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1 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INTEGRACIÓN DE UNA RED PROFIBUS EN UN SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO T E S I S C O L E C T I V A QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN P R E S E N T A N MIGUEL ELIU MARTÍNEZ RAMÍREZ RODRIGO DANIEL VÁZQUEZ TORRES A S E S O R E S DRA. BLANCA MARGARITA OCHOA GALVÁN ING. RICARDO HURTADO RANGEL MÉXICO, D.F. 2012

2 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELECTRICA UNIDAD PROFESIONAL "An~OLFOLÓPEZMATEOS" TEMA DE TESIS QUE PARA OBTENER EL TITULO DE POR LA OPCIÓN DE TITULACIÓN DEBERA(N) DESARROLLAR INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACION TESIS COLECTIVA Y EXAMEN ORAL INDIVIDUAL C. MIGUEL ELIU MARTÍNEZ RAMÍREZ C. RODRIGO DANIEL VÁZQUEZ TORRES "INTEGRACIÓN DE UNA RED PROFIBUS EN UN SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO" EXPONER LA INTEROPERABILIDAD DEL SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO FREELANCE ACSOOF DE ABB CON UN EQUIPO S7-226 DE SIEMENS A TRAVÉS DE LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA RED PROFIBUS-DP. :. MARCO CONCEPTUAL..:. HARDWARE DE LA RED PROFIBUS. :. PLANTEAMIENTO DE UN SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO INTEGRANDO UNA RED DE PROFIBUS. :. DESARROLLO DE INGENIERÍA. MÉXICO D. F., A 28 DE JUNIO DE ASESORES f. ~L,- CDJv- c,. Dll" BLANCA MARGARITA OCHOA GALVÁN p. ING. RICARDO HURTADO RANGEL JEFE Lfp.LJ/Y'.IJ INGENI

3 Ingeniería en Control y Automatización Índice Introducción... III Planteamiento del problema... V Objetivos... VII Objetivo general... VII Objetivos particulares... VII Justificación... VIII Capítulo I. Marco Conceptual Evolución de la automatización industrial Niveles de la automatización industrial Redes industriales Buses de campo PROFIBUS Capítulo II. Hardware de la Red PROFIBUS Sistema de Control Distribuido Freelance 800F de ABB Controlador Lógico Programable S Capítulo III. Planteamiento de un sistema de control distribuido integrando una red PROFIBUS Descripción del proceso Control local que gobierna el proceso de bombeo Propuesta de control distribuido para sistema de bombeo Propuesta de HMI para monitoreo y gestión del sistema de bombeo Capítulo IV. Desarrollo de Ingeniería Configuración del dispositivo esclavo S Configuración del Sistema de Control Distribuido Programación de datos a comunicar con el Sistema de Bombeo Desarrollo de HMI para monitoreo y gestión del Sistema de Bombeo Resultados de la ingeniería desarrollada Propuesta económica Conclusiones Glosario Anexo A. Programación básica con STEP 7-MicroWIN para S Anexo B. Programación en lenguaje escalera empleada en FREELANCE 800F Bibliografía II

4 Ingeniería en Control y Automatización Introducción La creciente automatización de procesos industriales ha conllevado al desarrollo de un amplio número de elementos capaces de interactuar y responder a las necesidades de los usuarios de forma rápida y concisa, elementos denominados inteligentes, basados en la operatividad de microprocesadores. Estos equipos muestran diversas aportaciones, iniciando con una fácil y rápida programación además de aumentar sus prestaciones en cuanto a capacidad de control, potencia de cálculo y facilidad de interfaz con el proceso. En la actualidad todavía se encuentran dentro de la industria lo que se denomina islas de automatización, es decir, un proceso automatizado controlado por equipos basados en microprocesadores, pero completamente independientes entre sí. La comunicación entre ellos, si bien es técnicamente posible, no se lleva a cabo en algunos casos por la variedad de protocolos y medios físicos y por la falta de compatibilidad entre los códigos y los lenguajes de cada una de las partes. La tendencia actual, es enlazar estas islas a través de sistemas de comunicación que permitan el intercambio de datos entre ellas y que sean los suficientemente abiertos para poder ser monitoreados y manipulados. Diversos procesos están conformados por equipos de distintos fabricantes, algunos de estos operan dentro de diferentes niveles de automatización, y a menudo se encuentran distanciados entre sí, sin embargo, se busca el trabajo en forma coordinada para obtener un resultado satisfactorio del proceso. El motivo principal es la comunicación totalmente integrada en el sistema. Al usuario esto le reporta la máxima flexibilidad, ya que también puede integrar sin problemas elementos de otros fabricantes a través de las interfaces de software estandarizadas. En base a la necesidad de desarrollar la posibilidad de una interconexión entre sí y con otros equipos con mayor potencia de operación y cálculo, se han conformado sistemas de control distribuido. En tales sistemas, algunos instrumentos de control se encargan de funciones específicas, situándose en los puntos más próximos al proceso pero, a su vez, se III

5 Ingeniería en Control y Automatización interconectan entre sí y al mismo tiempo cuentan con una comunicación con CPU s dedicadas a diseño, gestión y coordinación global de diversos procesos. El desarrollo del control distribuido se ha incrementado en paralelo con el de las comunicaciones industriales, que han presentado protocolos de comunicación con una mayor robustez y flexibilidad, haciendo posible la conexión de sensores, actuadores y equipos de control dentro de diversos procesos, comunicándolos con elementos dentro del mismo nivel de proceso y con el nivel superior de supervisión. Debido a las exigencias de adquisición, monitoreo y tratamiento de datos con baja latencia, se busca enlazar los niveles de proceso, controladores y supervisión empleando un sistema control distribuido; en base a lo anterior se integrará el sistema Freelance AC800F de ABB con un PLC S7-226 de SIEMENS el cual opera un sistema de bombeo. Esta integración se llevará a cabo por medio de una red de comunicación PROFIBUS la cual busca la interacción correcta y eficiente entre ambos equipos. Cabe destacar que el alcance de esta tesis no es analizar las aplicaciones del sistema Freelance AC800F ni la evaluación de una red PROFIBUS a este equipo, sino especificar el desarrollo didáctico de un ejemplo de integración de una red PROFIBUS, iniciando con la configuración del sistema distribuido Freelance AC800F para la declaración de los módulos a comunicar en base a una red PROFIBUS, de igual manera la especificación de la programación implementada dentro del módulo AC800F, y la programación del PLC S7-226 para controlar un ejemplo seleccionado, en este caso un sistema de bombeo. En base a las necesidades de interactuar y realizar el intercambio de datos entre el sistema de control distribuido AC800F se describe la realización de una HMI que nos apoyará en la visualización del inicio de proceso, detección de niveles dentro del tanque, monitoreo del arranque y paro de bombas, así como un sistema de conteo de puesta en marcha de cada bomba. IV

6 Ingeniería en Control y Automatización Planteamiento del problema La comunicación entre los instrumentos de proceso y el sistema de control se basan principalmente en señales analógicas o neumáticas, de 3 a 15 psi en las válvulas de control y eléctricas de 4 a 20 ma de corriente continua. Debido al amplio número de dispositivos auxiliares tales como PLC s, actuadores, sensores, transductores, entre otros, empleados en las grandes empresas para el control y automatización, se crea un amplio número de buses de datos, el tipo de comunicación depende en gran medida de los proveedores. Esto conlleva a encontrar una amplia diversidad de protocolos de comunicación que dificultan la interacción con algunos dispositivos de control. Muchos de los protocolos patentados para dichos equipos tienen una limitante y es que el fabricante no permite al usuario final la interoperabilidad de instrumentos, es decir, no es posible conectar a un controlador dispositivos de campo de diferentes fabricantes y operarlos de forma coexistente. Es claro que estas tecnologías cerradas tienden a desaparecer, ya que actualmente es necesaria la interoperabilidad de sistemas y aparatos y así tener la capacidad de manejar sistemas abiertos y estandarizados. En la actualidad aún coexisten en muchas industrias lo que se le llama islas automatizadas, es decir, varias partes automatizadas controladas por equipos basados en microprocesadores, pero completamente independientes entre sí. La comunicación entre ellas, si bien es técnicamente posible, no se lleva a cabo en algunos casos por la diversidad de medios físicos y protocolos empleados y, en definitiva, por la falta de compatibilidad entre los códigos y los lenguajes de cada uno de estas partes. Lo deseable y la tendencia actual, es enlazar estas islas a través de sistemas de comunicación que permitan el intercambio de datos entre ellas y que sean los suficientemente abiertos para poder enlazar los PLC s, controles numéricos, estaciones robotizadas, etc. V

7 Ingeniería en Control y Automatización En base en lo anterior se cuenta con un sistema de bombeo controlado por un PLC S7-226 que opera el accionamiento de dos bombas sumergibles, dicho proceso se encuentra aislado y las operaciones que efectúa no se encuentran monitoreadas o vigiladas por un operador, lo cual representa un riesgo para el proceso. La incorporación de un módulo de control distribuido, de un proveedor distinto a la marca que opera dicho sistema de bombeo, presenta una complicación en la integración de los equipos e interacción de los mismos, la más compleja es la falta de comunicación entre estos debido a los estándares de operación con los que cada uno cuenta. VI

8 Ingeniería en Control y Automatización Objetivos Objetivo general Exponer la interoperabilidad del sistema de control distribuido Freelance AC800F de ABB con un equipo S7-226 de SIEMENS a través de la implementación de una red PROFIBUS-DP. Objetivos particulares Categorizar los niveles de automatización industrial. Identificar los tipos de redes industriales y buses de campo. Definir las características de una red PROFIBUS. Hacer uso del sistema distribuido Freelance AC800F de ABB. Hacer uso del PLC S7-226 de SIEMENS. Analizar el funcionamiento del módulo inteligente EM277 de SIEMENS. Establecer la comunicación entre dispositivos AC800F y S Verificar que PROFIBUS cumple con el requerimiento de interoperabilidad. Operar los equipos AC800F y S7-226 de una forma coexistente. Documentar el proceso de intercambio de datos en un ejemplo seleccionado. Desarrollar una interfaz gráfica para el monitoreo y gestión del sistema. VII

9 Ingeniería en Control y Automatización Justificación Un importante número de empresas en nuestro país presentan la existencia de islas automatizadas con nula o limitada comunicación entre sí, siendo en estos casos las redes y protocolos de comunicación industrial necesarios para la transferencia e intercambio de información. El establecimiento de buses de campo simplifica la instalación y comunicación de máquinas y equipamientos industriales utilizados en procesos de producción como controladores lógicos programables, transductores, actuadores, sensores y equipos de supervisión, el intercambio entre estos puede llevarse a cabo por medio de un mecanismo estándar con una amplia flexibilidad de extensión. Con la instauración de protocolos de comunicación estándar se hace posible la comunicación entre equipos, se reducen los tiempos de paro con el diagnóstico de los dispositivos ya que algunos controladores nos proporcionan información predictiva funciones de alarmas, control y tendencias, se cubre la necesidad del bajo tiempo de latencia, fiabilidad de transmisión, transmisión simultánea de datos de E/S sin influencia mutua y un manejo sencillo entre otros. Para comprobar la interoperabilidad de un sistema de control distribuido, Freelance AC800F, se acoplará un esclavo SIEMENS S7-226 con la implementación una red de comunicación PROFIBUS, demostrando la operación coexistente entre ambos equipos y obteniendo una adquisición de datos a través de una HMI. Esta tesis presenta una aportación académica y didáctica para el desarrollo de comunicaciones industriales dentro de la institución, motivando a trabajos futuros para el estudio de otras redes de comunicación dentro del control distribuido con ayuda del módulo Freelance AC800F con el objeto de obtener criterios en la implementación de redes de comunicación. VIII

10 Capítulo I Marco Conceptual Capítulo I. Marco Conceptual 1.1 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, relevadores, temporizadores, contadores). Esto tenía el problema que los tableros de control llegaban a tener grandes tamaños según se hacían automatizaciones más complejas. Con la aparición de la electrónica en los años 50 se comienzan a utilizar los semiconductores con lo que se reduce el tamaño de los tableros de control 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 controlador lógico programable). 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). A principio de 1970 aparece el microprocesador y con las primeras computadoras digitales 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 utilizable en la industria por falta de robustez, dificultad de conexión a equipos mecánicos y dificultad de programación. 1

11 Capítulo I Marco Conceptual A mediados de los 70 los PLC incorporan el microprocesador y las memorias semiconductoras lo que permiten programar sin recablear. Además permiten realizar cálculos matemáticos y comunicar con una computadora central (computadora encargada de controlar la planta enviando órdenes a los PLC que gobiernan cada proceso). Junto con 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. En los años 90, en el ámbito de automatización industrial, surgieron los sistemas de control basado en PC. La PC tenía mucho que ofrecer, pero no suplantaría las plataformas ya probadas de control industrial, no por lo menos en la forma de una PC de escritorio. La 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 el control. Las PC s que corren en sistemas opera vos est ndares con hard are 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 que facilita las tareas de control y monitoreo, memoria compacta removible para la recolección y registro de datos, puertos seriales múltiples y conexionado mediante buses de campo para la comunicación con terceros. En la actualidad tenemos disponibles gran variedad de PLC s 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 PLC s que permitan implementaciones más complejas 2

12 Capítulo I Marco Conceptual 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 1.2 Niveles de la automatización industrial. El grado de automatización de un proceso viene determinado fundamentalmente por factores de tipo económico y tecnológico, por ellos podemos encontrar una gama muy amplia y variada, dependiendo de los objetivos a alcanzar. Nivel elemental. Se corresponde con el asignado a una máquina sencilla o parte de una máquina, asignándole tareas de vigilancia de tiempos muertos, posicionamiento de piezas y funciones de seguridad. En el nivel elemental se distinguen tres grados de automatización: Vigilancia Guía operador Mando Figura 1.1 Nivel de automatización elemental, bucle abierto. 3

13 Capítulo I Marco Conceptual El modo operación de Vigilancia se realiza en un lazo abierto (Figura 1.1) y consiste en la toma por parte del dispositivo automático de medidas a una serie de variables, procesando dicha información y emitiendo partes diarios de servicio y balances. El modo operación Guía operador consiste en una variante de la anterior de un mayor grado de elaboración, con la inclusión de tareas de asistencia mediante propuestas al operador, según criterios prefijados. Se suelen realizar en bucle abierto. El modo operación Mando consiste en la toma de información de procesamiento, toma de decisiones y ejecución sobre el proceso de acciones de control. Se corresponde con una estructura clásica de lazo cerrado como lo muestra la Figura 1.2, en esta estructura la intervención humana queda excluida salvo para tareas de supervisión. Figura 1.2 Nivel de automatización elemental, bucle cerrado. Nivel intermedio. Se corresponde con la explotación de un conjunto de máquinas elementales o bien una máquina compleja. Este ha sido el dominio clásico de la automatización industrial. Tercer nivel. Se caracterizan por ser de un proceso completo, e intervienen además del control elemental de procesos, otros aspectos tales como supervisión, optimización, gestión de mantenimiento, control de calidad y seguimiento de la producción. Para la sucesión de estos objetivos, se ha ido evolucionando desde distintas estructuras de automatización y control. 4

14 Capítulo I Marco Conceptual La Figura 1.3 muestra en forma esquemática las estructuras de control implementadas normalmente en la industria. En la misma pueden verse dos áreas bien definidas: Una la parte operativa y otra la parte de control. Figura1.3 Estructura de control implementada en la industria. 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 interface amigable y entendible para el operador. En la parte de control encontramos a los dispositivos de control (PLC s, DCP S y/o PC 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). A continuación se describirán 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. 5

15 Capítulo I Marco Conceptual Control centralizado. El sistema está constituido por una computadora, un interfaz de proceso y una estación de operación. Esta estructura se ha aplicado tanto a procesos de variable continua como a procesos de carácter secuencial, aún más esta arquitectura ha permitido realizar aplicaciones industriales con variables de tipo continuo y secuencial de forma combinada. Las ventajas y desventajas de esta arquitectura se derivan precisamente de sus características estructurales. Por una parte sus ventajas se centran en que su arquitectura facilita el flujo de información y se hace posible que los objetivos de optimización global de proceso puedan ser alcanzados. Por otra parte, sus desventajas se centran en que la fiabilidad de un sistema centralizado depende de la computadora, de forma que si dicho equipo falla, todo el sistema queda sin control. Figura 1.4 Control centralizado. Control multicapa. Se puede establecer con cierto compromiso entre las ventajas y desventajas de la arquitectura completamente centralizada conformando una variedad de control jerarquizando niveles. El nivel más bajo se constituye mediante controladores locales para el control de lazos específicos o subprocesos del sistema. Éstos se ocupan de atender a las tareas de control con restricciones temporales de carácter crítico. El nivel superior está constituido por una computadora central que supervisa y establece órdenes de consigna a los controladores 6

16 Capítulo I Marco Conceptual locales. Además, atiende a las tareas de optimización de largo alcance, de procesamiento de información global y monitorización del sistema. En caso de que la computadora central falle, el control de las variables queda garantizado. En la Figura 1.5 se observa la comunicación entre las jerarquías del control multicapa. Figura 1.5 Control multicapa. A partir de esta arquitectura de control aparece el concepto de SCADA que viene de las siglas de "Supervisory Control And Data Adquisition", es decir: adquisición de datos y control de supervisión. Se trata de una aplicación software especialmente diseñada para funcionar en computadoras empleadas en el control de producción, proporcionando comunicación con los dispositivos de campo (controladores autónomos, PLC, etc.) y controlando el proceso de forma automática desde la pantalla de la computadora. 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. En este tipo de sistemas usualmente existe una computadora que efectúa tareas de supervisión y gestión de alarmas, así como tratamiento de datos y control de procesos. La 7

17 Capítulo I Marco Conceptual comunicación se realiza mediante un bus especial o redes LAN, los cuales serán abordados más adelante para su estudio específico. Control distribuido. A diferencia de la estructura del control multicapa en el control distribuido se asumen otras consideraciones que son: Existencia de varias unidades de control y fabricación que llevan a cabo las mismas tareas. En caso de que ocurra una avería o una sobrecarga de trabajo, será posible transferir todo o parte de las tareas a otras unidades. Esta estructura introduce ventajas e inconvenientes. Por una parte la idea de poder hacer bypass a las unidades con problemas permite evitar bloqueos innecesarios del sistema, pero por otra parte exige que las diferentes islas de producción puedan tener una asignación dinámica de las tareas y por lo tanto se les va a exigir gran capacidad de acceso a la comunicación y tratamiento de la información. Además, es necesaria la existencia de los algoritmos inteligentes de detección de falla y diagnóstico. En suma, la naturaleza distribuida (Figura 1.6) contribuye a incrementar la fiabilidad del sistema, al igual que su mantenimiento, ya que los cambios locales del proceso o de sus instalaciones solamente provocan efectos locales del sistema de control. Los interfaces hombre-máquina (HMI) basados en computadora, crean el entorno apropiado para la comunicación inteligente entre el sistema de control y los operadores humanos. 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. Esto está siendo solucionado por la aparición de nuevas tecnología de comunicación de datos cada vez más potentes. 8

