Diseño de un control distribuido para una planta.

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1 Diseño de un control distribuido para una planta. TITULACIÓN: Ingeniería Técnica en Telecomunicaciones Especialidad en Telemática AUTOR: Oscar López Risquez DIRECTOR: Ramón Villarino Villarino FECHA: Mayo del

2 Índice 1. Índice 1 Índice 2 2 Estudio Situación Actual en la Industria Introducción Evolución de la automatización industrial Estructuras generales de los sistemas de control industriales Control Centralizado Control Centralizado Multicapa Prestaciones Requisitos Módulos de un SCADA Control Distribuido Características específicas de las redes locales Industriales Características Entorno de funcionamiento hostil Restricciones Temporales Arquitecturas Adecuadas Jerarquía entre los niveles de comunicación Red de Factoría Red de Planta Red de Célula Bus de Campo (field bus) Ejemplos de estudio Redes Map y Top Características de las redes MAP destacables Redes MINIMAP Ethernet Industrial PROFIBUS Estructura Configuración física de Bus Versiones Compatibles Estructura de la red Tecnología de transmisión AS-I AKTUATOR SENSOR INTERFACE INTERBUS CAN: CONTROLLER AREA NETWORKING Comparación de los casos estudiados Estudio y desarrollo de un control distribuido para una planta Introducción Estación de trabajo Software Funcionamiento Pantalla Inicio. 51 2

3 Índice Pantalla Reacción Puerto Paralelo Introducción Características físicas del puerto paralelo Registros del puerto paralelo (SPP) Circuito Interface (Bus paralelo) Introducción Descripción Circuito Estación Remota Introducción Descripción Circuito Contador Introducción Descripción PLC Definición de PLC Introducción Software Pantalla principal Pantalla Datos Conclusiones y líneas futuras Conclusiones Líneas futuras Bibliografía Software Empleado Links Datasheets. 102 ÍNDICE ANEXOS Anexo1: Rutinas Programadas Pantallas Estación de Trabajo Código Página Inicio: Código Pantalla Entrada Manual Código Pantalla Password Código Pantalla Válvula amoníaco Código Pantalla Inicio Código Pantalla Entrada Manual Código Pantalla Gráficas Código Pantalla Entradas/Salidas Código Pantalla Máximos y Mínimos Código Pantalla NAcceso Código Pantalla NPASSWORD Código Pantalla PPRINAPOYO Código Pantalla Principal Código Pantalla REFRIG Código Pantalla RegAlarm

4 Índice 7.2. Código PLC Código Pantalla Principal Código Pantalla Datos Anexo2: Planos Planos Circuito Interface Esquema Eléctrico Fotolito Circuito Interface Esquema Componentes Planos Estación Remota Esquema eléctrico Fotolito Circuito Estación Remota Esquema componentes Planos Circuito Contador Esquema eléctrico Fotolito Circuito Contador Esquema Componentes

5 Estudio Situación Actual en la Industria. 2. Estudio Situación Actual en la Industria Introducción. El desarrollo del control distribuido en la industria va paralelo al de las comunicaciones. Cada vez es más necesario disponer de dispositivos inteligentes para realizar el control o la supervisión remota, tanto de procesos de fabricación, como de almacenamiento o distribución. Los sistemas o redes de comunicación empleados en entornos industriales se encuentran sometidos a una problemática específica que condiciona enormemente su diseño y los diferencia de las redes de datos o redes de oficina. El desarrollo de los microprocesadores, microcontroladores y los controladores lógicos programables (PLCs) dio lugar a la aparición del control distribuido. En este tipo de esquema, un PLC o un microprocesador controla una o más variables del sistema realizando un control directo de las mismas. Estos equipos de control local se comunican con otros elementos de su nivel y con el nivel superior de supervisión Evolución de la automatización industrial. Los conceptos de automatización tienen sus orígenes con la revolución industrial. Los elementos mediante los cuales se llevaban a cabo las decisiones de control eran elementos mecánicos y electromagnéticos con el advenimiento de la electricidad (motores, relés, temporizadores, contadores). Esto tenía el problema que los tableros de control (armarios eléctricos) llegan a tomar grandes tamaños según se hacían automatizaciones más complejas. En los años 50 con la aparición de la electrónica comienzan a utilizarse los semiconductores con lo que se reduce el tamaño de los armarios eléctricos y se reduce el número de averías por desgaste de componentes. Aunque esto resultaba mucho más amigable que los grandes tableros eléctricos del principio presentaba un problema de falta de flexibilidad: ya que un sistema de control sólo sirve para una aplicación específica, y no es reutilizable. Debido a esto y a la creciente demanda industrial del momento en el año 1968 Ford y General Motors plantean las especificaciones que debe cumplir un controlador electrónico programable para ser realmente útil en la industria. Es así que Bedford associates desarrolla un prototipo de controlador industrial, que puede ser considerado el primer PLC de la historia (programmable logic controller o autómata programable industrial). Este presentaba las características que reclamaba la industria: Reutilizable. Adaptado a entornos agresivos (industria) Fácilmente programable por técnicos eléctricos. Implementado con electrónica de estado sólido (semiconductores) Los primeros PLCs se usaron para controlar procesos secuenciales (cadenas de montaje, transporte, etc.). El problema que presentaba era que su memoria era cableada, por lo que la reutilización es posible pero costosa. Se empezaron implementar memorias con semiconductores eliminando las memorias cableadas mayor flexibilidad por la facilidad de programación. Pero por entonces todavía la tecnología de los microprocesadores no era - 5 -

