa a diferencia de otros bloques. Para establecer la comunicación bidireccional es necesario insertar estos dos bloques dentro del programa de cada dispositivo. En el caso de los dispositivos S7-300 utilizan un modo de comunicación cliente-servidor, basado en bloques de datos que pueden ser leidos por cada dispositivo simplemente direccionando una posición dentro del mismo. Las comunicaciones fueron exitosas en todas las prácticas, para una conexión sin errores dentro del bus de comunicación cada dispositivo debe poseer una dirección IP 102