18 Capítulo I Marco Conceptual Figura 1.6 Control distribuido. Cuarto nivel (pirámide CIM). Coincide con el concepto de Fabricación Integrada por Computadora, CIM (Computer Integrated Manufacturing). La incorporación al entorno industrial de los avances tecnológicos proporciona un aumento de la productividad, aumento de la calidad del producto, disminución del tiempo de respuesta a cambios del mercado, reducción significativa de costos, por lo tanto las redes de comunicación permiten la incorporación de la última tecnología a la industria, integración completa del proceso productivo (desde el operario a los gestores y clientes), reducción del tiempo de puesta en funcionamiento (menos de cableado), reducción de costos por modificación del sistema productivo, automatización más robusta y controlable. 9

19 Capítulo I Marco Conceptual Por lo tanto la solución es jerarquizar los niveles de comunicación (Figura 1.7), eligiendo los niveles según sus requerimientos. Cada subsistema de un nivel debe tener comunicación directa con los subsistemas del mismo nivel y con los de los niveles inmediatamente superior e inferior, por lo tanto se adopta una Jerarquización Piramidal. Figura 1.7 Estructura piramidal CIM. 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. 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. Nivel de maquinaria/proceso. También llamado nivel de instrumentación. Está formado por los elementos de medida (sensores) y mando (actuadores) distribuidos en una línea de producción. Son los elementos 10

20 Capítulo I Marco Conceptual más directamente relacionados con el proceso productivo ya que los actuadores son los encargados de ejecutar las órdenes de los elementos de control para modificar el proceso productivo, y los sensores miden variables en el proceso de producción. Nivel de Controladores. En este nivel se sitúan los elementos capaces de gestionar los actuadores y sensores del nivel anterior tales como PLC s o equipos de aplicación específica basados en microprocesador como robots, máquinas herramienta o controladores de motor. Estos dispositivos son programables y permiten que los actuadores y sensores funcionen de forma conjunta para ser capaces de realizar el proceso industrial deseado. Los dispositivos de este nivel de control junto con los del nivel inferior de acción/sensado poseen entidad suficiente como para realizar procesos productivos por sí mismos. Es importante que posean unas buenas características de interconexión para ser enlazados con el nivel superior (supervisión), generalmente a través de buses de campo. Nivel de Supervisión. En este nivel es posible visualizar cómo se están llevando a cabo los procesos de planta, y a través de entornos SCADA (Supervisión, Control y Adquisición de Datos) poseer una imagen virtual de la planta de modo de que ésta se puede recorrer de manera detallada, o bien mediante pantallas de resumen ser capaces de disponer de un panel virtual donde se muestren las posibles alarmas, fallos o alteraciones en cualquiera de los procesos que se llevan a cabo. Nivel de Gestión. Este nivel se caracteriza por gestionar la producción completa de la empresa, comunicar distintas plantas, mantener las relaciones con los proveedores y clientes, proporcionar las consignas básicas para el diseño y la producción de la empresa, en él se emplean PC s, estaciones de trabajo y servidores de distinta índole. 11

21 Capítulo I Marco Conceptual 1.3 Redes industriales En el momento actual todavía coexisten en muchas industrias lo que se ha venido en llamar islas automatizadas, es decir, varias partes automatizadas controladas por equipos basados en microprocesadores, pero completamente independientes entre sí. La comunicación entre ellas, si bien es técnicamente posible, no se lleva a cabo en algunos casos por la diversidad de medios físicos y protocolos empleados y, en definitiva, por la falta de compatibilidad entre los códigos y los lenguajes de cada uno de estas partes. Lo deseable y la tendencia actual, es enlazar estas islas a través de redes industriales que permitan el intercambio de datos entre ellas y que sean lo suficientemente abiertas para poder enlazar los PLC s, controles numéricos, estaciones robotizadas, etc. Para introducirnos en las comunicaciones industriales se tocarán algunos términos básicos comúnmente empleados, la finalidad es establecer un vocabulario básico que nos permita tratar con propiedad el tema a lo largo del capítulo. Línea de comunicación: Este término se emplea, en general, para designar el medio físico de enlace entre dos terminales. Bus: Conjunto de conductores compartidos por dos o más sistemas digitales. Red: Conjunto de terminales que pueden intercambiar información, una red requiere unos medios físicos de enlace (hardware) y un software de soporte para poder gestionar la ocupación de la red, las rutas que debe seguir la información y para presentarla en forma inteligible para el usuario. LAN (Red de Área Local): Red local que comunica varios terminales, por lo general a corta distancia. WAN (Wide Area Network): Red de área amplia, que comunica terminales alejados, generalmente a través de líneas telefónicas o enlaces de uso público. Nodo o estación: terminal o punto de enlace de una red de rango inferior a una de rango superior. 12

22 Capítulo I Marco Conceptual Protocolo: Los protocolos de comunicaciones definen las reglas para la transmisión y recepción de la información entre los nodos de la red, de modo que para que dos nodos se puedan comunicar entre si es necesario que ambos empleen la misma configuración de protocolos. Maestro: Son estaciones activas que pueden tomar el control del bus durante una cantidad de tiempo limitada. Esclavo: los esclavos solo responden cuando son interrogados por el maestro; no controlan el bus. Una vez que se cuenta con un vocabulario esencial para comprender el tema podemos decir que las redes de comunicaciones industriales deben su origen a la fundación FieldBus (Redes de campo). La fundación FieldBus desarrolló un nuevo protocolo de comunicación, para la medición y control de procesos donde todos los instrumentos puedan comunicarse en una misma plataforma (Figura 1.8). FieldBus permite disponer de una nueva tecnología para una nueva generación de sistemas de control y automatización, físicamente más simple, donde toda la rutina de control regulatorio y control lógico, es efectuado por dispositivos de campo, posibilitando además una arquitectura abierta donde cualquier fabricante de equipos de instrumentación pueda integrarse a la red de campo existen en una fábrica o empresa. Figura1.8 Red industrial en concepto CIM. 13

23 Capítulo I Marco Conceptual Las ventajas de las Comunicaciones. Las prestaciones globales de una planta automatizada con PLC y otros sistemas de control digitales, pueden verse enormemente aumentadas si se comunican con otros sistemas de captación y presentación de datos o incluso con computadoras de proceso y gestión. Las ventajas de enlazar los sistemas son: Posibilidad de intercambio de información entre PLC s que controlan fases sucesivas de un mismo proceso global. Facilidad de comunicación hombre-máquina. El sistema admite la observación y la intervención del operador humano en forma interactiva a través de un terminal de teclado y pantalla. Adquisición de datos de sensores y procesamiento de los mismos con vistas a control de calidad, gestión, estadística u otros pronósticos. Facilidad de cambios para adaptarse a la evolución y a la diversificación de los productos. Clasificación de las redes industriales. Las redes de equipos son clasificadas por el tipo de equipamiento conectado a ellas y el tipo de datos que por ella trafica. Los datos pueden ser bit, bytes o bloques. Las redes con datos en forma de bits transmiten señales discretas contando simples estados ON/OFF. Las redes con datos en formato byte pueden contener paquetes de informaciones discretas y/o analógicas; las redes con datos en formato de bloques son capaces de transmitir paquetes de información de varios tamaños. De acuerdo a lo anterior la Figura 1.9 muestra cómo se clasifican las redes en base al tipo de control contra el tipo de dispositivos: 14

24 Capítulo I Marco Conceptual Tipo de Control Procesos de Control Fieldbus Control Lógico Sensorbus AS-i INTERBUS-LOOP Bit Devicebus DeviceNet Profibus DP LONWorks INTERBUS-S Byte FF HART Profibus PA Bloque Tipo de Dispositivos Dispositivos simples Dispositivos Inteligentes Figura 1.9 Clasificación de las redes industriales. Sensorbus. Conecta equipos simples y pequeños directamente a la red. Los equipos de este tipo de red necesitan de comunicación rápida en niveles discretos y son típicamente sensores y actuadores de bajo costo. Esta red no pretende cubrir grandes distancias y su principal función es mantener tan bajos los costos como sea posible. Ejemplos típicos de Sensorbus incluyen AS-i e INTERBUS-LOOP Devicebus. Cubre un espacio entre Sensorbus y Fieldbus. Los equipos conectados a esta red tendrán más puntos discretos, analógicos o una mezcla de ambos. Algunas de estas redes permiten transferencia de bloques de datos aunque a una menor prioridad, los datos son en forma de byte, esta red tiene menos requisitos en la transferencia de datos que Sensorbus, pero consigue administrar más equipos y datos. Algunos ejemplos de las redes Devicebus son DeviceNet, PROFIBUS DP, LONWorks e INTERBUS-S. 15

25 Capítulo I Marco Conceptual Fieldbus. Las redes Fieldbus interconectan equipos de I/O más inteligentes y pueden cubrir distancias mayores. Los equipos en la red poseen inteligencia para poder desempeñar funciones específicas de control como lazos PID, controles de flujo y otros procesos. Los tiempos de transferencia pueden ser largos y la red es capaz de comunicarse por varios tipos de datos (discreto, analógico, parámetros, programas e información de usuario), como muestra de este tipo de red tenemos Fieldbus Fundation, PROFIBUS PA y HART. Topologías de red. Se entiende por topología de una red la disposición física de los distintos terminales que la componen y la forma en que se encuentran enlazados por el medio físico. Topología Punto a Punto. Topología en la que intervienen sólo dos terminales o sistemas digitales, uno a cada extremo de la comunicación, un ejemplo de ella lo muestra la Figura 1.10 que ilustra la comunicación PC-PLC. Figura 1.10 Topología Punto a Punto. Topología Multipunto. Se denominan redes multipunto (Figura 1.11) aquellas en las cuales cada canal de datos se puede usar para comunicarse con diversos nodos. En una red multipunto solo existe una línea de comunicación cuyo uso esta compartido por todas las terminales en la red. La información fluye de forma bidireccional y es discernible para todas las terminales de la red. En este tipo de redes las terminales compiten por el uso del medio (línea) de forma que el primero que lo encuentra disponible lo utiliza, aunque también puede negociar su uso. 16

26 Capítulo I Marco Conceptual Figura 1.11 Topología Multipunto. Topología en Anillo. En esta topología las estaciones están conectadas en forma de lazo cerrado. En la Figura 1.12 se observa cómo cada estación tiene conexión con otras dos y los datos circulan en una única dirección, de forma que cada estación recoge los datos de la anterior, comprueba si es ella la destinataria y, en caso contrario, los retransmite a la siguiente estación. Figura 1.12 Topología Anillo. Topología Estrella. En esta topología todas las estaciones están conectadas a un nodo central (observe Figura 1.13), dicho nodo sirve de punto de enlace con todos los nodos periféricos. Por el nodo central pasan todos los datos, incluso aquellos que se intercambian entre estaciones periféricas. Es frecuente que la estación central esté configurada como maestra. Figura 1.13 Topología Estrella. 17

27 Capítulo I Marco Conceptual Modelo OSI. Resulta difícil la aplicación de las redes industriales para unificar un sistema que integre productos diversos y de distintos fabricantes, con distintas funciones, lenguajes, protocolos y prestaciones puesto que no existe una norma de aceptación general. Para que sea posible la integración de distintos sistemas digitales en una misma red es necesario que todos ellos estén construidos bajo unos ciertos criterios de normalización. Las normas en este campo consisten en una serie de reglas marco, de aceptación general, suficientemente abiertas para dar cabida a todas las aplicaciones actuales y prever la integración de otras en el futuro. Uno de los organismos que se ha ocupado de la normalización y que han conseguido una mayor aceptación internacional en lo concerniente al tema de las redes de comunicación digitales es la Organización Internacional de Normalización (ISO por sus siglas en inglés). Este organismo ha desarrollado la norma marco más general, denominada Modelo OSI (Open Systems Interconnection), pensada para abarcar desde pequeñas redes locales hasta las redes de área amplia. En general, puede decirse que todos los Organismos de Normalización adoptan como norma marco el modelo OSI y todas las normas de detalle que van surgiéndose desarrollan basándose en dicho modelo. Las recomendaciones de OSI no son normas concretas, sino más bien unas reglas genéricas, cuyo mayor mérito ha sido el de subdividir el conjunto de tareas de comunicación en siete niveles, asignando a cada uno ciertas funciones. La característica esencial del modelo es que permite que cada nivel se ocupe de unas tareas y utilice los servicios de los niveles inferiores sin necesidad de preocuparse en cómo funcionan. Lo que pretende el modelo OSI es subdividir las tareas del proceso de dialogo a través de máquinas digitales. Una parte de dichas tareas del sistema de comunicación va dirigida a dar soporte al usuario (niveles 7, 6 y 5), y otra parte a dirigida a facilitar el flujo e información digital entre terminales y/o máquinas (niveles 4, 3, 2, y 1). El modelo establece una clara diferencia entre ambos grupos de funciones y subdivide cada uno de ellos en varios niveles (observe Figura 1.14). 18

28 Tareas de enlace y transporte Tareas de soporte al usuario Capítulo I Marco Conceptual 7 Aplicación 6 Presentación 5 Sesión 4 Transporte 3 Red 2 Enlace 1 Físico Figura 1.14 Modelo OSI. Capa de aplicación. La capa de aplicación proporciona la interfaz y servicios que soportan las aplicaciones de usuario. También se encarga de ofrecer acceso general a la red. Esta capa suministra las herramientas que el usuario, de hecho, ve. También ofrece los servicios de red relacionados con estas aplicaciones de usuario, como la gestión de mensajes, transferencia de archivos y las consultas a bases de datos. La capa de aplicación suministra cada uno de estos servicios a los distintos programas de aplicación con los que cuenta el usuario en su computadora. Capa de presentación. Se encarga de facilitar la comunicación, a nivel de lenguaje y formato de presentación, entre el usuario y la máquina digital que le va a permitir el acceso a la red. La capa de presentación puede considerarse el traductor del modelo OSI. Esta capa toma los paquetes (la creación del paquete para la transmisión de los datos por la red empieza en realidad en la capa de aplicación) de la capa de aplicación y los convierte a un formato genérico que pueden leer todas las computadoras. Por ejemplo, los datos escritos en caracteres ASCII se traducirán a un formato más básico y genérico. 19

29 Capítulo I Marco Conceptual La capa de presentación también se encarga de cifrar los datos (si así lo requiere la aplicación utilizada en la capa de aplicación) así como de comprimirlos para reducir su tamaño. El paquete que crea la capa de presentación contiene los datos prácticamente con el formato con el que viajarán por las restantes capas de la pila OSI (aunque las capas siguientes irán añadiendo elementos al paquete, lo cual puede dividir los datos en paquetes más pequeños). Capa de sesión. La capa de sesión es la encargada de establecer el enlace de comunicación o sesión entre las computadoras emisora y receptora. Esta capa también gestiona la sesión que se establece entra ambos nodos. En un dialogo interactivo, las tareas encargadas a este nivel consisten en controlar la comunicación, arbitrando en cada instante quien debe transmitir y quien debe recibir. En particular, se encarga también de señalar el inicio y el final de la comunicación. Una vez establecida la sesión entre los nodos participantes, la capa de sesión pasa a encargarse de ubicar puntos de control en la secuencia de datos. De esta forma, se proporciona cierta tolerancia a fallos dentro de la sesión de comunicación. Si una sesión falla y se pierde la comunicación entre los nodos, cuando después se restablezca la sesión sólo tendrán que volver a enviarse los datos situados detrás del último punto de control recibido, Así se evita el tener que enviar de nuevo todos los paquetes que incluía la sesión. Figura 1.15 La capa de sesión proporciona el enlace de comunicación entre dos computadoras. 20

30 Capítulo I Marco Conceptual Capa de transporte. Este nivel es el responsable de establecer un medio de comunicación y garantizar la transferencia de información sin errores en ambos sentidos. Apoyándose en los niveles inferiores, actúa como un gestor capaz de interpretar las direcciones, fraccionar, si es preciso, los paquetes muy largos y llevar los mensajes a su destino correcto, sin precisar cuál va a ser la ruta o los medios utilizados para ello. Básicamente se encarga de controlar el flujo de datos entre los nodos que establecen una comunicación; los datos no sólo deben entregarse sin errores, sino además en la secuencia que proceda. La capa de transporte se ocupa también de evaluar el tamaño de los paquetes con el fin de que éstos tengan el tamaño requerido por las capas inferiores del conjunto de protocolos. El tamaño de los paquetes lo dicta la arquitectura de red que se utilice. Capa de red. Se encarga del encaminamiento y entrega de mensajes entre nodo y nodo, través de un medio físico, sin importarle cuál sea dicho medio ni el contenido del mensaje. La determinación de la ruta que deben seguir los datos se produce en esta capa, lo mismo que el intercambio efectivo de los mismos dentro de dicha ruta. La Capa 3 es donde las direcciones lógicas (como las direcciones IP de una computadora de red) pasan a convertirse en direcciones físicas (las direcciones de hardware de la NIC, la Tarjeta de Interfaz para Red, para esa computadora específica). Capa de enlace de datos. El nivel de enlace es el responsable de mantener la comunicación entre cada par de nodos de la red, apoyándose para ello en un medio físico de conexión. Cuando los paquetes de datos llegan a la capa de enlace de datos, éstos pasan a ubicarse en tramas (unidades de datos), que vienen definidas por la arquitectura de red que se está utilizando (como Ethernet, Token Ring, etc.). Capa física. El nivel físico se encarga de disponer de los medios materiales que garantizan el enlace entre nodos (cables, fibra óptica, módems, etc.) y que ambos se entiendan a nivel de interpretar los unos y ceros 21

31 Capítulo I Marco Conceptual de la comunicación digital (codificación de bits por niveles de tensión, por tonos de frecuencia, etc.). Obsérvese que el nivel físico solo entiende de unos y ceros, sin importarle que representen. El modelo OSI fue originariamente diseñado para redes WAN, pero las comunicaciones en el entorno industrial suelen basarse en redes más reducidas del tipo LAN, estas redes y otras de menor envergadura quedan incluidas y se adaptan a la estructura, usándola parcialmente y dejando el sistema abierto a la conexión con niveles superiores. Así, las redes de comunicación industriales se estructuran como redes de tipo local de bajo nivel, denominadas también buses de campo y suelen utilizar sólo los niveles 1, 2 y 7 empleando sólo las funciones imprescindibles del modelo OSI (OSI incompleto): No se implementan los niveles de RED (3), TRANSPORTE (4) y SESION (5), puesto que son redes de uso exclusivo y esos servicios están gestionados desde el ENLACE (2). El nivel de PRESENTACION (6) suele no ser utilizado dentro de redes de dispositivos homogéneos o normalizados, funciones asumidas por el nivel de APLICACIÓN (7). Figura 1.16 Modelo OSI más utilizado. 22