6 Estudio Situación Actual en la Industria. utilizable en la industria por falta de robustez, dificultad de conexión a equipos mecánicos y dificultad de programación. A mediados de los 70 los autómatas incorporan el microprocesador y las memorias semiconductoras lo que permiten programar sin recablear (aumenta flexibilidad). Además permiten realizar cálculos matemáticos y comunicar con un ordenador central (ordenador encargado de controlar la planta enviando órdenes a los autómatas que gobiernan cada proceso). Junto a esto aparecen los primeros DCS (sistemas de control distribuido) que eran controladores lógicos al igual que los PLC's solo que estos en el principio dominaban el reino del control de variables analógicas. De esta manera sistemas DCS trabajaban a la par de sistemas separados de PLC para control discreto de variables on/off. Hacia los finales de los 70 aparecen mejoras en los autómatas dándole a estos: Mayor memoria. Capacidad de gobernar bucles de control. Más tipos de E/S (conexión más flexible de sensores/actuadores). Lenguajes de programación más potentes. Comunicaciones más potentes. En los años 80 se continúa con las mejoras siendo algunas de estas: Mayor velocidad de proceso. Dimensiones más reducidas. Técnicas de control más complejas (PID, inteligente, fuzzy). Múltiples lenguajes (contactos, lista instrucciones, GRAFCET, etc.). En los años "90 cuando los sistemas de control basado en PC hicieron su aparición en la escena de la automatización industrial, los partidarios de estos sistemas más poderosos y abiertos afirmaban que dichos sistemas podrían llegar a suplantar a los controladores lógicos programables (PLC's) y hasta los sistemas de control distribuidos (DCS's) en numerosas aplicaciones. El PC tenía mucho que ofrecer, pero no suplantaría las plataformas ya probadas de control industrial, no por lo menos en la forma de un PC de escritorio. El PC era la mejor opción a la hora de integrar funcionalidad avanzada, como puede ser conectividad de base de datos, integración, control analógico y simulación basados en Web y comunicación de datos con terceros. El problema con el control basado en PC ha sido siempre este. Los PC's que corren en sistemas operativos estándares con hardware común resultan demasiado frágiles y temperamentales como para brindar un control industrial confiable. El resultado de todas estas innovaciones fue la aparición de controladores híbridos que permiten manejo de variables analógicas y digitales, en conjunto con características como procesador de punto flotante para cálculos personales, servidor Web interactivo embebido que facilita las tareas de control y monitoreo, flash compacto removible para la recolección y registro de datos, puertos seriales múltiples y conexionado mediante buses de campo para la comunicación con terceros. 6

7 Estudio Situación Actual en la Industria. En la actualidad tenemos disponibles gran variedad de autómatas híbridos compactos, sencillos y modulares para aplicaciones incluso domésticas. Presentan grandes posibilidades de ampliación. Y con una tendencia hacia una evolución continua de los sistemas de comunicación, constituyendo redes de autómatas que permitan implementaciones más complejas y seguras. Las nuevas características de los sistemas de automatización apuntan a incorporar características de los sistemas distribuidos como: Escalabilidad Apertura Concurrencia Tolerancia a fallas Transparencia Estructuras generales de los sistemas de control industriales. La Ilustración I muestra en forma esquemática la estructura de Control implementadas normalmente en la industria. Ilustración 1 Estructura de Control. En la misma pueden verse dos áreas bien definidas: Una la parte operativa y otra la parte de control. En la parte operativa tenemos los dispositivos de hardware y software que brindan la información necesaria para llevar a cabo las operaciones de planta necesarias, con una interfaz amigable y entendible para el operador. En la parte de control encontramos a los dispositivos de control (PLC's, DCP'S y PC s industriales) que permiten llevar a cabo las acciones de control en conjunto con los actuadores. Entre todos estos dispositivos hay comunicación vertical (desde la parte de control hacia la operativa y viceversa) y comunicaciones horizontales (entre distintos dispositivos de control). Las dos arquitecturas más conocidas de control industrial, aunque cabe aclarar que no son las únicas y muchas soluciones de automatizaciones son una mezcla de estas que se adapta a las necesidades específicas de cada situación. 7

8 Estudio Situación Actual en la Industria Control Centralizado. En la Ilustración 2 puede verse la estructura general del control centralizado. Ilustración 2 Estructura general del control centralizado Está constituido por un computador, un interfaz de proceso y una estación de trabajo (interfaz de operación). La principal ventaja es que su arquitectura facilita el flujo de información y se hace posible que los objetivos de optimización global del proceso puedan ser alcanzados, pero tiene la desventaja que depende de la habilidad del computador. Para solucionar esto se aplica redundancia de servicios críticos. Una variante del control centralizado puede verse en la figura siguiente y quizás la más aplicable, por la probada robustez de los controladores industriales Control Centralizado Multicapa. A partir de esta arquitectura de control aparece el concepto de SCADA que viene de las siglas de Supervisor Control And Data Adquisition, es decir: adquisición de datos y control de supervisión. Ilustración 3 Esquema Arquitectura SCADA Se trata de una aplicación software especialmente diseñada para funcionar sobre ordenadores en el control de producción, proporcionando comunicación con los dispositivos de campo (controladores autónomos, autómatas programables, etc.) y controlando el proceso de forma automática desde la pantalla del ordenador. Además, provee de toda la información que se genera en el proceso productivo a diversos usuarios, tanto del mismo nivel como de otros supervisores dentro de la empresa: control de calidad, supervisión, mantenimiento, etc. 8

9 Estudio Situación Actual en la Industria. En este tipo de sistemas usualmente existe un ordenador, que efectúa tareas de supervisión y gestión de alarmas, así como tratamiento de datos y control de procesos. La comunicación se realiza mediante redes LAN o buses especiales, los cuales serán abordados más adelante para su estudio específico. Todo esto se ejecuta normalmente en tiempo real, y están diseñados para dar al operador de planta la posibilidad de supervisar y controlar dichos procesos. Los elementos de proceso del sistema de control pueden utilizar una implementación estándar en tiempo real de CORBA (Common Object Request Broker Architecture) para la comunicación entre objetos a través de redes. Además, la especificación de interfaces será muy importante para el mantenimiento y conservación de la inversión teniendo en cuenta los rápidos cambios tecnológicos. Por ello serán usados estándares abiertos como RT POSIX o ATM, y también CORBA. Los programas necesarios, y en su caso el hardware adicional que se necesite, se denomina en general sistema SCADA Prestaciones: Un paquete SCADA debe estar en disposición de ofrecer las siguientes prestaciones: Posibilidad de crear paneles de alarmas, que exigen la presencia del operador para reconocer una parada o situación de alarma, con registro de incidencias. Generación de históricos de señal de planta, que pueden ser volcados para su proceso sobre una hoja de cálculo. Ejecución de programas, que modifican la ley de control, o incluso anular o modificar las tareas asociadas al autómata, bajo ciertas condiciones. Posibilidad de programación numérica, que permite realizar cálculos aritméticos de elevada resolución sobre la CPU del ordenador. Con ellas, se pueden desarrollar aplicaciones para ordenadores (tipo PC, por ejemplo), con captura de datos, análisis de señales, presentaciones en pantalla, envió de resultados a disco e impresora, etc. Además, todas estas acciones se llevan a cabo mediante un paquete de funciones que incluye zonas de programación en un lenguaje de uso general (como C, Pascal, o Basic), lo cual confiere una potencia muy elevada y una gran versatilidad. Algunos SCADA ofrecen librerías de funciones para lenguajes de uso general que permiten personalizar de manera muy amplia la aplicación que desee realizarse con dicho SCADA Requisitos: Un SCADA debe cumplir varios objetivos para que su instalación sea perfectamente aprovechada: Deben ser sistemas de arquitectura abierta, capaces de crecer o adaptarse según las necesidades cambiantes de la empresa. 9