32 Capítulo I Marco Conceptual 1.4 Buses de campo. Típicamente son redes digitales, bidireccionales, multipunto, montadas sobre un bus serie, que conectan dispositivos de campo como PLCs/PACs, transductores, actuadores y sensores. Cada dispositivo de campo incorpora cierta capacidad de proceso, que lo convierte en un dispositivo inteligente, manteniendo siempre un costo bajo. Cada uno de estos elementos será capaz de ejecutar funciones simples de diagnóstico, control o mantenimiento, así como de comunicarse bidireccionalmente a través del bus. Las comunicaciones entre los instrumentos de proceso y el sistema de control se basan principalmente en señales analógicas (neumáticas de 3 a 15 psi en las válvulas de control y electrónicas de 4 a 20 ma). Pero ya existen instrumentos digitales capaces de manejar gran cantidad de datos y guardarlos históricamente; su precisión es diez veces mayor que la de la señal típica de 4-20 ma. En vez de transmitir cada variable por un par de hilos, transmiten secuencialmente las variables por medio de un cable de comunicaciones llamado bus. La tecnología Fieldbus (bus de campo) es un protocolo de comunicaciones digital de alta velocidad en transferencia de datos creado para remplazar la clásica señal de 4-20 ma que aún se utiliza en muchos de los sistemas DCS (Sistema de Control Distribuido) y PLC, instrumentos de medida y transmisión y válvulas de control. La arquitectura Fieldbus conecta estos instrumentos con computadores que se usan en diferentes niveles de coordinación y dirección de la planta. Muchos de los protocolos patentados para dichas aplicaciones tienen una limitante y es que el fabricante no permite al usuario final la interoperabilidad de instrumentos, es decir, no es posible intercambiar los instrumentos de un fabricante por otro similar. Normalmente son sistemas abiertos (Buses DeviceNet, WorldFip, Fundation Fieldbus, Modbus, Interbus y PROFIBUS). Es claro que estas tecnologías cerradas tienden a desaparecer, ya que actualmente es necesaria la interoperabilidad de sistemas y aparatos y así tener la capacidad de manejar sistemas abiertos y estandarizados. 23

33 Capítulo I Marco Conceptual Ventajas de un bus de campo. El intercambio puede llevarse a cabo por medio de un mecanismo estándar. Flexibilidad de extensión. Conexión de módulos diferentes en una misma línea. Distancias operativas superiores al cableado tradicional. Reducción masiva de cables y costo asociado. Baja latencia. Mejor calidad y cantidad en el flujo de datos. Reducción de errores en la instalación. Reducción del número de terminales y cajas de conexión. Sistema abierto. Desventajas de un bus de campo. Necesidad de conocimientos superiores. Inversión de instrumentación y accesorios de diagnóstico. Costos globales inicialmente superiores. Buses de alta velocidad y baja funcionalidad. Están diseñados para dispositivos simples como relevadores, fotoceldas, sensores infrarrojos, triacs entre otros, agrupados en una pequeña zona de la planta o en una sola máquina. CAN AS-i Buses de alta velocidad y funcionalidad Mediana. Son diseñados para controlar dispositivos de campo complejos. DeviceNet LONWorks BitBus 24

34 Capítulo I Marco Conceptual Buses para áreas de seguridad intrínseca. Incluyen modificaciones en la capa física para cumplir con los requisitos específicos de seguridad intrínseca en ambientes con atmósferas explosivas. La seguridad intrínseca es un tipo de protección por la que el componente en cuestión no tiene posibilidad de provocar una explosión en la atmósfera circundante. Un circuito eléctrico o una parte de un circuito tienen seguridad intrínseca, cuando alguna chispa o efecto térmico en este circuito producidos en las condiciones de prueba establecidas por un estándar no puede ocasionar una ignición. Algunos ejemplos son HART, PROFIBUS PA o WorldFIP. Buses estandarizados. Interbus CANOpen MODBUS Industrial Ethernet ControlNet Buses de altas prestaciones. Son buses que soportan cualquier tipo de dispositivo de campo, aunque son buses de alta velocidad, algunos presentan problemas debido a la sobrecarga de operaciones. WorldFIP FieldBus Foundation PROFIBUS 1.5 PROFIBUS. Inicios. En el año 1987, las firmas alemanas Bosch, Klöckner Möeller y Siemens iniciaron un proyecto de desarrollo de una arquitectura de comunicaciones industriales que permitiera la interconexión de equipos de distintos fabricantes. Esta fue la base de un grupo de trabajo al 25

35 Capítulo I Marco Conceptual que se integraron otras grandes empresas tales como ABB, AEG, Landis&Gir, etc., algunas universidades y organizaciones técnicas estatales, entre ellas la propia VDE y el Ministerio Federal de Investigación Alemán. Se formaron varios grupos de trabajo en distintas áreas, cuya tarea esencial fue la de desarrollar un sistema abierto de comunicaciones apto para integrar desde los sencillos transductores y elementos de campo, pasando por los PLC s y controles numéricos hasta llegar al nivel de las minicomputadoras para diseño y gestión de la producción. A partir del año 1990 se abrió la posibilidad para cualquier usuario o empresa de integrarse en un consorcio denominado PROFIBUS Nutzerorganisation, que a través de diversos comités sigue desarrollando y dando soporte al nivel de aplicación y certificación de productos. PROFIBUS en la actualidad. PROFIBUS es actualmente uno de los líderes de los sistemas basados en buses de campo en Europa y goza de una aceptación mundial. Sus áreas de aplicación incluyen manufacturación, automatización y generación de procesos. PROFIBUS es un bus de campo normalizado internacionalmente que fue estandarizado bajo la norma EN Esto asegura una protección óptima tanto a los clientes como a los vendedores y asegura la independencia de estos últimos. Los componentes de distintos fabricantes pueden comunicarse sin necesidad de ajustes especiales de interfaces. Los requisitos para el bus de campo son muy variados. Para la automatización de los procesos industriales que se desarrollan generalmente en entornos agresivos, con peligro para la salud o de explosión, tienen gran importancia la conexión directa de dispositivos con seguridad intrínseca y su alimentación a través del medio de comunicación, así como el elevado contenido informativo de la comunicación. En comparación, en las aplicaciones de la industria de fabricación tienen prioridad la velocidad y el determinismo. PROFIBUS es actualmente el único bus de campo del mundo que cumple estos requisitos. Este bus de campo es el único capacitado para interconectar áreas de producción industriales 26

36 Capítulo I Marco Conceptual de forma homogénea, gracias a las tecnologías de transmisión complementarias, a un perfil de comunicación unificado y a los perfiles aditivos de aplicación para funcionalidades típicas de dispositivos. Una arquitectura de bus de campo con una homogeneidad de este tipo presenta ventajas enormes en lo que a los gastos se refiere. Principalmente se trata de una reducción de gastos para el diseño, el montaje y el cableado, pero también para la planificación, la ingeniería, la puesta en marcha y la prueba, así como la documentación y la formación. La ventaja más valorada es el ahorro de gastos a largo plazo, que se puede obtener mediante la gestión eficiente de activos en el mantenimiento y en el funcionamiento a largo plazo. Variantes de PROFIBUS. PROFIBUS puede ser usado para transmisión crítica en el tiempo de datos a alta velocidad y para tareas de comunicación extensas y complejas, por estas razones todos los fabricantes líderes en tecnología de automatización, ofrecen interfaces PROFIBUS para sus dispositivos. Esta versatilidad viene dada por las tres versiones compatibles que componen la familia PROFIBUS: PROFIBUS PA: Diseñado para automatización de procesos, permite la conexión de sensores y actuadores a una línea de bus común incluso en áreas especialmente protegidas, aunado a esto permite la comunicación de datos y energía en el mismo bus (norma IEC ) PROFIBUS DP: Optimizado para alta velocidad, conexiones sencillas y baratas. Esta variante es diseñada especialmente para la comunicación entre los sistemas de control de automatismos y de E/S distribuidas. PROFIBUS FMS: Solución general para tareas de comunicación a nivel de célula, gran rango de aplicaciones y flexibilidad, aunado a esto se tiene la posibilidad de uso en tareas de comunicaciones complejas y extensas. 27

37 Capítulo I Marco Conceptual Puede decirse que PROFIBUS ha conseguido definir toda una red de comunicación industrial, desde el nivel físico hasta el de aplicación, esto puede observarse en la Figura 1.17: Nivel Fábrica Tiempo de ciclo <1000 ms Área del controlador Nivel Célula Tiempo de ciclo <100 ms Nivel Campo Tiempo de ciclo <10 ms Figura 1.17 Red de comunicación industrial PROFIBUS. Medio físico. Estructura de la red. La tecnología de transmisión más usada es la RS-485. Su área de aplicación comprende aquellas aplicaciones donde se requiere su simplicidad, velocidad de transmisión y lo barato de la instalación. Se usa un par diferencial con cable trenzado aunque también puede implementarse con fibra óptica y enlaces con estaciones remotas vía módem o vía radio. La velocidad de transmisión varía entre 9.6Kbits/s y 12Mbits/s, dependiendo del medio físico, como se indica en la Tabla 1.1: 28

38 Capítulo I Marco Conceptual Tabla 1.1 Velocidad de transmisión de PROFIBUS según el medio físico. Elementos del bus. El elemento esencial del bus es el nodo, PROFIBUS prevé la existencia de dos tipos de nodos: Activos: son nodos que pueden actuar como maestro del bus, tomando enteramente el control del bus. Pasivos: son nodos que únicamente pueden actuar como esclavos y, por tanto, no tienen capacidad para controlar el bus. Estos nodos pueden dialogar con los nodos activos mediante un simple mecanismo de pregunta-respuesta, pero no pueden dialogar directamente entre sí. Aparte de estos dos tipos de nodos, existen otros dos bloques esenciales en la arquitectura del bus: Expansiones E/S: este tipo de bloques constituyen la interfaz con las señales de proceso y pueden estar integrados tanto en un nodo activo como en un nodo pasivo. Repetidores: los repetidores ejecutan el papel de simples transceptores bidireccionables para regenerar la señal. Topología. La topología puede ser simplemente en forma de bus lineal o en forma de árbol, en el que los repetidores constituyen el nudo de partida de una expansión del bus, esta topología puede observarse en la Figura

39 Capítulo I Marco Conceptual Figura 1.18 Ejemplo de una red línea/árbol. El número máximo de nodos conectables a cada tramo del bus, sin necesidad de repetidores es de 32. A efectos de esta limitación los propios repetidores cuentan como un nodo. El número máximo de nodos del bus es de 127, de los cuales un máximo de 32 pueden ser nodos activos. Estructura lógica. La estructura lógica es de tipo híbrido: las estaciones activas comparten una estructura de maestro flotante, relevándose en el papel de maestro mediante paso de testigo. Las estaciones pasivas sólo pueden ejercer el papel de esclavos, sea cual sea el maestro activo en cada momento. La Figura 1.19 ilustra esta estructura. 30

40 Capítulo I Marco Conceptual Figura 1.19 Estructura lógica de PROFIBUS. Naturalmente esta estructura admite la posibilidad de que exista un solo nodo activo en el bus, con lo que se convertiría en un bus con una estructura del tipo maestro- esclavo. Cabe señalar que cuando una estación activa posee el testigo, considera a todas las demás como esclavos, incluyendo también al resto de estaciones activas que no poseen el testigo en aquel momento. Tecnología de transmisión. Como es imposible satisfacer todos los requerimientos con una tecnología de transmisión sencilla, PROFIBUS aprovecha 3 variaciones: 1.- RS-485 (Transmisión para DP/FMS). Es la transmisión más frecuentemente utilizada por PROFIBUS. Su área de aplicación incluye todas las áreas en las que se requieren alta velocidad de transmisión y una instalación sencilla. Tiene la ventaja de que posibles ampliaciones no influyen en las estaciones que se encuentran ya en operación. Algunas de sus características son: Velocidad de transmisión de 9.6 Kbit/s a 12 Mbit/s. Se seleccionará una para todos los dispositivos. 31

41 Capítulo I Marco Conceptual Red con topología bus, con par trenzado. Conexión máxima de 32 estaciones sin repetidor (127 con repetidor). Longitud máxima del cable dependiente de la velocidad de transmisión. Tabla 1.2 Distancias basadas en la velocidad de transmisión utilizando RS-485. Generalmente en este tipo de transmisión se utiliza preferente el conector 9 pin Sub D, este conector es ilustrado en la Figura 1.20 Figura 1.20 Conector 9 pin Sub D para RS-485. Terminadores de bus. Cuando se utiliza esta tecnología de transmisión en PROFIBUS DP/FMS la instalación requiere de un terminador en cada extremo del bus. Según la norma este terminador debe ser activo. Esto es, no basta una resistencia terminal, sino que se trata de un arreglo de resistencias que están energizadas. El objetivo de estos terminadores es garantizar un voltaje de referencia en estado inactivo del bus, es decir, sin mensajes, y minimizar las reflexiones de línea. Generalmente uno de los extremos de la red es el maestro PROFIBUS DP, y en ese caso proporcionará uno de los terminadores activos. 32

42 Capítulo I Marco Conceptual El otro extremo del bus tiene dos alternativas. Que el terminador activo sea provisto por el último nodo de la red, o que sea provisto por un terminador externo. La primera opción es muy simple, pero tiene el inconveniente de que si se requiere desenergizar el nodo, se perderá la función del terminador activo, comprometiendo con ello la integridad de toda la red. Por ello, puede ser preferible tener la resistencia activa en forma separada, de tal modo de mantenerla siempre energizada. En el caso de PROFIBUS PA los terminadores de bus son pasivos, es decir, sólo resistencia. 2.- IEC (Transmisión PROFIBUS PA). La tecnología de transmisión IEC cumple los requerimientos de las industrias químicas y petroquímicas. Posee una seguridad intrínseca y permite a los dispositivos de campo ser conectados al bus, es una tecnología principalmente usada por PROFIBUS PA. La transmisión se basa en los siguientes principios: Cada segmento tiene sólo una fuente de energía. No se produce ningún tipo de alimentación cuando una estación está enviando datos. Los dispositivos actúan como caidas de corriente. Se permiten redes con topología bus, árbol y estrella. Para incrementar la fiabilidad, se pueden diseñar segmentos de bus redundantes. Las características más importantes de este tipo de transmisión son: Transmisión de datos digital asíncrona. Velocidad de transmisión kbit/s. Seguridad de los datos: prueba de error al principio y al final. Cable de dos líneas trenzadas. Opción de alimentación a distancia. 33

43 Capítulo I Marco Conceptual Conexión de 32 estaciones por segmento (máximo de 126 con repetidor). Posibilidad de expansión hasta a 4 repetidores. 3.- Fibra óptica. Los conductores por fibra óptica pueden ser usados para aplicaciones PROFIBUS en ambientes con interferencias electromagnéticas muy altas y para incrementar la distancia máxima con velocidades elevadas. Hay disponibles dos tipos de conductores. Los conductores por fibra óptica (plástico) para distancias de 50 m o los conductores por fibra óptica (cuarzo) para distancias de 1Km. Arquitectura del protocolo. PROFIBUS está basado en normas internacionalmente reconocidas. La arquitectura protocolar está orientada al sistema OSI. En este modelo cada capa de la transmisión realiza tareas definidas de forma precisa, a continuación se muestran las capas del modelo OSI empleadas (Figura 1.21): Figura 1.21 Arquitectura del protocolo según el modelo OSI. La Capa 1 o Capa física define las características de la transmisión. 34

44 Capítulo I Marco Conceptual La Capa 2 o Capa de Enlace (FDL Fieldbus Data Link) define el protocolo de acceso al bus y se encarga de establecer el orden de circulación del testigo una vez inicializado el bus, adjudicando el testigo en el arranque, en caso de pérdida del mismo, o en caso de adición o eliminación de estaciones activas. La Capa 7 o Capa de aplicación define las funciones de aplicación. PROFIBUS DP: Usa las capas 1 y 2 y el interface de usuario, mientras que no define de las capas 3 a 6. Asegura una transmisión de datos rápida y eficiente. Se permite una comunicación RS-485 o por fibra óptica. PROFIBUS FMS: Define las capas 1, 2 y 7. FMS contiene el protocolo de aplicación y proporciona al usuario una amplia selección de potentes servicios de comunicación. La capa 2 (capa de unión de datos) ofrece el control de acceso al bus y garantiza la seguridad de los datos. PROFIBUS PA: Utiliza el protocolo DP extendido para la transmisión de datos. Usa un indicador que define el comportamiento de los dispositivos de campo. La tecnología de transmisión permite un alto grado de seguridad y deja que los elementos de campo sean conectados al bus. Pueden ser integrados de una forma fácil en redes de trabajo PROFIBUS DP. Mensajes cíclicos y acíclicos. Estos dos tipos de mensajes son los que ofrece como básicos el protocolo estudiado. Las características que presentan son: 35

45 Capítulo I Marco Conceptual Mensajes cíclicos: Estos mensajes permiten el intercambio de datos de baja prioridad y por tanto no críticos en cuanto tiempo de respuesta. Los servicios disponibles son los siguientes: SDN (Send Data with No acknowledge): Envío de datos sin acuse, mensajes de difusión (de Maestro a todos los esclavos). SDA (Send Data with Acknowledge): Envío de datos con acuse, mensaje punto a punto cuya función es enviar datos o funciones de control del Maestro a uno de los esclavos. RDR (Request Data with Reply): Respuesta de datos solicitados, mensajes punto a punto cuya función es la de solicitar datos a uno de los esclavos. SRD (Send and Request Data): Envío y recepción de datos, mensajes punto a punto que permiten enviar datos y recibir datos de un esclavo. La respuesta a uno de estos mensajes está condicionada por el tiempo total de ciclo del testigo entre todos los nodos activos. Mensajes acíclicos: Estos mensajes permiten acortar el tiempo de respuesta de los datos críticos. A cada turno de Maestro se puede enviar un mensaje de difusión conteniendo los valores críticos de todos los esclavos. La lista de estos valores es conocida por todas las estaciones maestras en una tabla. Los mensajes pueden ser de 2 tipos: CRDR (Cyclic Request Data with Reply), respuesta cíclica de datos solicitados. CSRD (Cyclic Send and Request Data), envío y recepción de datos cíclico. Gestión de dispositivos con GSD y EDD. La inteligencia de los dispositivos de campo y los componentes de periferia descentralizada ha crecido enormemente. Hoy en día tales dispositivos ofrecen funciones e informaciones hasta ahora reservadas a los controladores. Para poder comunicarse entre sí, las herramientas de ingeniería, parametrización, puesta en marcha, diagnóstico, gestión de activos y mantenimiento y los controladores necesitan una descripción exacta y completa de datos y funciones específicos de los dispositivos como: tipo 36

46 Capítulo I Marco Conceptual de función de aplicación, parámetros de configuración, unidades de medida, valores límite y valores predeterminados, rangos de valores entre otros. El fabricante del dispositivo ofrece esta descripción de la forma siguiente: Archivo de datos maestros de dispositivo (GSD) para el intercambio cíclico de datos entre el maestro y los esclavos PROFIBUS Electronic Device Description (EDD) con propiedades normalizadas y no propietarias para fines de parametrización, diagnóstico y observación de valores medidos acíclicos. Archivo de datos maestros de dispositivo GSD. El GSD es un archivo de textos ASCII que describe las características de comunicación generales y específicas de un dispositivo PROFIBUS con ayuda de palabras clave obligatorias y opcionales. Números de identificación de fabricante y perfil incrementan la seguridad de configuración y simplifican la intercambiabilidad de los dispositivos. El archivo GSD describe todos los parámetros importantes para la comunicación cíclica. Electronic Device Description EDD. Para las tareas típicas de comunicación acíclica, el EDD entregado por el fabricante del dispositivo en base al potente lenguaje descriptivo EDDL (Electronic Device Description Language) ofrece las informaciones necesarias. El EDD es aplicable tanto para dispositivos simples como complejos. Estas tareas son, entre otras: ingeniería, puesta en marcha, diagnóstico, observación de valores medidos, gestión de activos y documentación. 37