10 Estudio Situación Actual en la Industria. Deben comunicarse con total facilidad y de forma transparente al usuario con el equipo de planta y con el resto de la empresa (redes locales y de gestión). Deben ser programas sencillos de instalar, sin excesivas exigencias de hardware, y fáciles de utilizar, con interfaces amigables con el usuario Módulos de un SCADA: Los módulos o bloques software que permiten las actividades de adquisición, supervisión y control son los siguientes: Configuración: permite al usuario definir el entorno de trabajo de su SCADA. adaptándolo a la aplicación particular que se desea desarrollar. Interfaz gráfico del operador: proporciona al operador las funciones de control y supervisión de la planta. El proceso se representa mediante sinópticos gráficos almacenados en el ordenador de proceso y generados desde el editor incorporado en el SCADA o importados desde otra aplicación durante la configuración del paquete. Módulo de proceso: ejecuta las acciones de mando preprogramadas a partir de los valores actuales de variables leídas. Gestión y archivo de datos: se encarga del almacenamiento y procesado ordenado de los datos, de forma que otra aplicación o dispositivo pueda tener acceso a ellos. Comunicaciones: se encarga de la transferencia de información entre la planta y la arquitectura hardware que soporta el SCADA, y entre ésta y el resto de elementos informáticos de gestión Control Distribuido. La figura muestra un esquema de control distribuido, donde puede observarse es que es muy similar al control centralizado multicapa solo que aquí se comunicación entre cada Controlador de proceso. Ilustración 4 Estructura Control Distribuido. Existencia de varias unidades de control que llevan a cabo las tareas. En caso de avería o sobrecarga de trabajo, será posible transferir todo o parte de las tareas a otras unidades. 10

11 Estudio Situación Actual en la Industria. La idea de poder hacer bypass a las unidades con problemas permite evitar los bloqueos necesarios del sistema, (paradas de planta) pero por otra parte exige que los diferentes controladores tengan una asignación dinámica de las tareas y por tanto se les va a exigir gran capacidad de acceso a la comunicación y de tratamiento de la información. La desventaja de esto es la disminución de la velocidad de comunicación debido a los retardos, posibles desbordamientos en el procesamiento de datos en cada nivel y falta de flujo de información directa entre controladores. Pero esto está siendo solucionado por la aparición de nuevas tecnología de comunicación de datos cada vez más potentes Aquí vemos que también tenemos una unidad de control y supervisión (SCADA) que cumple con las características antes mencionadas para el control centralizado multicapa. A continuación se muestra una tabla comparativa sobre los aspectos principales de las dos arquitecturas antes mencionadas. TIPO DE ARQUITECTURA TIPO DE CONTROL PREDOMINANTE CENTRALIZADA DISTRIBUIDA RLGt." LATO RIO: SUPERVISORIO: Lazos de control cerrados por el Lazos de control cerrados operador. Adicional mente: automáticamente por el control secuencia] y sistema. Adicionalmente: regulatorio. control secuencia, batch, algoritmos avanzados, etc. TIPOS DE VARIABLES DESACOPLADAS ACOPLADAS ÁREA DE ACCIÓN UNIDADES DE ADQUISICIÓN DE DATOS Y CONTROL MEDIOS DE COMUNICACIÓN Arcas geográficamente distribuidas. Remotas, PLC's. Radio, satélite, líneas telefónicas, conexión directa. I.AN. WAN. Arca de la planta. Controladores de lazo, PLC's, DCS's Redes de área local, conexión directa. BASE DE DATOS CENTRALIZADA DISTRIBUIDA A partir de lo expuesto hasta aquí se puede observar que la comunicación entre controladores es un aspecto fundamental para el funcionamiento de un sistema de control distribuido. A continuación se detallaran las características que deben tener estas redes de controladores para operar en el ambiente de planta. 11

12 Estudio Situación Actual en la Industria Características específicas de las redes locales Industriales Características: Entorno de funcionamiento hostil. Las redes industriales deben ser lo suficientemente robustas como para soportar golpes, atmósfera agresiva, radiaciones electromagnéticas, ruido eléctrico y otras perturbaciones típicas de la operación en planta Restricciones Temporales. Las redes que comunican elementos de control con requisitos como tiempo máximo de entrega de mensajes, esquemas de prioridades e índices elevados de disponibilidad Arquitecturas Adecuadas. Deben ser arquitecturas abiertas que permitan la interconexión de elementos de distintos proveedores sin problemas Jerarquía entre los niveles de comunicación: Clasificación jerárquica de las redes locales industriales. Ilustración 5 Pirámide Jerárquica. Según el entorno donde van a ser instaladas, el gráfico de la ilustración 5 muestra un esquema de esto. En el esquema piramidal presentado, existen diferentes niveles de comunicación, cada uno de ellos con diferentes necesidades. Se puede hablar en realidad de dos tipos de redes: redes de control y redes de datos. Las redes de control están ligadas a la parte baja de la pirámide, mientras que las redes de datos (o de oficina) están más ligadas a las partes altas de la jerarquía. 12