47 Capítulo I Marco Conceptual Figura 1.22 Gestión de dispositivos en PROFIBUS. Interoperabilidad e intercambiabilidad. Interoperabilidad. La interoperabilidad de PROFIBUS permite al usuario conectar a un controlador dispositivos de campo de diferentes fabricantes y operarlos de forma coexistente. La base para ello son las descripciones de dispositivos GSD y EDD. Al configurar el bus utilizando el sistema de ingeniería los parámetros de comunicación para el maestro PROFIBUS se generan en base al archivo GSD. Dichos parámetros determinan las propiedades y el repertorio funcional de la comunicación cíclica entre maestro y esclavo. En base al EDD entregado por el fabricante del dispositivo es posible, con ayuda de una herramienta de ingeniería adecuada, definir los parámetros específicos del dispositivo para la comunicación acíclica como las funciones de parametrización, diagnóstico y observación de valores medidos. En la Figura 1.23 se observa un ejemplo de interoperabilidad. 38

48 Capítulo I Marco Conceptual Figura 1.23 Interoperabilidad en PROFIBUS-DP. Intercambiabilidad. El maestro PROFIBUS reconoce el fabricante y el perfil PA de los dispositivos conectados a PROFIBUS así como su número de identificación GSD. El "perfil PA" no propietario permite reemplazar dispositivos PROFIBUS pertenecientes a una familia de perfil simplemente por dispositivos comparables de otros fabricantes. Tales perfiles PA universales están disponibles para, por mencionar algunos, dispositivos contadores, dispositivos para medir presiones, caudales o niveles, posicionadores, analizadores, dispositivos de E/S digitales y dispositivos multivariable. 39

49 Capítulo I Marco Conceptual Figura 1.24 Intercambio de dispositivos de otros fabricantes. PROFIBUS-PA. PROFIBUS-PA es la solución PROFIBUS a los procesos de automatización. PA conecta los sistemas de automatización y los sistemas de control de procesos con los dispositivos de campo, como son los transmisores de presión, temperatura y nivel. PA puede ser usado como sustituto para la tecnología analógica de 4 a 20 ma. Los logros del PROFIBUS-PA producen un ahorro considerable del proyecto, cableado y mantenimiento, y ofrece un incremento significativo en funcionalidad y seguridad. La Figura 1.25 muestra las diferencias entre cablear un sistema convencional de 4 a 20 ma y un sistema basado en PROFIBUS-PA. 40

50 Capítulo I Marco Conceptual Figura 1.25 Comparativa de cableado de un sistema convencional y PROFIBUS-PA. Cuando se usa el método convencional de cableado, cada línea individual de señal debe estar conectada al módulo de E/S del sistema de control del proceso. Para cada aparato se requiere una fuente de energía distinta. Como contraste, cuando se usa PROFIBUS-PA, sólo se necesita una línea de dos cables para transmitir toda la información y la energía a los dispositivos de campo. PROFIBUS-PA no solo produce ahorro en el cableado, sino que reduce el número de módulos E/S requeridos en los sistemas de control de procesos. PA permite medir, controlar y regular mediante una línea simple de dos cables. También permite la alimentación de los dispositivos de campo incluso en áreas intrínsecas de seguridad. Permite el mantenimiento y la conexión/desconexión de los aparatos durante la operación sin afectar a otras estaciones, incluso en áreas potenciales de explosión. 41

51 Capítulo I Marco Conceptual PROFIBUS-DP. PROFIBUS-DP está diseñado para la comunicación de datos a alta velocidad a nivel de dispositivo (hasta 12Mbit/s). Los controladores centrales (PLCs/PCs) se comunican con los dispositivos de campo distribuidos por medio de un enlace serie de alta velocidad. La mayoría de las comunicaciones de datos con estos dispositivos periféricos es realizada de una forma cíclica según la norma EN Además de las funciones cíclicas, se requieren otras de tipo acíclico para dispositivos de campo inteligentes para permitir la configuración, diagnóstico y manejo de alarmas. Funciones básicas de PROFIBUS-DP. El controlador central (maestro) lee de forma cíclica la información procedente de los esclavos y escribe la información de salida en los esclavos. El tiempo de ciclo del bus debe ser más pequeño que el tiempo de ciclo del programa del PLC central (para la mayoría de aplicaciones es de 10 ms). Además PROFIBUS-DP proporciona funciones poderosas para diagnósticos y configuración en las transmisiones de datos de usuario cíclicas. La comunicación de datos es monitorizada mediante la monitorización de las funciones tanto en el maestro como en el esclavo. En la Tabla 1.3 se pueden observar las características esenciales de PROFIBUS-DP. Tecnología de transmisión. Acceso al bus Modos de operación Comunicación Tipos de dispositivo Tabla 1.3 Principales características de PROFIBUS-DP 1)RS-485, par trenzado, dos líneas de cable o fibra óptica. 2)Velocidad en baudios: de 9.6 Kbit/s a 12 Mbit/s. 1)Entre maestros se realiza mediante el paso del testigo y entre esclavos mediante la jerarquía maestro-esclavo. 2)Posibilidad de sistemas monomaestro y multimaestro. 3)Máximo de 126 estaciones en un bus (entre maestros y esclavos). 1)Operate: Transmisión cíclica de datos de entrada y salida. 2)Clear: Se leen las entradas manteniendo las salidas en estado de seguridad. 3)Stop: Sólo se permite la transmisión de datos entre maestros 1)Par a par (transmisión de datos de usuario) o Multicast (comandos de control). 2)Transmisión cíclica de datos entre maestro-esclavo y transmisión acíclica entre maestros. 1)DP maestro clase 2 (DPM2):dispositivo de diagnóstico/programación/configuración. 2)DP maestro clase 1 (DPM1):controladores programables centrales. 3)DP esclavo: dispositivo con E/S binarias o analógicas. 42

52 Capítulo I Marco Conceptual Configuración del sistema y tipos de dispositivos. PROFIBUS DP permite sistemas monomaestro y multimaestro. Esto proporciona un alto grado de flexibilidad durante la configuración del sistema, pudiendo conectar hasta 126 dispositivos (maestros o esclavos) en un bus. La descripción de la configuración del sistema consiste en el número de estaciones, la asignación entre la dirección de la estación y las direcciones de las E/S, el formato de los datos de E/S, el formato de los mensajes de diagnóstico y los parámetros del bus usados. Cada sistema PROFIBUS DP puede contener 3 tipos diferentes de dispositivos: DP Maestro Clase 1 (DPM1): Controlador central que intercambia información con las estaciones descentralizadas (DP esclavos) con un ciclo de mensaje específico. Dispositivos típicos son los controladores programables (PLCs) y los PCs. DP Maestro Clase 2 (DPM2): Son programadores, dispositivos de configuración y operadores. Se usan para la identificación de la configuración del sistema DP o para el funcionamiento y supervisión de operaciones. DP esclavo: Es un dispositivo periférico (E/S, válvulas, etc.) que recoge información de entrada y/o manda información de salida. En los sistemas monomaestro (Figura 1.26) sólo se encuentra activo un maestro en el bus durante la fase de operación, siendo el controlador programable el componente de control central. Los DP esclavos distribuidos son enlazados mediante el bus. Estos sistemas presentan el tiempo de ciclo más corto. Figura 1.26 Sistema monomaestro. 43

53 Capítulo I Marco Conceptual En la configuración multimaestro (Figura 1.27) se conectan varios maestros al bus. Estos maestros son subsistemas independientes consistentes cada uno en un DPM1 maestro y sus correspondientes DP esclavos (o dispositivos adicionales). Las imágenes de las E/S de los esclavos pueden ser leídos por todos los DP maestros. Sin embargo, sólo un DP maestro (el asignado durante la configuración) puede tener acceso de escritura en las salidas. Los sistemas multimaestro presentan un tiempo de ciclo mayor que los sistemas monomaestro. Figura 1.27 Sistema multimaestro PROFIBUS-FMS. PROFIBUS-FMS está diseñado para la comunicación a nivel celular. A este nivel los controladores programables (PLC s y PC s) se comunican en principio entre sí. En esta rea de aplicación es más importante un alto grado de funcionalidad que unos tiempos rápidos de reacción del sistema. Servicios del FMS: Establece y desconecta conexiones lógicas. Lee y escribe variables. Carga y lee áreas de memoria. Compila, empieza y detiene programas. Transmite mensajes de sucesos con más o menos prioridad. 44

54 Capítulo I Marco Conceptual Peticiones de estado y de identificación de dispositivos. Servicios para la dirección del diccionario de objeto. Objetos de comunicación y diccionario de objetos. Todos los objetos de comunicación de un dispositivo FMS están por completo en el diccionario de objetos locales del dispositivo. El diccionario de objetos contiene la descripción, estructura y tipos de datos, así como la relación entre las direcciones internas del dispositivo de los objetos de comunicación y su designación en el bus (índice/nombre). El diccionario de objetos se compone de los siguientes elementos: Cabecera. Lista de tipos de datos estáticos. Diccionario de objetos estáticos. Lista dinámica de listas de variables. Lista dinámica de programa. Interface de la capa más baja. El mapa de la capa 7 a la capa 2 es manejada por este interface. Sus tareas incluyen el control de flujo y la supervisión de la conexión. El usuario se comunica con los otros procesos de aplicación a través de canales lógicos llamados relaciones de comunicación. El interface mantiene varios tipos de relaciones de comunicación para la ejecución de los servicios FMS y FMA7. Las relaciones de comunicación tienen diferentes capacidades de conexión (por ejemplo, supervisión, transmisión y demandas a los compañeros de comunicación). Operación mixta de PROFIBUS-FMS y PROFIBUS-DP. La operación mixta de dispositivos FMS y DP en un bus es una de las ventajas más robustas de PROFIBUS. Ambos protocolos también pueden ser ejecutados simultáneamente en un dispositivo. Estos dispositivos se llaman dispositivos combinados. La operación mixta es posible porque ambas versiones de los protocolos usan una tecnología de transmisión y protocolos de acceso al bus uniformes. Las diferentes funciones de aplicación están separadas por diferentes puntos de acceso de la capa 2. 45

55 Capítulo II Hardware de la Red PROFIBUS Capítulo II. Hardware de la Red PROFIBUS 2.1 Sistema de Control Distribuido Freelance 800F de ABB. El Sistema de Control Distribuido Freelance 800F está diseñado para disminuir los costos totales del desarrollo de un proyecto; como el hardware constituye menos en el precio de un sistema de automatización, los costos para crear software de usuario se vuelvan más importantes, contabilizando en promedio más del 50% del costo total de un proyecto de automatización. A continuación se muestran algunas de las razones de la reducción de costos al emplear un Sistema de Control Distribuido Freelance 800F: Usando solo una herramienta de ingeniería (Control Builder F) para configurar el sistema en su totalidad. Generando automáticamente toda la comunicación entre controladores y estaciones de operación. Una base de datos uniforme en todo el sistema. Configuración gráfica con editores de alto desempeño en lenguajes de programación como lo es diagrama de bloques funcionales (FBD), diagrama de escalera (LD), lista de instrucciones (IL), lógica de función secuencial (SFC) y texto estructurado (ST). Integración de cualquier esclavo PROFIBUS-DP o PA utilizando el concepto de esclavo genérico (usando un archivo GSD). Integración de dispositivos PROFIBUS usando FDT/DTM Arquitectura del sistema. Freelance 800F se divide en un nivel de operador y un nivel de proceso. El nivel de operador contiene las funciones para operación y monitoreo, archivos y registros, tendencias y alarmas. Las funciones de control de lazo abierto y lazo cerrado se procesan en los controladores. 46

56 Capítulo II Hardware de la Red PROFIBUS El nivel de operador de DigiVis Freelance 800F. Las estaciones de operación DigiVis (software de supervisión HMI/SCADA) utilizan hardware de PC, ya sea de tipo estándar o industrializado de acuerdo a la aplicación. Una estación de ingeniería y varias estaciones de operación pueden instalarse en el nivel de operador. La estación de ingeniería con Control Builder F se utiliza para configurar y comisionar el sistema. Usualmente, se utilizan equipos portátiles tales como laptops, ya que permiten efectuar el trabajo de configuración tanto en la oficina como en sitio. Nivel de proceso Freelance 800F. En el nivel de proceso, un sistema Freelance 800F puede consistir de varias estaciones de proceso que se conectan a unidades de E/S. Se tiene la opción de usar las estaciones de proceso ya sea en forma redundante (redundancia de CPU, redundancia de módulos de bus de campo) o sin redundancia. Los módulos de E/S de tipo enchufe (plug-in) se utilizan de acuerdo con el tipo y cantidad de señales de proceso. Con AC800F, pueden conectarse los componentes que cumplen con estándares de bus de campo, como E/S remotas o dispositivos de campo. Comunicación del sistema. Los niveles de operador y de proceso se comunican entre sí a través de la red del sistema (basada en Ethernet) con TCP/IP. Un servidor OPC Freelance está disponible para conexiones a estaciones de operación de alto nivel u otros clientes OPC. Los valores de proceso y las alarmas del sistema Freelance pueden accesarse vía OPC. Una interfaz programada en C para Windows puede usarse para aplicaciones externas que no utilizan la interfaz OPC estándar, DMS-API se emplea para ello. Automatización a nivel del proceso: El controlador. El hardware de AC800F. El AC800F tiene una estructura modular. El CPU está diseñado como un plano posterior al cual varios módulos (fuente de voltaje, módulos Ethernet o de bus de campo) pueden conectarse según la aplicación. Del lado del bus de campo, existen módulos para PROFIBUS- 47

57 Capítulo II Hardware de la Red PROFIBUS DPV1, FOUNDATION Fieldbus HSE, MODBUS, (maestro/esclavo, RTU, o ASCII), IEC y CAN para E/S de Rack Freelance. La red de bus de campo y los esclavos PROFIBUS conectados se configuran y parametrizan en su totalidad utilizando la herramienta de ingeniería Control Builder F. Figura 2.1 Controlador AC800F y módulos de comunicación. Los esclavos PROFIBUS pueden integrarse al sistema utilizando un archivo GSD o un FDT/DTM: GSD. Device Master Data, abreviatura para el término alemán Gerätestammdaten. Un GSD es el archivo de base de datos de los dispositivos, también denominado hoja de datos de dispositivos. FDT/DTM. Herramienta de Dispositivos de Campo (Field Device Tool)/Administrador de tipos de dispositivos (Device Type Manager) En el caso de FOUNDATION Fieldbus, la configuración se lleva a cabo utilizando archivos CFF o DD, ello permite la parametrización del bus de campo aún sin dispositivos de campo conectados: CFF. Archivo de Capacidades (Capabilities File) DD. Descripción de Dispositivos (Device Description) 48

58 Capítulo II Hardware de la Red PROFIBUS Las E/S de Rack Freelance también pueden conectarse al AC 800F, en cuyo caso se utiliza un módulo CAN. Esto le permite operar cinco racks de E/S, con un total de cerca de 1000 E/S por cada AC 800F. Los racks de E/S están equipados con un módulo de conexión y hasta nueve módulos de E/S y pueden montarse en forma separada a una distancia de 400 m del AC 800F. En la Tabla 2.1 se aprecian algunas especificaciones del controlador AC 800F. Tabla 2.1 Principales características del controlador AC 800F. CPU RAM Ejecución de tareas Interfaces Temperatura ambiente Procesador RISC de 32 bits super escalar con rápido procesamiento de bits. 4 MB S-RAM ó 16 MB (SD-RAM) para aplicaciones con respaldo de batería. Cíclica (tiempos de ciclos configurables desde 5 ms). Efectuadas por eventos (eventos predefinidos) Tan rápido como sea posible (modo PLC). Ethernet PROFIBUS Foundation Fieldbus Station Bus (CAN bus) Serial: RS485/422/232 Protocolo Modbus (maestro o esclavo, RTU o ASCII) Protocolo Telecontrol de acuerdo a IEC C ( F), no requiere ventilación forzada. Módulos de bus de campo. El AC 800F utiliza los módulos de bus de campo para recibir y procesar datos de diagnóstico con un bajo tiempo de respuesta. Hasta cuatro módulos de bus de campo pueden ser instalados en un AC 800F. Módulos Ethernet: Las estaciones de proceso y el nivel de operación e ingeniería en el sistema Freelance 800F se comunican entre sí vía Ethernet. Módulos de bus de campo: Los detalles de los módulos de bus de campo se observan en la Tabla

59 Capítulo II Hardware de la Red PROFIBUS Tabla 2.2 Módulos de bus de campo. Tipo Canales Función Módulo CAN 1 Conexión de hasta 5 racks de E/S Freelance Módulo Serial 2 RS232/RS422/RS485 configurable para MODBUS Protocolo Telecontrol IEC Módulo PROFIBUS Módulo FF- HSE 1 Maestro PROFIBUS DPV1 1 Para conexión de hasta 10 Dispositivos de Enlace LD 800HSE con conexión de 10/100 MBaud de sensado automático en par trenzado. Dispositivos de enlace inteligentes: Debido a que AC 800F posee la conexión de alta velocidad tanto de PROFIBUS (PROFIBUS DP) como de FOUNDATION Fieldbus (FF-HSE), los buses más lentos de las dos tecnologías de buses de campo (PROFIBUS PA y FF-H1) pueden conectarse utilizando dispositivos de enlace inteligente. Estos dispositivos permiten conectar varios buses lentos a un bus rápido, con la ventaja de que muchos más dispositivos de campo pueden conectarse a una estación AC 800F que cuando los buses de campo lento se conectan directamente. Automatización a nivel del proceso: E/S Remotas. El módulo de bus de campo para PROFIBUS permite la conexión de E/S remotas tales como la serie S800 o la serie S900. Mientras que la serie S800 se utiliza generalmente en automatización de procesos, se prefiere la serie S900 en el segmento químico y en áreas donde se requiere protección contra explosión, debido a su amplio diagnóstico de canales y seguridad intrínseca. S800. Las E/S S800 es un sistema de E/S de proceso, extenso, distribuido y modular que se comunica con sus respectivos controladores vía PROFIBUS. Gracias a su amplia conectividad, 50