13 Estudio Situación Actual en la Industria. En general, las redes de datos están orientadas al transporte de grandes paquetes de datos, que aparecen de forma esporádica (baja carga), y con un gran ancho de banda para permitir el envío rápido de una gran cantidad de datos. En contraste, las redes de control se enfrentan a un tráfico formado por un gran número de pequeños paquetes. En principio, las redes de datos convencionales podrían emplearse para su uso como redes de control, sin embargo, es evidente que no resultan adecuadas para las necesidades de este tipo de aplicaciones. Por ejemplo, es sabido que la red Ethernet tiene una gran eficiencia, hasta el 90-95% de la capacidad del canal cuando los mensajes son largos y suficientemente espaciados. Sin embargo, la cantidad de información que una red Ethernet es capaz de transportar cae bruscamente cuando se utiliza por encima del 35% de la capacidad del canal, si el tamaño de los mensajes es pequeño, como puede verse en la figura 6. En las redes de control es habitual encontrar este tipo de carga, porque el tráfico de la red depende directamente de eventos estemos que están siendo controlados (o monitorizados) por los diferentes nodos que la componen. A menudo, varios nodos necesitan enviar información simultáneamente en función de uno o más eventos estemos. Este hecho, junto con el gran número de nodos que suelen estar presentes, implica la existencia de frecuentes periodos en los que muchas estaciones envían pequeños paquetes de información. Ilustración 6 Comparación de la Red Ethernet ante variaciones del tamaño de los paquetes. Por todas estas razones, es necesario diseñar una arquitectura de red acorde a las características particulares de este tipo de tráfico. En el diseño se deberán tener en cuenta aspectos como los tipos de protocolos utilizados, la interoperabilidad, la topología y la facilidad de administración. Deben usarse protocolos abiertos, disponibles por toda la 13

14 Estudio Situación Actual en la Industria. comunidad de fabricantes y usuarios. Este aspecto es básico para conseguir que equipos de diferentes fabricantes puedan trabajar en conjunto en una misma red. También juega un papel fundamental determinar el tipo de información que viajará por la red. En las redes de oficina, esta información consiste básicamente en datos de usuario y en algunas ocasiones información para la administración y el mantenimiento de la propia red. En una red de control, esta elección es menos clara ya que el correcto funcionamiento de la red es vital. Pueden distinguirse dos tipos de redes según la información que transporten: redes basadas en comandos y redes basadas en estado. En las redes basadas en comandos, la información consiste en una orden con la que un nodo controla el funcionamiento de otro. El principal problema radica en que si se dispone de un amplio conjunto de tipos de nodos, habrá un aumento exponencial del número de posibles comandos y de la sobrecarga que supone su procesamiento. Ilustración 7 Comparación entre redes de Datos y redes de Control En las redes orientadas a estado las cosas son más sencillas. En este caso, la funcionalidad de un nodo no depende de ningún otro. Cada nodo enviará mensajes en los que indicará a los demás el estado en que se encuentra. Los nodos que reciban estos mensajes modificarán su estado en función de la nueva información. Existen implementaciones que combinan ambos métodos. 14

15 Estudio Situación Actual en la Industria. Por lo que se refiere al tipo de topología que deben adoptar las redes de control, cabe destacar que cualquiera de las topologías clásicas de las redes de datos es válida. Cada una de ellas con sus propias ventajas y limitaciones. Cualquiera puede satisfacer las necesidades de cableado, prestaciones y coste de algún tipo de aplicación. La elección está determinada fundamentalmente por el control de acceso al medio y el tipo de medio que se emplea. El conjunto formado por el medio, el control de acceso y la topología, afecta prácticamente a cualquier otro aspecto de la red de control: coste, facilidad de instalación. Habilidad, prestaciones, facilidad de mantenimiento y expansión. La selección de la topología suele hacerse basándose en los requisitos específicos de cada sistema en cuanto a coste de instalación y tolerancia a fallos. Muchas redes de control permiten el uso de distintas topologías. El control de acceso al medio es vital. Elegida una topología, hay que definir como accederá cada nodo a la red. El objetivo es reducir las colisiones (idealmente eliminarlas) entre los paquetes de datos y reducir el tiempo que tarda un nodo en ganar el acceso al medio y comenzar a transmitir el paquete. En otras palabras, maximizar la eficiencia de la red y reducir el retardo de acceso al medio. Este último parámetro es el factor principal a la hora de determinar si una red sirve para aplicaciones en tiempo real o no. El direccionamiento de los nodos es otro de los aspectos claves. En una red de control, la información puede ser originada y/o recibida por cualquier nodo. La forma en que las direcciones los paquetes de información afectarán de forma importante a la eficiencia y la viabilidad global de la red. Se pueden distinguir tres tipos de direccionamiento: a. Unicast: El paquete es enviado a un único nodo destino. b. Multicast: El paquete es enviado a un grupo de nodos simultáneamente. c. Broadcast: El paquete es enviado a todos los nodos de la red simultáneamente. El direccionamiento broadcast presenta la ventaja de su sencillez. Es adecuado para redes basadas en información de estado. Cada nodo informa a todos los demás de cuál es estado actual. El principal inconveniente es que los nodos pueden tener que procesar paquetes que no les afecten directamente. Los esquemas de direccionamiento unicast y multicast son más eficientes, y facilitan operaciones como el acuse de recibo y el reenvió, características que aumentan la Habilidad del sistema. En redes de control, es muy habitual encontrar esquemas de direccionamiento del tipo maestro-esclavo. Este tipo de esquemas permite plasmar ciertos aspectos jerárquicos del control de forma sencilla- a la vez que simplifica el funcionamiento de la red y por tanto abarata los costes de la interfaz física. La elección del medio físico afecta a aspectos tales como la velocidad de transmisión, distancia entre nodos y fiabilidad. En muchas redes de control se recurre a una mezcla de distintos medios físicos para cumplir con los requisitos de diferentes secciones al menor coste posible. Se incorporarán los routers, puentes o repetidores necesarios para asegurar el objetivo de una comunicación extremo a extremo transparente, al menor coste posible, y sin que la integración conlleve una disminución de las prestaciones. El control en tiempo real demanda de las redes de control buenos tiempos de respuesta (baja latencia). Por ejemplo, el retardo entre la detección de un objeto en una línea de montaje de alta velocidad y el arranque de una máquina de pintado puede ser del orden de decenas de milisegundos. En general, las redes de datos no necesitan una respuesta en 15