60 Capítulo II Hardware de la Red PROFIBUS el sistema es capaz de comunicarse con una amplia gama de sistemas de control de proceso tanto de ABB como de otros fabricantes. S900. El sistema de E/S remotas S900 puede instalarse directamente en áreas peligrosas zona 1 y zona 2. Se comunica con el nivel del sistema de control utilizando el estándar PROFIBUS, reduciendo los costos por organización de señales y cableado. El sistema es robusto, tolerante a fallas y sencillo de brindarle servicio. Es más, el sistema de E/S S900 se caracteriza por tener un diseño compacto, transmisión cíclica de variables secundarias HART y parametrización y diagnóstico de todos los dispositivos de campo HART vía el bus de campo. Su redundancia garantiza una máxima disponibilidad. La Figura 2.2 muestra un ejemplo de una red distribuida empleando los módulos de comunicación del Sistema de Control Distribuido FREELANCE 800F. Figura 2.2 Ejemplo de una red distribuida empleando los módulos de bus de campo. 51

61 Capítulo II Hardware de la Red PROFIBUS El nivel de operación con DigiVis. Las estaciones de operación del sistema Freelance 800F operan en computadoras personales comunes o en PCs industriales. El paquete de software DigiVis mejora la facilidad de uso y el desempeño en la operación del proceso. Las funciones de operación y monitoreo (DigiVis) y configuración (Control Builder F) también pueden operar juntas en una sola PC. El software de operación y monitoreo DigiVis tiene las siguientes características: Operación transparente y rápida. Gran número de tipos de pantallas previamente diseñadas. Salida de voz configurable en la PC para mensajes. Pantalla de tendencias con almacenamiento. Registro de todas las acciones del operador, incluyendo el nombre y registros de tiempo de sus acciones. Diagnósticos del sistema, incluso hasta nivel del dispositivo de campo, permitiendo un diagnóstico completo de los errores de un dispositivo de campo. Configuración y asignación de tareas con Control Builder F. La estación de ingeniería. Una PC estándar puede utilizarse como una estación de ingeniería para configuración, mientras que una computadora tipo laptop se usa para la asignación de tareas y servicio en sitio. El paquete de software Control Builder F no es solamente una ayuda para la configuración uniforme de las funciones de automatización y de la interface de operación (DigiVis). También es una herramienta de alto desempeño para comisionar el proceso. Control Builder F ofrece los siguientes elementos para la configuración, parametrización y asignación de tareas: 52

62 Capítulo II Hardware de la Red PROFIBUS Una sola herramienta de software para configurar las funciones de automatización, la interfaz de operador con pantallas y registros y los parámetros de los buses de campo. Configuración gráfica con editores de gran capacidad de acuerdo al IEC Una librería de bloques funcionales con más de 220 funciones totalmente probadas. Un árbol de proyectos para la generación flexible de programas y para la estructuración transparente de los mismos. Protección por contraseña para prevenir modificaciones no autorizadas. Prueba y simulación de programas del usuario aún sin hardware conectado utilizando el emulador del controlador. Base de datos del proyecto. Todas las señales, variables y puntos de proceso configurados son administrados en el sistema Freelance 800F como listas en una base de datos común del proyecto: Lista de variables (entradas, salidas, variables internas). Lista de puntos del proceso (bloques de función). Gráficas. Programas. Debido a que la base de datos abarca todo el sistema, los datos sólo necesitan ingresarse una vez, evitando errores potenciales durante la configuración. El archivo único de la base de datos del proyecto hace que el almacenamiento o las tareas de respaldo sean fáciles de realizarse. Asignación de tareas. Durante la asignación de tareas, todos o algunos de los programas de usuario son cargados en las estaciones de operación y de proceso, también es posible: Cargar modificaciones. Encender y apagar estaciones de proceso. 53

63 Capítulo II Hardware de la Red PROFIBUS Arrancar, apagar o reinicializar tareas. Definir y activar parámetros para bloques de función. Definir y activar parámetros para dispositivos de campo. Desplegar, definir y dar seguimiento a valores de proceso. Combinar cualquier valor de proceso en cualquier momento en una ventana de tendencias. Efectuar verificaciones de versiones y de estatus. Efectuar diagnósticos del sistema hasta el nivel de dispositivo de campo. 2.2 Controlador Lógico Programable S El CPU S7-226 forma parte de toda una gama de sistemas de automatización pequeños (S7-200), Micro-PLCs, que se pueden utilizar para numerosas tareas. La CPU S7-226 incorpora en una carcasa compacta un microprocesador, una fuente de alimentación integrada, así como circuitos de E/S que conforman un potente Micro-PLC (ver Figura 2.3). Tras haber cargado el programa en el S7-226, éste contendrá la lógica necesaria para supervisar y controlar los aparatos de E/S de la aplicación. Figura 2.3 Componentes básicos de la gama S

64 Capítulo II Hardware de la Red PROFIBUS Funciones del CPU S En la Tabla 2.3 se muestran las características principales con las que cuenta el CPU S7-226: Tabla 2.3 Funciones básicas del PLC S Paquete de programación STEP 7-Micro/WIN El paquete de programación STEP 7-Micro/WIN constituye un entorno de fácil manejo para desarrollar, editar y observar el programa necesario con objeto de controlar la aplicación. STEP 7-Micro/WIN provee tres editores que permiten desarrollar de forma cómoda y eficiente el programa de control: Esquema de contactos (KOP o LD). Lista de instrucciones (AWL). Diagrama de funciones (FUP o FBD). Con algunas restricciones, los programas creados con uno de estos editores se pueden visualizar y editar con los demás. 55

65 Capítulo II Hardware de la Red PROFIBUS Editor AWL. El editor AWL visualiza el programa textualmente. Permite crear programas de control introduciendo la mnemotécnica de las operaciones. Este editor sirve para crear ciertos programas que, de otra forma, no se podrían programar con los editores KOP ni FUP. Ello se debe a que AWL es el lenguaje nativo del S7-226, a diferencia de los editores gráficos, sujetos a ciertas restricciones para poder dibujar los diagramas correctamente. Editor KOP El editor KOP visualiza el programa gráficamente, de forma similar a un esquema de circuitos. Los programas KOP hacen que el programa emule la circulación de corriente eléctrica desde una fuente de alimentación, a través de una serie de condiciones lógicas de entrada que, a su vez, habilitan condiciones lógicas de salida. El editor de programa KOP incluyen una barra de alimentación izquierda que está energizada. Los contactos cerrados permiten que la corriente circule por ellos hasta el siguiente elemento, en tanto que los contactos abiertos bloquean el flujo de energía. Los contactos representan condiciones lógicas de entrada, tales como interruptores, botones o condiciones internas. Las bobinas representan condiciones lógicas de salida, tales como lámparas, arrancadores de motor, relés interpuestos o condiciones internas de salida. Los cuadros representan operaciones adicionales, tales como temporizadores, contadores u operaciones aritméticas. Editor FUP El editor FUP visualiza el programa gráficamente, de forma similar a los circuitos de compuertas lógicas. En FUP no existen contactos ni bobinas como en el editor KOP, pero sí hay operaciones equivalentes que se representan en forma de cuadros. El lenguaje de programación FUP no utiliza las barras de alimentación izquierda ni derecha. Sin embargo, el término circulación de corriente se utiliza para expresar el concepto an logo del flujo de señales por los bloques lógicos FUP. El recorrido 1 lógico por los elementos FUP se denomina circulación de corriente. 56

66 Capítulo II Hardware de la Red PROFIBUS Opciones de comunicación El cable de programación PPI multimaestro es el método más usual y más económico de conectar el PC al S7-226, este cable une el puerto de comunicación del S7-226 con el puerto serie del PC. El cable de programación PPI multimaestro también se puede utilizar para conectar otros dispositivos de comunicación al S Figura 2.4 Cable de comunicación PPI. Módulos de ampliación La CPU S7-226 incluye una gran variedad de módulos de ampliación para poder satisfacer aún mejor los requisitos de la aplicación. Estos módulos se pueden utilizar para agregar funciones a la CPU S La Tabla 2.4 se muestra una lista de los módulos de ampliación disponibles. Tabla 2.4 Módulos de ampliación para el S

67 Capítulo II Hardware de la Red PROFIBUS Módulo inteligente EM277 PROFIBUS-DP El módulo Módem es un módulo de ampliación inteligente diseñado para su utilización junto con la CPU S Podemos observar los datos técnicos de dicho módulo en la Tabla 2.5: Tabla 2.5 Datos técnicos del módulo inteligente EM

68 Capítulo II Hardware de la Red PROFIBUS La Figura 2.5 muestra los interruptores de direccionamiento y los LEDs de estado (ubicados en el frente del módulo), así como la asignación de pines del conector de puerto del esclavo DP. Figura 2.5 Vista frontal del Módulo EM-277 PROFIBUS-DP. Comunicación en redes de periferia descentralizada (DP). PROFIBUS-DP (o estándar DP) es un protocolo de telecomunicación definido en la norma europea EN Los dispositivos que cumplen con dicha norma son compatibles entre sí, aunque sean de diferentes fabricantes. DP es la abreviatura inglesa de Distributed Peripherals que significa periferia descentralizada (o periferia distribuida). El protocolo estándar DP está implementado en el módulo EM 277 PROFIBUS-DP como se define para las unidades esclavas en las normas siguientes en relación con los protocolos de comunicación: EN (PROFIBUS) describe el acceso de bus y el protocolo de transferencia, indicando las propiedades del soporte de transferencia de datos. EN (estándar DP) describe el intercambio de datos rápido y cíclico entre los maestros DP y los esclavos DP. En esta norma se definen también los procedimientos 59

69 Capítulo II Hardware de la Red PROFIBUS de configuración y parametrización, el intercambio de datos cíclico con las unidades periféricas descentralizadas y las funciones de diagnóstico asistidas. La configuración de un maestro DP le permite reconocer las direcciones, los tipos de esclavos y la información relativa a la parametrización que éstos necesitan. Al maestro se le indica también dónde depositar los datos que haya leído de los esclavos (entradas) y de dónde obtener los datos a escribir en los esclavos (salidas). El maestro DP establece la red e inicializa sus esclavos DP, escribiendo posteriormente los parámetros y la configuración de E/S en el esclavo. Luego lee la información de diagnóstico del esclavo DP para verificar que éste haya aceptado los parámetros y la configuración de E/S. El maestro comienza entonces a intercambiar datos con el esclavo. En cada intercambio con el esclavo, escribe en las salidas y lee de las entradas. Dicho intercambio de datos continúa indefinidamente. Una vez que un maestro DP haya escrito los parámetros y la configuración de E/S en un esclavo DP y éste los haya aceptado, el esclavo será propiedad del maestro. El esclavo sólo acepta peticiones de escritura de su respectivo maestro. Los demás maestros de la red pueden leer las E/S del esclavo, pero no escribir datos en él. Utilizar el módulo EM 277 para conectar un S7-226 como esclavo PROFIBUS- DP. La CPU S7-226 se puede conectar a una red PROFIBUS-DP a través del módulo de ampliación EM 277 esclavo PROFIBUS-DP. El EM 277 se conecta a la CPU S7-226 a través del bus de E/S serie. La red PROFIBUS se conecta al módulo EM 277 PROFIBUS-DP por su puerto de comunicación DP. Éste último puede funcionar a una velocidad de transferencia cualquiera comprendida entre bit/s y 12 Mbit/s. En calidad de esclavo DP, el módulo EM 277 acepta varias configuraciones de E/S diferentes del maestro, permitiendo adaptar a la aplicación la cantidad de datos transferidos. A diferencia de numerosos aparatos DP, el módulo EM 227 no se limita a transferir datos de E/S. Las entradas, los valores de los contadores y de los temporizadores, así como cualquier otro valor calculado se pueden enviar al maestro transfiriendo primero los datos a la memoria de variables de la CPU. De igual manera, los datos recibidos del maestro se 60

70 Capítulo II Hardware de la Red PROFIBUS almacenan en la memoria de variables de la CPU S7-226, pudiéndose transferir de allí a otras áreas de datos. Memoria de variables: V La memoria de variables (memoria V) se puede utilizar para almacenar los resultados intermedios calculados por las operaciones en el programa. La memoria V también permite almacenar otros datos relativos al proceso o a la tarea actual. A la memoria V se puede acceder en formato de bit, byte, palabra o palabra doble: Bit: V[dirección byte].[dirección bit] V10.2 Byte, palabra o palabra doble: V[tamaño][dirección byte inicial] VW100 Cabe mencionar que en el caso del CPU S7-226 la memoria V abarca desde el Byte VB0 al VB Configuración. Para utilizar el módulo EM 277 PROFIBUS-DP en calidad de esclavo DP es preciso ajustar la dirección de estación del puerto DP para que coincida con la dirección fijada en la configuración del maestro. La dirección de estación se ajusta con los interruptores rotativos del módulo EM 277. Tras haber efectuado un cambio con un interruptor es preciso desconectar la CPU y conectarla de nuevo para poder adoptar la nueva dirección del esclavo. El maestro intercambia datos con cada uno de sus esclavos, enviando información de su área de salidas al búfer de salida del esclavo en cuestión ( buzón receptor ). El esclavo responde al mensaje del maestro retornando un búfer de entrada ( bandeja de salida ) que el maestro almacena en un área de entradas. En la Figura 2.6 se observa el intercambio de datos en las direcciones de memoria V del CPU S

71 Capítulo II Hardware de la Red PROFIBUS Figura 2.6 Intercambio de datos entre maestro y esclavo PROFIBUS-DP El maestro DP puede configurar el módulo EM 277 PROFIBUS-DP para que éste reciba datos de salida del maestro y retorne datos de entrada al mismo. Los búfers de salida y de entrada se almacenan en la memoria de variables (memoria V) de la CPU S Al configurar el maestro DP, se define la dirección de Byte en la memoria V donde debe comenzar el búfer de salida como parte de la asignación de parámetros para el EM 227. Al mismo tiempo se define la configuración de E/S como la cantidad de datos de salida a escribir en la CPU S7-226 y de datos de entrada a leer de la misma. El módulo EM 227 fija el tamaño de los búfers de E/S conforme a la configuración de E/S. El maestro DP escribe la asignación de parámetros y la configuración de E/S en el módulo EM 277 PROFIBUS DP. El EM 277 transfiere a la CPU la dirección de la memoria V, así como las longitudes de los datos de E/S. Archivo de datos maestros de los dispositivos GSD. Para facilitar la configuración de las redes PROFIBUS, las propiedades de rendimiento de los diversos dispositivos se indican en un archivo de datos maestros (archivo GSD). Las herramientas de configuración basadas en los archivos GSD permiten integrar fácilmente los dispositivos de diferentes fabricantes en una misma red. Dichos archivos GSD son preparados para cada tipo de dispositivo por el correspondiente fabricante, poniéndolos a disposición del usuario de equipos PROFIBUS. El archivo GSD permite que el sistema de configuración lea las propiedades de un dispositivo PROFIBUS y utilice esta información al configurar la red. 62

72 Capítulo III Ingeniería en Control y Automatización Capítulo III. Planteamiento de un sistema de control distribuido integrando una red PROFIBUS Este capítulo comprende el planteamiento de la integración del control distribuido mediante una red PROFIBUS, el objeto de esto es mostrar la utilidad y ventajas que tiene el uso y aplicación de las redes industriales. Lo que se pretende es mostrar cómo es operado un sistema de bombeo mediante un control local y los objetivos que se persiguen al implementar un control distribuido. Para comprender el contexto es necesario contar con la descripción del proceso, además de conocer el dispositivo de control local que gobierna el mismo y la lógica que ejecuta. Una vez que se cuenta con estos detalles podremos vislumbrar las mejoras a obtener con la integración del sistema de control distribuido y la red PROFIBUS. Ya que el nuevo sistema de control gobierne el proceso, se busca monitorear y gestionar el mismo, para ello se creará una interfaz gráfica que explote la funcionalidad de la red PROFIBUS. Se ha considerado desarrollar esta ingeniera con el fin de mostrar los beneficios y alcance de la creación de una red PROFIBUS en un sistema de control distribuido, por lo anterior se tendrá conocimiento de la manera de operar de una red de esta índole y todo lo que involucra su desarrollo. 3.1 Descripción del proceso. El proceso en el cual se implementará el control distribuido mediante la red PROFIBUS está conformado por el control de un sistema de bombeo de un cárcamo, dicho sistema emplea tres peras indicadoras nivel y dos bombas sumergibles. Los cárcamos son espacios diseñados para el almacenamiento de aguas residuales o pluviales, por lo general los cárcamos se encuentran a una profundidad mayor a la del drenaje de la ciudad, por tal motivo el agua es recolectada y posteriormente bombeada 63

73 Capítulo III Ingeniería en Control y Automatización cuando el almacenamiento rebaza niveles establecidos, el control del nivel del cárcamo se realiza con un controlador lógico programable S7-226 de la familia SIEMENS. Para efectuar el control del nivel del agua contenida en los cárcamos, se cuenta con un control local (PLC S7-226), a este control se conectan tres peras indicadoras de nivel, las peras son elementos accionadores, es decir que permiten o no el tránsito del voltaje que se les suministra, las peras o sensores de nivel operan con un voltaje de 24 Volts de corriente directa, cuentan con un micro interruptor de Níquel, el cual al detectar agua permite el paso del voltaje suministrado, que cierra el circuito para indicar una señal de entrada al PLC. Para la seguridad y eficiencia del control de nivel en los cárcamos se cuenta con un par de bombas sumergibles de extracción que trabajan a 220 Volts de corriente alterna, estas bombas se accionan periódicamente una después de la otra, y ambas cuando se detecta un nivel elevado de agua dentro del cárcamo. En la Figura 3.1 se observa un esquema simbólico de la interacción de los elementos del control local. PLC S7-226 Sensores de nivel Bombas de succión Figura 3.1 Interacción de los elementos de control local del sistema de bombeo. 3.2 Control local que gobierna el proceso de bombeo Como se mencionó con anterioridad, el sistema de bombeo cuenta con tres peras indicadoras de nivel, estas se encargan de informarle al controlador la elevación del nivel de agua dentro del cárcamo, para ello, las peras se encuentran suspendidas a tres diferentes alturas con la finalidad de indicar el nivel bajo, medio y alto. 64

74 Capítulo III Ingeniería en Control y Automatización Dependiendo del nivel de agua se determina si se activa una o dos bombas, a continuación se mencionan los permisivos de control bajo los cuales opera el PLC: Si se activa el nivel bajo ninguna de las bombas arranca. Al activarse el nivel medio tiene que arrancar una bomba, la bomba tiene que permanecer en funcionamiento hasta que el nivel bajo se desactive. Al activarse el nivel alto tienen que arrancar ambas bombas, las dos bombas tienen que permanecer en funcionamiento hasta que el nivel bajo se desactive. En la Figura 3.2 se observa el bosquejo del proceso, se aprecian las peras indicadoras de nivel, el cárcamo, las bombas sumergibles y el PLC S PLC S7-226 Nivel alto Nivel medio Nivel bajo Bombas de succión Figura 3.2 Esquema del sistema de bombeo y control local. La lógica de control que lleva a cabo el PLC S7-226 se describe a continuación: En primer lugar se indica la dirección de entrada en la cual se encuentran conectadas las peras indicadoras de nivel para asignarle un registro interno, lo anterior con el fin de prever 65

75 Capítulo III Ingeniería en Control y Automatización fallos en alguna de las entradas. Si falla una entrada los cambios requeridos en el programa serán mínimos pues sólo será necesario redireccionar la entrada y no se modificará toda la lógica del mismo puesto que el programa opera en base al registro de memoria interno. La Figura 3.3 muestra la asignación de registro interno para la entrada I1.0 donde se encuentra conectada la pera indicadora de nivel 1, a esta entrada le corresponde el bit de memoria M0.0 Figura 3.3 Asignación de bit interno M0.0 a la entrada I1.0 correspondiente a nivel 1. En el caso de las salidas un bit interno, utilizado por la lógica del programa, se encarga de activar la salida Q1.0; en caso de que se dañara la salida solo es necesario cambiar la dirección Q1.0 y no todo el programa. La Figura 3.4 muestra la asignación del bit interno. Figura 3.4 El bit interno M0.5 activa la salida Q1.0 Siguiendo el procedimiento anterior se dan de alta todas las E/S a ocupar para el control del sistema de bombeo. En la Tabla 3.1 se indican las direcciones de E/S y las localidades de memoria que les corresponden. 66

76 Capítulo III Ingeniería en Control y Automatización Tabla 3.1 Tabla de direcciones de E/S y bits internos correspondientes. Entradas Bits internos Símbolo Dirección Símbolo Dirección nivel3 I1.2 bit_nivel3 M0.2 nivel2 I1.1 bit_nivel2 M0.1 nivel1 I1.0 bit_nivel1 M0.0 Salidas Bits internos Símbolo Dirección Símbolo Dirección bomba2 Q1.1 bit_bomba2 M0.6 bomba1 Q1.0 bit_bomba1 M0.5 La Figura 3.5 se muestran todas las E/S empleadas por el PLC para ejecutar el control local: Figura 3.5 Declaración de las E/S empleadas por el controlador. 67

77 Capítulo III Ingeniería en Control y Automatización Una vez que se conoce las direcciones de E/S y los bit internos que les corresponden es posible comprender la lógica que ejecuta el controlador local S7-226, en la Figura 3.6 se muestra el diagrama en KOP que controla el accionamiento de una de las bombas. Al activarse el nivel 1 y nivel 2 se activa una de las bombas, la utilización del bit interno de alternancia es con el objeto de que se turnen las bombas 1 y 2 para activarse, de este modo no siempre se activa la misma bomba. Figura 3.6 Accionamiento de una de las bombas al activarse el nivel 1 y 2. La Figura 3.7 muestra el mecanismo para detener la bomba activada, para ello es necesario que los nivel 1 y 2 dejen de ser detectados, es decir, el nivel de agua haya disminuido. Figura 3.7 Lógica que determina el momento de apagar una de las bombas. Cuando las peras indicadores de nivel detectan que el agua alcanza el nivel 3 (por consiguiente también nivel 1 y 2) es necesario arrancar ambas bombas (Figura 3.8), por tal 68

78 Capítulo III Ingeniería en Control y Automatización motivo se manda activar el número indicado de E/S (2) a partir de la dirección indicada (bit_bomba1). Figura 3.8 Permisivo de arranque de ambas bombas. Una vez que las bombas fueron arrancadas la lógica del programa espera a que el nivel de agua descienda por debajo del nivel 1 para apagarlas. Esta acción se observa en la Figura 3.9 Figura 3.9 Permisivo del paro de ambas bombas. Para facilitar la asimilación de la programación empleada en el control local se sugiere consultar el Anexo A, dicho apartado contiene la explicación de todos los comandos empleados en la programación antes realizada. 3.3 Propuesta de control distribuido para sistema de bombeo La integración del control distribuido hacia el sistema de bombeo previamente mencionado se basa en el acoplamiento del módulo AC800F al proceso, todo esto con la intención de no sustituir elementos ya presentes en el mismo, en este caso un PLC SIEMENS S7-226, logrando una correcta interoperabilidad entre ambos equipos que conlleve a un monitoreo rápido, sencillo y con la fiabilidad de poder manipular el proceso con un bajo tiempo de respuesta. 69

79 Capítulo III Ingeniería en Control y Automatización La incorporación del módulo de control distribuido AC800F se realizará en base a la creación de una estación de ingeniería, la cual se encargará de administrar el sistema y las acciones a realizarse dentro del mismo. Dicha estación de ingeniería contendrá todo el software necesario para gobernar el sistema y los equipos que lo conforman. Para la correcta y eficiente comunicación entre los elementos que conformarán el sistema de control distribuido (estación de ingeniería, AC800F y S7-226) es fundamental la creación de una red de comunicaciones, esta red será el medio por el cual los dispositivos estarán en contacto y podrán controlar el sistema. Por un lado es necesario comunicar la estación de ingeniería con el controlador AC800F, por el otro, se requiere la comunicación entre el controlador AC800F y el PLC S La comunicación requerida entre la estación de ingeniería y el controlador se llevará a cabo por el protocolo Ethernet, para la comunicación entre el controlador maestro (AC800F) y contrlador esclavo (S7-226) se requiere del establecimiento de una red PROFIBUS-DP la cual es el objeto de este trabajo. En la Figura 3.10 se observa la interacción entre controladores y la estación de ingeniería. ESTACIÓN DE INGENIERÍA MÓDULO AC800F PLC S7-226 ETHERNET PROFIBUS-DP Figura 3.10 Interacción del sistema control distribuido. El intercambio de datos entre el módulo maestro AC800F y el esclavo S7-226 se debe efectuar de forma rápida y segura, los datos necesarios a comunicar son las E/S del módulo esclavo, esto es, que el módulo AC800F pueda recibir los datos en el momento que una E/S 70

80 Capítulo III Ingeniería en Control y Automatización sea activada, de igual manera que el módulo maestro pueda enviar datos y manipular las E/S del módulo S El momento de arranque y paro de las bombas que se encuentran en el centro de bombeo es uno de los datos más importantes a comunicar, se necesita detectar cuando las bombas se han activado y de igual forma poder manipularlas desde el control maestro, el módulo AC800F. En este caso es primordial que el maestro tenga la preferencia en las acciones a realizar, es decir el maestro podrá parar o activar una bomba directamente por encima del PLC S Propuesta de HMI para monitoreo y gestión del sistema de bombeo Una HMI es la interfaz de usuario, puede pensarse como una ventana al proceso. Esta ventana puede estar en dispositivos especiales como páneles de operador o en una computadora. A los sistemas HMI en computadoras se les conoce también como software HMI o de monitoreo y control de supervisión. Las funciones principales de un software HMI se concentran en: Monitoreo: obtener y mostrar datos de la planta. Supervisión: permite ajustar las condiciones de trabajo del proceso desde la PC. Alarmas: reconoce eventos excepcionales dentro del proceso y los reporta. Control: ajusta valores dentro del proceso para mantenerlo dentro de ciertos límites. Históricos: muestra y almacena en archivos datos del proceso. Las señales del proceso son conducidas al HMI por medio de dispositivos como tarjetas de E/S en la computadora, PLC s, RTU (unidades remotas de E/S) o DRIVE s. Todos estos dispositivos deben tener una comunicación que entienda la HMI. En la Figura 3.11 se muestran las distintas maneras en que son conducidas las señales de proceso a la HMI. 71

81 Capítulo III Ingeniería en Control y Automatización Figura 3.11 Métodos por los cuales las señales son conducidas a la HMI. En nuestro caso de estudio el controlador AC800F se encargará de brindar la información requerida por la HMI, dicha interfaz se localizará en una estación de operación. Como se mencionó con anterioridad las estaciones de operación contienen las funciones para operación y monitoreo del sistema. En base a los datos a comunicar entre el módulo maestro AC800F y el PLC esclavo S7-226, como lo son las E/S, se propone crear una pantalla de visualizacion (HMI), en donde se mostrarán el inicio y paro del proceso, los niveles que se activan dentro del mismo, arranque y paro de las bombas con que se cuenta y, uno de los puntos mas relevantes, botones interactivos; estos facilitarán el arranque y paro directo de las bombas dentro del proceso, la simulacion de niveles e inicio y paro del proceso. En la Figura 3.12 se muestra cómo puede ser una HMI referida al sistema de bombeo de un cárcamo de aguas residuales. Figura 3.12 Ejemplo de pantalla de visualización. 72

82 Capítulo III Ingeniería en Control y Automatización El intercambio de datos se realizará en forma directa y con una latencia baja, aunado a esto se integrará un contador de accionamiento en las bombas, esto es, la visualizacion del número de veces que la bomba es activada, cada contador tiene un boton de reset, el cual nos permitirá reiniciar el conteo de accionamiento de las bombas. La finalidad de este contador es proporcionar información útil para el departamento de mantenimiento, todo esto como ejemplo del alce de una HMI implementada en un sistema de control distribuido. 73

83 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Capítulo IV. Desarrollo de Ingeniería Este capítulo comprende el desarrollo de la implementación de un control distribuido en un sistema de bombeo mediante una red PROFIBUS-DP; por lo anterior se pretende indicar el procedimiento para crear la red así como también se mostrará la manera de configurar los equipos (AC800F y S7-226) para una interacción correcta y eficiente. En la implementación de dicha red el equipo AC800F es el maestro y el PLC S7-226 es el esclavo, cabe mencionar que de ahora en adelante se har referencia a dichos dispositivos sólo como maestro y esclavo. Una vez que la red se ha implementado y los equipos pueden comunicarse es posible crear el software que realiza el intercambio de información. Por un lado el PLC esclavo tiene que informar al maestro el estado de sus E/S, por el otro lado el maestro tiene que ser capaz de controlar las E/S del esclavo con el objeto de manipular el sistema de bombeo. Cuando los equipos cuentan con el software requerido para la transferencia de información es posible explotar la comunicación, es decir, aprovechar al máximo los datos obtenidos del esclavo. Para ello es esencial contar con una HMI que pueda monitorear, gestionar y controlar el sistema de bombeo; con esta premisa se instruirá al lector en la creación de una HMI con el software DigiVis de ABB. Todo lo anterior muestra los procedimientos a seguir en este capítulo e indica la razón de ser del mismo, a continuación se describen todos los procedimientos antes mencionados. 4.1 Configuración del dispositivo esclavo S7-226 Como se mencionó en el Capítulo III el control local del sistema de bombeo lo lleva a cabo el PLC S7-226 de SIEMENS, con la integración del control distribuido y mediante la creación de la red PROFIBUS-DP este PLC funcionará como un esclavo de todo el sistema. Al ser el esclavo deberá comunicar al maestro el estado de sus E/S además de permitir que el maestro manipule el proceso con prioridad. 74

84 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Para que el PLC S7-226 se integre al control distribuido mediante la red PROFIBUS-DP es necesario agregar un módulo inteligente SIEMENS, este módulo es el EM 277 el cual es detectado como esclavo PROFIBUS-DP por el maestro AC800F. Dentro de lo que cabe es nula la configuración a realizar en el PLC S7-226 puesto que sólo se requiere definir la dirección del esclavo PROFIBUS-DP, dicha dirección declara en el módulo de ampliación EM 277. A continuación se describe el procedimiento para agregar el módulo de ampliación EM 277. Adición del módulo inteligente EM 277 El módulo de ampliación inteligente EM 277 PROFIBUS-DP se comunica con el PLC S7-226 a través de bus de E/S serie, esta conexión se lleva a cabo con cable plano de 10 polos. Para utilizar el dicho módulo en calidad de esclavo PROFIBUS-DP es preciso ajustar la dirección de estación del puerto DP para que coincida con la dirección fijada en la configuración del maestro. La dirección de estación se ajusta con los interruptores rotativos del módulo EM 277. Tras haber efectuado un cambio con un interruptor es preciso desconectar la CPU y conectarla de nuevo para poder adoptar la nueva dirección del esclavo. La Figura 4.1 muestra los interruptores de direccionamiento para asignar una dirección al esclavo PROFIBUS-DP: Figura 4.1 Interruptores de direccionamiento en módulo EM

85 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Una vez que el hardware se ha conectado es preciso identificar las E/S a comunicar con el maestro, del mismo modo se define las E/S a manipular para controlar el proceso. La Figura 4.2 muestra la conexión entre el CPU S7-226 y el módulo EM277 por medio del Bus de E/S serie. Figura 4.2 Con el módulo EM277 el CPU S7-226 funge como esclavo PROFIBUS-DP. Tablas de intercambio de datos La tabla 4.1 muestra la asignación de E/S que el PLC esclavo emplea para el control local del sistema de bombeo: Tabla 4.1 Asignación de I/O del PLC S7-226 Variable Entrada nivel1 I1.0 nivel2 I1.1 nivel3 I1.2 Stopp I1.3 Start I1.4 Variable Salida bomba1 Q1.0 bomba2 Q1.1 Hasta que no se conocen las direcciones de E/S que el esclavo emplea para llevar a cabo el control local no se sabe qué direcciones es necesario enviar al maestro, es decir, primero es necesario saber que registros ocupa el esclavo para posteriormente enviar el estado de los 76

86 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería mismos al maestro. En el siguiente apartado se explicará la lógica necesaria para realizar el envío de información del esclavo al maestro. La Tabla 4.2 muestra las entradas del esclavo que el controlador maestro emplea para manipular el sistema de bombeo. Se observa que todos los nombres de las variables contienen un _t al final, esto indica que son variables telemandadas, es decir, estas variables son ordenes que el maestro indica al esclavo, provienen de un mando a distancia o mando remoto (estación de operación). Tabla 4.2 Entradas del esclavo que manipulará el maestro. Variable Entrada nivel1_t I2.0 nivel2_t I2.1 nivel3_t I2.2 Start_t I2.3 Stop_t I2.4 bomba1on_t I2.5 bomba2on_t I2.6 bomba1off_t I2.7 bomba2off_t I0.4 Es necesario definir por cuáles entradas del esclavo el maestro manipulará el proceso, es importante que ninguna de las direcciones de entradas sea utilizada por el control local y por el mando remoto al mismo tiempo. Lo anterior crearía conflictos en la comunicación, para dicha situación se recomienda emplear un Byte para entradas del control local y otro Byte para entradas de mando remoto pero nunca utilizar un mismo Byte para entradas de control local y de mando remoto a la vez. Una vez que se han decidido las direcciones a utilizar para el mando remoto y una vez que se conocen las direcciones empleadas para el control local es posible entender cómo se lleva a cabo el intercambio de información entre maestro-esclavo de la red PROFIBUS-DP. 77

87 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Como se mencionó en el Capítulo II, el PLC S7-226 emplea la memoria V para transmitir datos vía PROFIBUS-DP, cuando se llegue el momento de configurar el maestro se definirán 2 parámetros esenciales para la comunicación correcta y eficiente entre maestro y esclavo: Tamaño de los búfers de E/S. Dirección de los búfers de E/S. El tamaño de los búfers de E/S indican el espacio reservado para E/S, es decir, si el tamaño del búfer es 16 Bytes in/16 Bytes out se reservar n 32 Bytes de la memoria V, 16 Bytes para entradas y 16 Bytes para salidas. La finalidad de reservar espacios en la memoria V del PLC se explica a continuación: Durante la comunicación en una red PROFIBUS-DP el maestro intercambia datos con cada uno de sus esclavos, enviando información de su área de salidas al búfer de salida del esclavo en cuestión ( buzón receptor ). El esclavo responde al mensaje del maestro retornando un búfer de entrada ( bandeja de salida ) que el maestro almacena en un área de entradas. Para ilustrar lo anterior se observa en la Figura 4.3 cómo se realiza el intercambio de datos entre maestro y esclavo PROFIBUS-DP; es evidente la manera en que el buzón de salida del esclavo se emplea para mandar datos al maestro, a su vez el maestro recibe los datos por su área de entradas. De igual forma el maestro envía datos al esclavo a través de su área de salidas y el esclavo recibe las instrucciones por medio de su bandeja de entrada. Figura 4.3 Intercambio de datos entre maestro y esclavo PROFIBUS-DP. 78

88 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería No serviría de nada comprender el significado del tamaño del búfer si no entendiéramos la Dirección de los búfers de E/S. Esta dirección nos indica a partir de qué registro se comenzarán a guardar los búfers de E/S en la memoria V. En la Figura 4.3 se observa que la dirección de los búfers de E/S es VB5000; esto quiere decir que a partir del Byte 5000 de la memoria V se comenzará a almacenar dichos búfers, del Byte 5000 al Byte 5015 estarán reservados para el buzón de entrada del esclavo. Del Byte 5016 al 5031 estarán reservados para el buzón de salida del esclavo PROFIBUS-DP. Una vez comprendidos ambos términos es posible administrar la memoria de manera eficiente para una correcta comunicación maestro-esclavo PROFIBUS-DP. Con la administración de la memoria V se determina la localidad en la que deben ser colocados los datos para ser enviados al maestro, por el otro lado, se conoce en qué dirección llegan las instrucciones del maestro. Continuando con el ejemplo de la Figura 4.3, si se desea mandar datos al maestro es necesario colocarlos en cualquiera de las direcciones comprendidas entre VB5016 (Byte 5016 de la memoria V) y VB5031; para leer las instrucciones del maestro es necesario acceder a las direcciones VB5000 a VB5015. Ya que el procedimiento de envío de datos hacia el maestro y recepción de datos del mismo quedó explicado, es posible desarrollar el software necesario para llevar a cabo dicha acción. Cabe mencionar que una vez que se conoce el procedimiento de comunicación maestroesclavo depende del usuario aplicarlo de manera correcta, es decir, saber exactamente en cuál de los registros el maestro envía determinada información, de la misma forma, es esencial que el maestro conozca la dirección por la cual recibirá la información esperada. Programación del equipo S7-226 Como se explicó con anterioridad, el maestro recibe la información que el esclavo le envía por medio del buzón de salida y el esclavo recibe las indicaciones del maestro por medio del buzón de entrada. Con esta premisa es necesario explicar cómo es que el PLC S

89 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería direcciona la información requerida hacia los registros que conforman el búfer de E/S. Este direccionamiento se lleva a cabo empleando operaciones de transferencia. Las operaciones Transferir Byte (MOVB), Transferir palabra (MOVW), Transferir palabra doble (MOVD) y Transferir real (MOVR) transfieren un valor de una dirección (IN) a una nueva dirección (OUT) sin modificar el valor original. En la Figura 4.4 se muestra el bloque de operación de transferir Byte en lenguaje KOP (escalera). Figura 4.4 Operación de transferir Byte, MOV_B. La utilización de las operaciones de transferencia nos permite comunicar el estado de nuestros Bytes de E/S al controlador maestro. Si se desea enviar el estado de nuestro Byte de salida 0 (QB0) al maestro PROFIBUS-DP es necesario transferir QB0 a nuestro buzón de salida. En la Figura 4.5 se ejemplifica el envío del estado del QB0 al maestro, todo esto se realiza con una configuración de tamaño de búfer de 8 Bytes In/8 Bytes Out y con una dirección de búfer VB0. Esta configuración indica que nuestro buzón de salida comienza en la dirección VB8 y termina en VB15, en el ejemplo QB0 es enviado por la dirección VB10. Figura 4.5 Envío de QB0 por VB10. Cabe mencionar que en la Figura 4.5 se emplea la marca especial SM0.0 (siempre ON) con el objeto de activar el funcionamiento de la operación de transferencia y que mantenga constante el envío el estado de los Bytes de salida. 80