16 Estudio Situación Actual en la Industria. tiempo real cuando envían grandes conjuntos de datos a través de la red. El control de acceso al medio y el número de capas implementadas en la arquitectura de red resultan determinantes a la hora de fijar la velocidad de respuesta de la red. La implementación de las siete capas del modelo OSI implica una mayor potencia de proceso por la sobrecarga que conlleva con respecto a un sistema más sencillo que por ejemplo sólo implementase las dos primeras capas. En ocasiones, los beneficios que aportan las capas adicionales compensan la sobrecarga adicional (que implica un mayor costo), sobre todo a medida que aumenta la funcionalidad demandada de la red y mejora la tecnología disponible. Cuando la velocidad es el factor esencial, como ocurre con muchos buses de campo, el modelo puede aligerarse ya que en la mayor parte de este tipo de aplicaciones las capas de red, transporte, sesión y presentación no son necesarias, como muestra el esquema de la ilustración 8. Ilustración 8: Capas de modelo OSI/ISO y su relación con las redes de control. Otra forma de favorecer un tiempo de respuesta pequeño es la capacidad para establecer mensajes con diferentes prioridades, de forma que mensajes de alta prioridad (como por ejemplo una alarma) tengan más facilidad para acceder al medio. Por último, hay que destacar el papel que juega la seguridad de la red. Podemos destacar dos niveles diferentes de seguridad. Por una parte la protección frente a accesos no autorizados a la red, y por otra parte la protección frente a fallos del sistema y averías. El primer problema es el menos grave, ya que la mayor parte de las redes de control no están conectadas a redes externas a la fábrica. Además, en la práctica, la mayor parte de las veces, las redes pertenecientes a los escalones más bajos de la pirámide no están conectados siquiera con las redes de nivel superior dentro de la propia fábrica. En cualquier caso, los mecanismos de protección son similares a los empleados en las redes de datos: claves de usuario y autentificación de los nodos de la red. La protección frente a fallos juega un papel mucho más importante, debido a que se debe evitar a toda costa, que este hecho afecte negativamente a la planta. Por ejemplo, los 16

17 Estudio Situación Actual en la Industria. sistemas de refrigeración de una central nuclear no pueden bloquearse porque la interfaz de comunicaciones de un nodo de la red se averíe. Para ello es fundamental que los nodos puedan detectar si la red está funcionando correctamente o no, y en caso de avería puedan pasar a un algoritmo de control que mantenga la planta en un punto seguro. Si el sistema es crítico, se deben incluir equipos redundantes, que reemplacen al averiado de forma automática en caso de avería. La monitorización de la red y la capacidad de diagnóstico representan por tanto dos puntos básicos de cualquier red de control. La necesidad de buenas herramientas de mantenimiento y administración de la red son vitales. No sólo por lo dicho anteriormente sino que también porque en las redes de control las operaciones de reconfiguración y actualización de la red son frecuentes Red de Factoría: La constituyen redes de oficina que comunican departamentos contabilidadadministración, ventas, gestión de pedidos, almacén. Red de Planta. Generalmente están basadas en tecnología Ethernet y conectadas a Internet a través de un firewall para proteger la red interna de un ataque exterior. Brindan Servicios de comunicación como transferencia de ficheros y proceso de transacciones teniendo un gran volumen de información intercambiada y los tiempos de respuesta no son tan críticos Red de Planta. La función de esta capa es interconectar módulos y células de fabricación entre sí, y con departamentos como diseño o planificación. La información vinculada de esta capa es administrada y controlada por aplicaciones SCADA, ya sea en forma centralizada o distribuida según la arquitectura implementada. En estas redes el tráfico de datos es muy variable desde mensajes cortos de órdenes de ejecución hasta mensajes interactivos de terminales de operarios. Al protocolo usado en estas redes se lo denomina MAP (Manufacturing Automation Protocol). En la práctica se emplean soluciones clásicas Ethernet o Token Ring, con características especiales ya presentan menor costo y más experiencia en su implantación frente a soluciones a medida. I. Requisitos de estas redes: Manejar mensajes de cualquier tamaño. Gestión de errores de transmisión eficaces (detectar y corregir). Cubrir áreas extensas (puede llegar a varios kilómetros). Poder gestionar mensajes con prioridades. Amplio ancho de banda disponible Red de Célula: Interconectar dispositivos de control que operan en modo secuencial como por ejemplo PLC s. 17

18 Estudio Situación Actual en la Industria. I. Características deseables de estas redes: Gestionar mensajes cortos eficientemente. Capacidad de manejar tráfico de eventos discretos. Mecanismos de control de error (El protocolo de comunicaciones debe detectar y corregir errores). Posibilidad de transmitir mensaje prioritario. Bajo coste de instalación y de conexión por nodo. Recuperación rápida ante eventos anormales en la red. Alta disponibilidad (el tiempo medio entre fallos mayores que horas, para poder mejorar la disponibilidad se implementa redundancia de servicios críticos). En la práctica son redes son de Tamaño pequeño (5 a 50 dispositivos.) trabajando con Redes propietarias que resultan generalmente difíciles de ampliar a un cuando se dispone de dispositivos de control de proveedores distintos. Se emplean protocolos asíncronos (orientados al carácter) si los paquetes transferidos son del orden de Kbps o síncrono si son de mayor tamaño (Mbps). Con un tráfico de mensajes cortos para control y sincronización entre los dispositivos y ocasional transferencia de archivos. Sí bien falta de una norma de aceptación general para estas redes se las suelen encuadrar en las siguientes categorías: II. Categorías: Redes de autómatas (generalmente dependen del fabricante): por ejemplo Jnct. Jbus, Modbus, Uni-Telway. Redes locales heterogéneas: LAC-1, LAC-2. Redes normalizadas: Mini-MAP que resulta de una simplificación de MAP para poder utilizar en entornos de tiempo real, en donde, el nivel de aplicación acceda directamente al nivel de enlace del modelo OSI y PROWAY (Process Data Highway) que consiste en una topología en bus y mecanismo de acceso por paso de testigo, cuyos aspectos funcionales están orientados a su aplicación en control de procesos. Redes de propósito general: Ethernet. Los controladores actuales disponen de dispositivos configurables de manera que puedan comunicarse en alguna o varias de las categorías antes mencionadas. También existen dispositivos que permiten pasar de un protocolo a otro sin problemas, son como los Gateway de las redes de computadoras convencionales. (En la sección 5 se abarcaran ejemplos concretos de estas redes) Bus de Campo (field bus): Un bus de campo es un término genérico que describe un conjunto de redes de comunicación para uso industrial, cuyo objetivo es sustituir las conexiones punto a punto entre los elementos de campo y el equipo de control a través del tradicional bucle de corriente de 4-20mA. Típicamente son redes digitales, bidireccionales, multipunto, montadas sobre un bus serie, que conectan dispositivos de campo como PLC s, transductores, actuadores y sensores. Cada dispositivo de campo incorpora cierta capacidad de proceso, que lo convierte en un dispositivo inteligente, manteniendo siempre un costo 18