90 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Figura 4.6 Envío del estado de los Bytes de E/S del PLC S Continuando con la configuración anterior la Figura 4.6 transfiere el estado de los Bytes de E/S al buzón de salida para ser enviados al maestro, a su vez este los recibe por su área de entradas. En caso que el maestro requiera interferir en el proceso a través del esclavo es necesario que las instrucciones lleguen al buzón de entrada del esclavo y de ahí sean transferidas a un Byte de entradas o a uno de salidas. Es importante marcar que el PLC S7-226 cuenta con 3 Bytes de entradas (24 entradas digitales) y 2 Bytes de salidas (16 salidas digitales). Una muestra de la manera en que el maestro puede manipular el proceso es ilustrada en la Figura 4.7 (continuando con la configuración de ejemplo 8 Bytes In/8 Bytes Out y la dirección del búfer en V0), en ella se aprecia que los datos recibidos en el buzón de entrada son transferidos a los Bytes de entradas del PLC esclavo, es importante aclarar que si se quiere manipular directamente los Bytes de salidas sólo es necesario cambiar el campo OUT, en lugar de direccionar un Byte de entrada (IBx) se direcciona a un Byte de salida (QBx). 81

91 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Figura 4.7 Influencia del maestro en los Bytes de entrada del PLC S Otro aspecto importante a considerar es cuando el maestro ordena al esclavo. Ya se mencionó que el maestro manda instrucciones al buzón de entrada del esclavo, en el mismo se recibe todo un Byte de información. La manera en que el maestro manipula las entradas del esclavo se lleva a cabo modificando individualmente cada bit que integra al Byte enviado, puede que el maestro cambie únicamente el estado de un bit pero será enviado todo el Byte. Al momento que el esclavo recibe el Byte este es transferido a los Bytes de E/S, si el maestro modificó el bit 3 del Byte enviado entonces el bit 3 del Byte transferido a las E/S cambiará de estado. Ejemplo de lo anterior es que si se requiere activar el bit I2.3 el maestro deberá modificar el bit 3 de un Byte a enviar, este Byte arribar al buzón de entrada del esclavo para ser transferido a la dirección IB2. Cuando el Byte está en la dirección correcta el PLC esclavo detectará el cambio de ese bit y realizará la lógica correspondiente que esté relacionada con la entrada I2.3. Por esta razón no se debe ocupar un mismo Byte para leer entradas locales y entradas del mando remoto, lo anterior debido a que el mando remoto modifica el estado del Byte entero y el estado de bits que tengan conectadas entradas locales sería sobre escrito por el mando remoto, es decir, el estado entradas locales será ignorado. 82

92 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Cuando se tiene conocimiento de la manera en que se realiza la interacción maestro-esclavo PROFIBUS-DP es posible desarrollar la aplicación para el control del sistema de bombeo del cárcamo. A continuación se mencionan las modificaciones que se hicieron al software original para acoplarlo al sistema de control distribuido, es importante destacar que es necesario conocer la lógica que ejecutaba el control local, dicha lógica fue explicada en el capítulo III. Cabe mencionar que el programa que ejecuta el control local será modificado en algunos aspectos, en todos los casos para acoplarlo al control distribuido y mejorarlo en algunos otros; muestra de lo anterior es la incorporación de botones para iniciar y detener el sistema de bombeo, además de botones que manipulan el accionar de las bombas, independientemente del nivel de agua (los botones de accionamiento de la bombas sólo se encuentran en la estación de operaciones). La aplicación a crear contará con subrutinas, el programa principal, llamado general, contendrá todo el direccionamiento de E/S además de la asignación de bits internos. Una de las subrutinas ser nombrada control la cual llevar a cabo la lógica necesaria para gobernar el sistema de bombeo. Otra subrutina llamada recepción se encargar de direccionar todos los datos del buzón de entrada a los Bytes de entradas, por último la subrutina envío realizar la transferencia de información del esclavo al maestro, para ello trasladará el estado de las E/S al buzón de salida para así ser enviados al maestro. Para crear una subrutina es necesario ubicarse en la carpeta de subrutinas en la parte inferior del árbol de proyecto, una vez ahí, es necesario dar click derecho en la misma y seleccionar la opción insertar, posteriormente se elige subrutina. Después de este procedimiento sólo se requiere renombrar la subrutina, es necesario repetir estos pasos para crear las tres subrutinas necesarias que conforman el programa. La Figura 4.8 ilustra el procedimiento para crear una subrutina. 83

93 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Figura 4.8 Creación de una subrutina. Una vez que las subrutinas han sido creadas se procede a conformar el programa principal, dicho programa contendrá la declaración de todas las entradas que afectan la lógica de control del sistema de bombeo además de las subrutinas creadas con anterioridad. Como primer paso es necesario insertar la subrutina recepción para ello basta con localizarla en el árbol de proyectos (parte inferior) y arrastrarla al editor de programa, este procedimiento se muestra en la Figura 4.9 Figura 4.9 Integración de la subrutina recepción al programa general. Después de agregar la subrutina es necesario integrar al programa las E/S que intervendrán en el mismo, se recalca que se está partiendo del programa que realizaba el control local (explicado en el Capítulo III), estas E/S serán las mismas del programa previo con la diferencia de que se añadirá a cada entrada otra más en paralelo, esto es con el objeto de que sea posible el mando remoto. En la sección anterior (tabla de intercambio de datos) se 84

94 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería mencionaron las variables y direcciones a intercambiar, en base a ello se creará el programa. En la Figura 4.10 se muestra cómo el bit interno bit_nivel1 puede ser activado por la pera indicadora de nivel I1.0 o por el mando remoto I2.0 (Maestro PROFIBUS-DP). Figura 4.10 Bit_nivel1 puede ser activado por el indicador de nivel ó por el maestro PROFIBUS-DP En base a la premisa anterior se procede a colocar las entradas en paralelo, esto con la intención de ejercer el control a través del esclavo y del maestro. La Tabla 4.3 muestra cuáles entradas activan el mismo bit interno. Tabla 4.3 Un bit interno puede ser activado por dos entradas distintas. Entradas Bit interno Símbolo Dirección Símbolo Dirección nivel1 I1.0 nivel1_t I2.0 bit_nivel1 M0.0 nivel2 I1.1 nivel2_t I2.1 bit_nivel2 M0.1 nivel3 I1.2 nivel3_t I2.2 bit_nivel3 M0.2 Start I1.4 Start_t I2.3 bit_start M0.3 Stopp I1.3 Stop_t I2.4 bit_stop M0.4 85

95 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería La Figura 4.11 muestra el resultado de la integración de las entradas según la Tabla 4.3!!!!! Figura 4.11 Integración de la entradas al programa general. En la tabla 4.3 se aprecia la integración de los nuevos bits internos, bit_start y bit_stop, el primero de ellos se encarga de iniciar el sistema de bombeo; si este bit no se encuentra activo las bombas no podrán activarse, pero los indicadores si mostrarán el nivel de agua en el c rcamo. El segundo de ellos detiene el sistema, si el bit_stop est activado las bombas no podrán arrancar sin importar el nivel del cárcamo, de igual forma si alguna de las bombas se encuentra en operación y se activa dicho bit la bomba será detenida. En el caso de accionar ambos bits el sistema tiene prioridad al paro.! 86

96 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Otra de las nuevas características del programa es el accionamiento remoto de las bombas sin importar el nivel del cárcamo, para ello se declararon nuevas variables en el programa. La Tabla 4.4 muestra las variables y su correspondiente dirección. Tabla 4.4 Nuevas variables del programa y sus correspondientes bits internos. Entradas Bit interno Símbolo Dirección Símbolo Dirección bomba1on_t I2.5 bit_bomba1on_t M0.7 bomba1off_t I2.7 bit_bomba1off_t M1.2 bomba2on_t I2.6 bit_bomba2on_t M1.4 bomba2off_t I0.4 bit_bomba2off_t M1.7 Las nuevas variables también se direccionarán a las entradas por lo que se agregan de la misma manera, como se mencionó la utilización de bits internos es para prever fallos en algunas de las entradas. Si falla la entrada los cambios requeridos en el programa serán mínimos pues sólo será necesario redireccionar la entrada y no se modificará toda la lógica del mismo puesto que el programa opera en base al registro de memoria interna. La Figura 4.12 muestra la integración de las nuevas entradas al programa general.!!! Figura 4.12 Asignación de un bit interno a la entrada I2.5! 87

97 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería La Figura 4.13 muestra las modificaciones realizadas al programa para que fuera posible activar/desactivar las bombas 1 y 2 mediante el mando remoto. Como se observa el bit_bomba1/bit_bomba2 procede de la lógica del programa, pero bit_bomba1on_t/bit_bomba2on_t son instrucciones provenientes del maestro PROFIBUS- DP. En esta parte también se ilustra que si bit_stop es activado las bombas dejar n de operar.! Figura 4.13 Lógica para el accionamiento remoto de las bombas 1 y 2.! Para culminar con el programa principal es necesario insertar las subrutinas faltantes control y envió (Figura 4.14); la primera de ellas se condiciona a que el bit_start permita que se realice la rutina de control además de que no se encuentre accionado el bit_stop, la segunda, debe realizarse a cada momento puesto que se encarga de informar el estado de las E/S al maestro. Figura 4.14 Adición de las subrutinas restantes al programa principal. 88

98 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería En el momento que se encuentra conformado el programa principal sólo resta definir las acciones a realizar por la subrutinas, para ello se comienza con la subrutina control. Como primer paso es necesario elegir la subrutina a editar, para ello se posiciona en la parte inferior del editor de programa y se elige la subrutina a editar. Esta acción es representada por la Figura Figura 4.15 Selección de la subrutina control. Ya que la subrutina se ha seleccionado se comienza con la programación de la misma. Esta subrutina contendrá el mismo algoritmo del controlador local (explicada en el capítulo III), no cambiará en ningún aspecto debido a que la lógica es la misma y lo único que varía es la influencia de las entradas en el proceso; por tales motivos no será descrito el funcionamiento de la subrutina, sólo se ilustra la programación en lenguaje KOP (Figura 4.16).!!! Figura 4.16 Contenido de la subrutina control.! 89

99 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería A continuación se mostrar el contenido de la subrutina recepción, como se mencionó esta subrutina se encarga de recibir las instrucciones provenientes del maestro y transferirlas a los Bytes de entradas, es importante recordar que no se debe utilizar un mismo Byte para entradas locales (indicadores de nivel) y para recibir instrucciones del maestro; en este caso el Byte IB1 se emplea para conectar las peras indicadoras de nivel y los Bytes IB0 e IB2 se ocupan para recibir órdenes del maestro enfocadas a manipular el proceso. La Figura 4.17 muestra la transferencia que se realiza del búfer de salida a los Bytes de entradas. Figura 4.17 Subrutina recepción. El procedimiento siguiente indica el desarrollo de la subrutina envío la cual transmite la información del estado de los Bytes de E/S al buzón de salida para ser comunicados al maestro PROFIBUS-DP. La Figura 4.18 muestra las tareas ejecutadas por la subrutina. Figura 4.18 Subrutina envío. 90

100 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Al terminar de crear la subrutina envío se finaliza la programación correspondiente en el PLC S7-226, sólo resta transferir el software al equipo. En el apartado siguiente se muestra la configuración y programación del módulo maestro PROFIBUS-DP AC800F de ABB. Para obtener más información de los comandos empleados en la programación del PLC S7-226 consulte el Anexo A. 4.2 Configuración del Sistema de Control Distribuido. Asignación de la dirección IP de la Estación de Ingeniería. Como se mencionó en el Capítulo II en una estación de ingeniería se configura y comisiona el sistema, para ello se requiere asignar direcciones de IP a la estacion de ingenieria y a la PC donde se configurará el sistema, estas direcciones deben se idénticas. En base a lo anterior se procede con la asigancón de dirección IP a la estación de ingeniería con ayuda del Soft are Configure. Para iniciar dicha aplicación se requiere seguir la siguiente ruta: Inicio>Todos los programas>abb Industrial IT>Freelance 800F>Cofigure. Una vez abierta la aplicación (Figura 4.19) se posiciona en la pestaña General Settings, en ella se visualiza el área donde es posible asignar la dirección IP de la estación de ingeniería, esta dirección IP debe ser similar a la que posee la PC, cabe mencionar que para cambiar la IP de la estación de ingeniería es necesario que no se esté ejecutando el soft are Control Builder. Figura 4.19 Asignación de IP a la estación de Ingeniería. 91

101 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería También es necesario asignar un número único de identificación (ID) al software Control Builder F, para ello se posiciona en la parte izquierda de la ventana y selecciona la pestaña de Control Builder F, donde asignaremos el ID 25 (Figura 4.20). Figura 4.20 Asignación de ID al programa Control Builder F De igual forma se requiere asignar un ID para la aplicación DigiVis, en la parte izquierda selecciona DigiVis y asigna el ID. En el caso de ejemplo la Figura4.21 muestra la asignación de ID 22. Figura 4.21 Asignación de ID al programa DigiVis. 92

102 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Después de fijar las configuraciones anteriores se elige la opción Aplicar y posteriormente Aceptar. Ahora es necesario configurar la dirección IP de la PC. La configuración se realiza desde el Panel de Control, una vez abierto seleccione Conexiones de Red y abra la opción Conexiones de Área Local. Dentro de las Propiedades de Conexión de Área Local, seleccione el despliegue de Protocolo Internet (TCP/IP) y de click en la opción propiedades (Figura 4.22). Figura 4.22 Propiedades del Protocolo de Internet (TCP/IP). Una vez en la ventana de Propiedades de Protocolo Internet (TCP/IP) se activa la casilla Usar la siguiente dirección IP, la dirección IP a asignar debe ser similar a la estación de ingeniería como se muestra en la Figura Después de asignar la IP deseada seleccione la opción Aceptar. Figura 4.23 Asignación de la misma IP. 93

103 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Creación de un nuevo proyecto Para crear un nuevo proyecto se ejecuta el programa Control Builder F ubicado en la dirección: Inicio>Todos los Programas>ABB Industrial IT>Freelance 800F. Una vez abierto el programa Control Builder F seleccione el ícono Crear nuevo Proyecto, posteriormente indique la dirección donde se almacenará y el nombre del mismo, también es posible determinar algunas características como lo son el autor, número del proyecto, descripción y una clave de acceso, si se requiere. Las operaciones anteriores se ilustran en la Figura Figura 4.24 Creación de un nuevo proyecto. Posteriormente de asignar el nombre y las características del proyecto, se activa el modo de configuración con el ícono localizado en la barra de tareas. Ya que se cuenta con un proyecto es posible definir todos los elementos que conformarán el Sistema de Control Distribuido. Instauración de una estación de proceso (D-PS) La creación de una estación de proceso nos permite definir nuestro controlador en planta, generalmente dicho equipo realiza el control lógico y a su vez se encarga de realizar la adquisición de datos del resto de los dispositivos. 94

104 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Para crear la estación de proceso (D-PS) se requiere estar dentro del modo de configuración, en él se despliega el árbol de proyecto donde es necesario insertar un siguiente nivel, para ello de click derecho sobre el proyecto y elija Insert, a continuación seleccione next level, aparecerá una ventana donde es necesario seleccionar Configuration CONF, en el caso ejemplo dicho objeto es nombrado cárcamo ; en procedimientos futuros se repetirá la rutina anterior, insertar siguiente nivel, por ello es importante que se familiarice con la rutina, todo este procedimiento se ilustra en la Figura 4.25 El objeto Configuración CONF es la parte donde se encuentra toda la información de la estación de ingeniería, es decir, toda la programación del usuario, la estación de proceso, estación de operación y las rutinas que estos contengan. Figura 4.25 Adición del objeto ConFiguration CONF.! Continuando con la declaración de la estación de proceso (D-PS) es necesario que en la pestaña de configuración carcamo CONF se inserte un siguiente nivel y agregue una estación de proceso (D-PS). El procedimiento anterior se ilustra en la Figura 4.26 Como se mencionó la estación de proceso (D-PS) está formada por el equipo encargado de controlar el proceso, en este caso el AC800F, para que dicho equipo pueda tener el control 95

105 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería es necesario indicarle las rutinas que realizará. Dichas rutinas se le indican por medio de una lista de programa (PL). Figura 4.26 Integración de una estación de proceso (D-PS). Lista de programas (PL) Los programas a ejecutar por la estación de proceso, controlador AC800F, están contenidos en una lista de programas (PL). Dichos programas pueden ser creados en diversos lenguajes de programación como lo son: Bloque de funciones (FDB) Diagrama de escalera (LD) Lista de instrucciones (IL) Texto estructurado (ST) La lista de programas (PL) se encuentra dentro de un objeto task TASK, este objeto comprende todas las listas de programas (PL) subordinadas del controlador AC800F. 96

106 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Para agregar un objeto task TASK se inserta un siguiente nivel dentro de la estación de proceso (D-PS) y se selecciona la opción task TASK. La Figura 4.27 muestra dicho procedimiento. Fig 4.27 Adicion de un objeto task TASK. Añadido el objeto task TASK se agrega una lista de programas (PL), para ello se insertan un siguiente nivel y seleccionando la opción Program list PL (Figura 4.28). Figura 4.28 Incorporación de una lista de programas. El lenguaje de programación a implementar depende de la habilidad del usuario con las diversas estructuras de programación, la incorporación de los programas se efectúa insertando un siguiente nivel en la lista de programas (PL). La Figura 4.29 muestra la ventana de selección del lenguaje de programación. 97

107 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Figura 4.29 Adición de lenguajes de programación. La culminación del proceso anterior marca el final de la declaración de la estación de proceso, de ahora en adelante nos enfocaremos a crear una estación de operación (D-OS). Instauración de una estación de operación (D-OS). La estacion de operación (D-OS), con ayuda del programa DigiVis, facilita la observacion y la gestión de un proceso dentro de una industria. El nivel de operación facilita la creación y análisis de pantallas, visualizaciones de tendencias, visualizaciones gráficas, pantallas web, asi como el monitoreo de alarmas, archivos y reportes. DigiVis se incorpora a la estación de operación (D-OS) mostrando visualizaciones del proceso asignadas, agilizando la interacción del operario, DigiVis se encuentra dentro de la paquetería de ABB Industrial IT. Una estación de operación (D-OS) se añade dentro del nivel de configuración que cuenta con la extensión CONFIG, es necesario insertar un siguiente nivel para seleccionar la creación de una estación de operación (D-OS), Figura 4.30 Figura 4.30 Incorporación de una estación de operación (D-OS). 98