19 Estudio Situación Actual en la Industria. bajo. Cada uno de estos elementos será capaz de ejecutar funciones simples de autodiagnóstico, control o mantenimiento, así como de comunicarse bidireccionalmente a través del bus. El objetivo es reemplazar los sistemas de control centralizados por redes para control distribuido con las que mejorar la calidad del producto, reducir costes y mejorar la eficiencia. Para ello se basa en que la información que envían y/o reciben los dispositivos de campo es digital, lo que resulta mucho más preciso que si se recurre a métodos analógicos. Además, cada dispositivo de campo es un dispositivo inteligente y puede llevar a cabo funciones propias de control, mantenimiento y diagnóstico. De esta forma, cada nodo de la red puede informar en caso de fallo del dispositivo asociado, y en general sobre cualquier anomalía asociada al dispositivo. Esta monitorización permite aumentar la eficiencia del sistema y reducir la cantidad de horas de mantenimiento necesarias. La principal ventaja que ofrecen los buses de campo, y la que los hace más atractivos a los usuarios finales, es la reducción de costes. El ahorro proviene fundamentalmente de tres fuentes: ahorro en coste de instalación, ahorro en el coste de mantenimiento y ahorros derivados de la mejora del funcionamiento del sistema. Una de las principales características de los buses de campo es una significativa reducción en el cableado necesario para el control de una instalación. Cada célula de proceso sólo requiere un cable para la conexión de los diversos nodos. Se estima que puede ofrecer una reducción de 5 a 1 en los costes de cableado. En comparación con otros tipos de redes, dispone de herramientas de administración del bus que permiten la reducción del número de horas necesarias para la instalación y puesta en marcha. El hecho de que los buses de campo sean más sencillos que otras redes de uso industrial como por ejemplo MAP, hace que las necesidades de mantenimiento de la red sean menores, de modo que la confiabilidad del sistema a largo plazo aumenta. Además, los buses de campo permiten a los operadores monitorizar todos los dispositivos que integran el sistema e interpretar fácilmente las interacciones entre ellos. De esta forma, la detección de las fuentes de problemas en la planta y su corrección resulta mucho más sencilla, reduciendo los costes de mantenimiento y el tiempo de parada de la planta. Los buses de campo ofrecen mayor flexibilidad al usuario en el diseño del sistema. Algunos algoritmos y procedimientos de control que con sistemas de comunicación tradicionales debían incluirse en los propios algoritmos de control, radican ahora en los propios dispositivos de campo, simplificando el sistema de control y sus posibles ampliaciones. También hay que tener en cuenta que las prestaciones del sistema mejoran con el uso de la tecnología de los buses de campo debido a la simplificación en la forma de obtener información de la planta desde los distintos sensores. Las mediciones de los distintos elementos de la red están disponibles para todos los demás dispositivos. La simplificación en la obtención de datos permitirá el diseño de sistemas de control más eficientes. Con la tecnología de los buses de campo, se permite la comunicación bidireccional entre los dispositivos de campo y los sistemas de control, pero también entre los propios dispositivos de campo. Otra ventaja de los buses de campo es que sólo incluyen 4 capas (Física. Enlace. Aplicación y Usuario), y un conjunto de servicios de administración. El usuario no tiene que preocuparse de las capas de enlace o de aplicación. Sólo necesita saber cual es funcionalidad. Al usuario sólo se le exige tener un conocimiento mínimo de los servicios de administración de la red, ya que parte de la 19

20 Estudio Situación Actual en la Industria. información generada por dichos servicios puede ser necesaria para la reparación de averías en el sistema. De hecho, prácticamente, el usuario sólo debe preocuparse de la capa física y la capa de usuario. I. Comunicación en el Bus: Los métodos utilizados en los buses de campo para actualizar los datos de proceso o entrada/salida son: a. Strohe: Petición de información por parte del maestro (dispositivo de control) y envío desde los dispositivos esclavos (sensores - actuadores). Este método es muy eficiente para sensores. b. Polling: El maestro envía información de salida al dispositivo y éste le responde con la información de entradas. c. Cambio de estado: El dispositivo no transmite información hasta que se modifica el estado de las variables. Muy eficiente en sistemas discretos. d. Cíclico: El dispositivo envía la información a la red en un intervalo de tiempo prefijado. Además el bus de campo debe incorporar los servicios de comunicación necesarios para los procesos de configuración, programación y test del bus. II. Buses de Campo existentes: Debido a la falta de estándares, diferentes empresas han desarrollado diferentes soluciones, cada una de ellas con diferentes prestaciones y campos de aplicación. En una primera clasificación podríamos dividirlos en los siguientes grupos: i. Buses de alta velocidad y baja funcionalidad. Diseñados para integrar dispositivos simples como finales de carrera, fotocélulas, relés y actuadores simples, funcionando en aplicaciones de tiempo real, y agrupados en una pequeña zona de la planta, típicamente una máquina. Suelen especificar las capas física y de enlace del modelo OS1, es decir, señales físicas y patrones de bits de las tramas. Algunos ejemplos son: CAN: Diseñado originalmente para su aplicación en vehículos. SDS: Bus para la integración de sensores y actuadores, basado en CAN ASI: Bus serie diseñado por Siemens para la integración de sensores y actuadores. 20