108 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Pantalla gráfica (FGR). Incorporada la estación de operación (D-OS) se adiciona un nivel que contendrá la pantalla gráfica (FGR), esta pantalla es un editor de visualización en donde se pueden asignar pantallas y acciones en base al análisis de un proyecto, creando pantallas, objetos dinámicos, tendencias, visualizaciones gráficas, alarmas, entre otros. La visualización de estas pantallas se realiza mediante el software DigiVis. La declaración de la pantalla gráfica (FGR) se realiza una vez incorporada la estación de operación (D-OS) insertando un siguiente nivel y eligiendo Graphic diplay (FGR) como se muestra en la Figura 4.31, este nivel será el área de trabajo para lograr la visualización de cualquier proceso. Figura 4.31 Declaración de una pantalla grafica (FGR). El árbol de proyecto (Figura 4.32) muestra la estación de proceso (D-PS) donde la programación puede ser realizada por el operario y la estación de operación (D-OS) donde se modifican las visualizaciones de las operaciones e instrucciones a mostrar dentro del programa DigiVis. 99

109 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Figura 4.32 Arbol de proyecto con estación de proceso (D-PS) y estación de operación (D-OS) Declaración de recursos La declaración de recursos se basa en la integración de los componentes con los que se cuenta físicamente, estos elementos son con los que se va a trabajar en la realización del proyecto, para la estación de proceso (D-PS) se adicionará el controlador AC800F y para la estación de operación (D-OS) se incorporará una pantalla con extensión VIS. La acción se realiza a través del ícono Hardware Structure localizado en la barra de herramientas. La pantalla de estructura de hardware muestra la estación de ingeniería y la línea de comunicación vía Ethernet. En la parte superior de la línea de comunicación se incorpora la estación de operación que serán las pantallas a mostrar y en la parte inferior de la vía de comunicación se integran los componentes a trabajar dentro de la estación de proceso. La Figura 4.33 muestra la ventana estructura de hardware. Figura 4.33 Pantalla estructura de hardware. 100

110 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Módulos de la estación de proceso. Los módulos de la estación de proceso son adicionados dando click derecho en el área disponible debajo de la red de comunicación Ethernet, eligiendo la opción insert y optando por el objeto AC800F Industrial IT Controller, esta acción inserta el gabinete principal de Freelance a utilizar donde se incorporan los módulos con que se cuenta. Para incorporar los módulos es necesario dar doble click sobre el gabinete, al realizar lo anterior el gabinete se ampliará y será posible insertar los módulos. El gabinete se muestra en la Figura 4.34 Los módulos se insertan en el gabinete dando click derecho dentro del espacio asignado y seleccionando la opción Insert. Los módulos posibles a insertar se describen en la Tabla 4.5 Figura 4.34 Gabinete Freelance AC800F. Componentes que integran el gabinete Freelance AC800F: 101

111 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Tabla 4.5 Componentes de módulo AC800F MODELO NOMBRE DESCRIPCIÓN SA811F EI813F FI840F FI830F Power Supply 115V AC/230V AC Ethernet module 10BaseT FF/HSE Module 100BaseTX PROFIBUS Module Proporciona la alimentación del módulo AC800F, opera con corriente alterna de 115 Volts o 230 Volt. Es incorporado en la ranura P, el primer compartimento a la izquierda. Módulo de comunicación Ethernet para controlar y manipular el dispositivo AC800F. Puede ser instalado en la ranura E1 o E2. Módulo de comunicación Field Bus Ethernet, puede ser ocupado por el protocolo FOUNDATION Field Bus y el protocolo de comunicación TCP/IP. ES incorporado en cualquiera de las ranuras comprendidas entre F1 y F4. Módulo de conexión PROFIBUS, aloja la conexión de una línea de comunicación vía PROFIBUS, con una conexión máxima de 125 esclavos. El módulo puede ser ingresado entre la ranura F1 y F4. Una vez que se identifican los posibles elementos a integrar el gabinete Freelance podemos declarar los módulos, la Figura 4.35 muestra el gabinete del módulo AC800F con las tarjetas de comunicación incorporadas (sólo con las que se cuenta). Figura 4.35 Tarjetas de comunicación integradas al módulo AC800F Componentes de la estación de operación. La incorporación al sistema de la estación de operación se realiza dentro de la visualización general de la estructura del hardware, para ello de click derecho en área disponible por 102

112 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería encima de la línea de comunicación Ethernet y seleccione la opción insertar eligiendo el objeto VIS referida a la estación de operación (Figura 4.36). Figura 4.36 Incorporación de la estación de operación. Asignación de recursos La asignación de recursos es un punto muy importante al realizar un proyecto ya que se basa en la vinculación de los elementos creados en la estación de ingeniería (estación de proceso y estación de operación) con los elementos físicos que se cuenta (controlador AC800F y CPU para monitoreo). Esta asignación se realiza de forma sencilla, únicamente es necesario dar click derecho sobre la imagen de la estación a incorporar, seleccionado la opción Resource allocation y eligiendo el nombre de la estación de proceso (Figura 4.37) o la estación de operador (Figura 4.38) según sea el caso. Figura 4.37 Asignación de recursos a la estación de proceso. 103

113 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Figura 4.38 Asignación de recursos a la estación de operador. Así como se vinculan la estación de operación y la estación de proceso dentro del proyecto, la programación y edición de las acciones a realizar o a mostrar se efectúa dentro del árbol de proyecto, cabe destacar que en la estación de proceso (D-PS) se sustituirán las siglas D-PS por el controlador AC800F y en la caso de la estación de operación (D-OS) las siglas se sustituirán por la palabra VIS. Todas las acciones anteriores son parte de la declaración y asignación de hardware esencial a realizar en cada proyecto, a continuación comienza la creación de la red PROFIBUS-DP para la comunicación entre el maestro AC800F y el esclavo S Integración de esclavos a la red PROFIBUS-DP. Retomando laconfiguración previa de los módulos que integran la estación de proceso (Figura 4.39), se incorporarán esclavos PROFIBUS-DP al módulo Freelance AC800F a través de la tarjeta de comunicación PROFIBUS FI830, con la intención de realizar una configuración adecuada que conlleve a la incorporación de un esclavo de la marca SIEMENS, el PLC S

114 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Figura 4.39 Módulo AC800F con tarjetas de comunicación. La incorporación de dicho esclavo PROFIBUS-DP requiere configurar el dispositivo de comunicación PROFIBUS, esto con el objeto de establecer una línea de comunicación creando una conexión maestro-esclavo PROFIBUS-DP, para ello se requiere dar doble click en el dispositivo de comunicación PROFIBUS FI830 como se muestra en la Figura 4.39 Una vez que observa el módulo de comunicación (Figura 4.40) es necesario insertar el maestro PROFIBUS, para ello posiciónese en la conexión y ejerza un click derecho sobre la misma para elegir la opción Insert, posteriormente opte por PROFIBUS Master. Cuando el maestro es insertado el cable de conexión será continuo como es mostrado por la Figura 4.40 Figura 4.40 Declaración del maestro PROFIBUS. 105

115 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería La conexión maestra PROFIBUS permite la incorporación de equipos que cuentan con el mismo protocolo, esto para establecer una comunicación entre esclavos conectados a la red. En el caso de ejemplo la red PROFIBUS se encuentra conformada por tres nodos. Los primeros dos están conformados por tarjetas de E/S remotas (periferia descentralizada), los dispositivos son módulos que incorporan tarjetas de lectura/escritura de datos ya sean analógicos o digitales, ambos módulos a incorporar forman parte de la familia ABB. El nodo tres de comunicación PROFIBUS esta conformado por un esclavo S7-226, acoplado a un módulo inteligente EM277, ambos pertenecientes a la familia SIEMENS. Para incorporar los esclavos es necesario abrir la conexión maestra, para ello de doble click sobre la conexión PROFIBUS, posteriormente aparecerá la red PROFIBUS (en un principio conformada únicamente por el maestro), estando ahí se ejerce click derecho sobre la conexión PROFIBUS maestra, se selecciona la opción Insert slave mostrada en la Figura 4.41 Figura 4.41 Incorporación de esclavos PROFIBUS. A continuación se despliega una nueva ventana en la cual se define el modo de incorporación del esclavo a comunicar dentro de la red PROFIBUS; existen dos opciones para incorporar esclavos a la red (Figura 4.42), el primero es a través de archivos de la base DTM y el segundo es por medio de archivos de base GSD. Como se mencionó en el Capítulo I el archivo GSD sólo nos proporcionan información sobre las características y opciones de configuración del dispositivo, por otro lado el Field Device Tool/Device Type Maager FDT/DTM es más completo. Dado que el proveedor del dispositivo 106

116 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería y el del sistema de gestión de activos pueden ser distintos, esta norma define la interacción entre ambos. De este modo, la forma en que la información de un equipo es presentada en el sistema de gestión de activos depende del fabricante del equipo y no del fabricante del sistema de gestión de activos. Figura 4.42 Métodos de integración de esclavos Ya que se integra un esclavo a la red es preciso definir la dirección de Bus, generalmente esta se asigna físicamente a través de perillas giratorias que se encuentran en los dispositivos. La Figura 4.43 muestra el ejemplo de la asignación de la dirección de bus. Figura 4.43 Asignación de dirección de Bus. Ahora que se conocen los métodos para sumar un esclavo PROFIBUS a la red es posible agregarlos, a continuación se agregarán los esclavos que conforman el caso de ejemplo. 107

117 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Módulos de periferia descentralizada Los módulos de periferia descentralizada son equipos instalados en campo, son incorporados a distancia del rack FREELANCE y generalmente están conformados por módulos de E/S remotas. Estos módulos remotos son parte de la familia ABB por lo que integrarán a la red por medio de las base FDT/DTM. Cada dispositivo cuenta con tarjetas de E/S como se especifica en la tabla 4.6 Tabla 4.6 Descripción de las tarjetas de E/S en los nodos 1 y 2. NODO NOMBRE TARJETAS DE ENTRADA TARJETAS DE SALIDA 1 S800/CI801 (AI895) 8 entradas analógicas (DO810) 8 salidas digitales 2 S900 (DI08) 8 entradas digitales (AI4H) 4 entradas analógicas (DO4) 4 salidas digitales (AO4) 4 salidas analógicas Una vez que se conocen los módulos de periferia descentralizada es necesario agregarlos a la red con su respectiva dirección de bus. La fugura 4.44 muestra los dos primeros nodos incorporados a la red PROFIBUS. Figura 4.44 Visualizacion de los dos primeros nodos con su respectiva dirección de bus. La adición del módulo de comunicación PROFIBUS de la compañia SIEMENS, se realiza en base a los archivos GSD, los archivos GSD se encuentran disponibles en la página web de la compañía fabricante de los dispositivos y pueden ser descargados con facilidad. 108

118 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Para la incorporación del esclavo SIEMENS a la red PROFIBUS es necesario agregar un esclavo nuevo dentro de la red maestra PROFIBUS y seleccionar la pestaña de esclavo PROFIBUS en base a archivos GSD (Figura 4.45). Figura 4.45 Integración de esclavo PROFIBUS en basa a archivos GSD. Después de asignar la dirección de bus correspondiente al módulo EM277, encargado de transmitir y recibir datos del PLC, en la ventana que se despliega se ingresa la ruta en la que se ubica el archivo GSD del módulo EM277 a incorporar (Figura 4.46), al seleccionar el archivo GSD se presiona el botón Start Import para comenzar la adición de librerías e imágenes del dispositivo. Figura 4.46 Incorporación del archivo GSD del módulo EM277. El módulo inteligente de comunicación EM277 se inserta en el nodo tres de la red PROFIBUS, y se visualiza en la ventana principal con una imagen referencial. Dicho equipo puede observarse en la red PROFIBUS en la Figura

119 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Figura 4.47 Visualización del módulo EM277 en la red PROFIBUS. El establecimiento de la configuración para el intercambio de datos con el módulo EM277 es un aspecto muy importante a definir ya que esto indica la manera de interactuar con el dispositivo. A continuación es necesario delimitar el área direcciones de E/S del maestro PROFIBUS-DP, cabe mencionar que el tamaño de esta área será el mismo que el espacio a reservar en la memoria V del esclavo S7-226 para los buzones de E/S ; la descripción del funcionamiento de dichas reas fue descrita en la sección de Tablas de intercambio de datos del Capítulo IV. Para definir el área de direcciones de E/S del maestro PROFIBUS-DP es necesario posicionarnos en el rbol de estructura de hard are y dar click derecho sobre el nodo tres y seleccionar la opción Insert (Figura 4.48). Figura 4.48 Adición del formato de los datos a comunicar. 110

120 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Al desplegar la ventana de configuración del módulo EM277 se visualizan las opciones del tamaño del área de direcciones de E/S (Figura 4.49), la elección del tamaño de dicha área se basa en los datos necesarios a intercambiar durante el proceso. Para el caso en cuestión se eligieron 8Bytes Out/8Bytes In; esta decisión está basada en que el S7-226 cuenta con 3 Bytes de entradas y 2 Bytes de salidas, en su totalidad suman 5 Bytes y si se requiere el monitoreo de todas las E/S del esclavo con la primera configuración no sería suficiente. Figura 4.49 Selección del tamaño del área de direcciones del maestro PROFIBUS-DP. Una vez delimitado el tamaño del área de direcciones de E/S es necesario definir en qué registro de la memoria V comenzará el almacenamiento de dichos datos. Como se mencionó en el apartado de Configuración del dispositivo esclavo S7-226 de este capítulo, esta memoria se utiliza para el intercambio de datos maestro-esclavo PROFIBUS-DP. La definición del registro de memoria dónde comienza el área direcciones de E/S se realiza dando clic derecho sobre el nodo tres de comunicación, seleccione la opción parámetros, dentro de la ventana que se despliega se ingresa a la pestaña User, en dicha pestaña se muestra un espacio en blanco donde se puede asociarse la dirección de inicio de registro dentro de la memoria V (Figura 4.50). 111

121 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Figura 4.50 Definición del registro de inicio de la memoria V. Ya que se configuró el área de direcciones de E/S del dispositivo esclavo no queda más que darlas de alta en el controlador maestro, para ello se requiere emplear el Editor de E/S. Editor de E/S. El editor de E/S facilita el acceso al área de direcciones de E/S a utilizar dentro de la transferencia de datos, en pocas palabras, se pueden declarar el número de E/S que se desean utilizar, por ejemplo, si se agregó un medio de comunicación de 8 Bytes E/8 Bytes S, se pueden dar de alta 2 Bytes de entrada y 4 Bytes de salida, sin necesidad de declarar todos los Bytes de E/S evitando el envío de datos innecesarios. La ventana editor de E/S se visualiza dando click derecho sobre el nodo tres de comunicación PROFIBUS que pertenece al módulo EM277, seleccionando la opción I/O editor como se muestra en la Figura

122 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Figura 4.51 Acceso al editor de E/S. La declaración de las entradas a comunicar se realiza seleccionando la pestaña Input y posicionándose en el centro de la ventana, de click derecho y seleccione la opción Insert component, esta acción se ilustra en la Figura 4.52 Figura 4.52 Insertar componentes de entrada. Posteriormente se despliega una ventada donde se muestran los tipos de datos a enviar, estos pueden ser tipo bit, Byte, INT, REAL, WORD entre otros. El intercambio de datos entre el módulo AC800F y el esclavo S7-226 se realizará mediante bits (Figura 4.53), recordar que un Byte contiene 8 bits, contabilizándose desde el bit

123 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Figura 4.53 Declaración de bits a intercambiar. La declaración de los bits a recibir se realiza en base a la exigencia del programa, una vez seleccionadas las entradas que se desean utilizar se visualizan en la pestaña de Input, como se muestra en la Figura 4.54 se observan los bits a utilizar y a que Bytes pertenecen los mismos. Figura 4.54 Visualización de bits a utilizar. Continuando con el mismo patrón se agregan los bits de salida en la pestaña Output, tomando en cuenta que se agregan los bits necesarios dentro del proceso (Figura 4.55). 114

124 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Figura 4.55 Declaración de bits a utilizar dentro de la comunicación. Como síntesis de lo anterior, los bits declarados en la pestaña de entradas recibirán la información del estado de los bits de E/S del esclavo PROFIBUS-DP (esta información provendr del buzón de salida del esclavo); de la misma forma los bits declarados en la pestaña de salidas se utilizarán para enviar información a los bits de entrada del esclavo (darán indicaciones al proceso, arribar n al buzón de entrada del esclavo). A estas alturas se culmina con la configuración de red, todos los parámetros dados de alta permitirán la comunicación maestro-esclavo PROFIBUS-DP. NO queda más que corroborar la comunicación de los equipos y elaborar el software correspondiente para que el maestro manipule al esclavo. Detección de esclavos en la red La deteccion de los esclavos dentro de la red de counicacion PROFIBUS es un punto relevante, ya que es la base para continuar con la programación y configuración de la comunicación con el esclavo S7-226, un error de comunicación puede ser la mala conexión del cable, o de los conectores ya que dentro de la comunicación sólo se verifica si los esclavos están conectados a la red y no si hay intercambio de datos. 115

125 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Para realizar dicha detección se requiere entrar en modo Asignación de tareas, como se mencionó este modo se emplea para transferir todas las configuraciones y programas a los equipos que se encuentran en el Sistema de Control Distribuido, para ello es necesario posicionarse en el árbol de proyecto y seleccionar el primer elemento, posteriormente presionar el ícono Check. La acción anterior verificar que el proyecto no tenga errores, después de la verificación se procede a entrar en modo Asignación de tareas con el ícono. Una vez en modo Asignación de tareas se transfieren las configuraciones a la estación de proceso (AC800F) y a la estación de operación (VIS). Para realizar la transferencia de configuraciones y software a la estación de proceso (AC800F) es necesario colocarse en el árbol de proyecto sobre la estación de operación, posteriormente de click derecho y seleccione la opción Load para elegir el campo Whole Station. Este procedimiento se ilustra en la Figura 4.56 Figura 4.56 Transferencia de las configuraciones a la estación de proceso. Ya que se han transferido las configuraciones es necesario abrir la ventana Hard are Structure, se observa el rbol de estructura de Hard are (lado izquierdo) y todos los elementos se encuentran palomeados en verde (Figura 4.57), indicando que todos los elementos se encuentran conectados (incluyendo la red PROFIBUS-DP). 116

126 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Figura 4.57 Verificación de esclavos conectados a la red. Cuando se tiene la certeza de que la red se encuentra funcionando es posible crear el software necesario para que el maestro interactúe con el esclavo y a través de él con el proceso. 4.3 Programación de datos a comunicar con el Sistema de Bombeo. La programación del control maestro, módulo AC800F, se realizará dentro de la lista de programas (PL), previamente se mostró la configuración necesaria para llegar a la ramificación de lista de programas (PL) dentro de una estación de proceso. Una vez creada la lista de programas (PL) en el árbol de proyecto se inserta un siguiente nivel dentro del cual se desarrollará una programación en lenguaje escalera. La Figura 4.58 muestra la creación del programa en lenguaje escalera llamado Nivel. Figura 4.58 Programa en lenguaje escalera llamado Nivel. 117

127 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Para comenzar con la programación es necesario dar doble click sobre la aplicación nivel (LD), posteriormente se despliega la pantalla de programación donde se crearán los comandos y operaciones a realizar dentro del módulo AC800F (Figura 4.59). Figura 4.59 Pantalla de programación en lenguaje escalera. A continuación se mencionan los datos a comunicar entre maestro-esclavo: Detección de entradas: detectar el inicio y paro del proceso así como también la activación de sensores de nivel que se manifiestan a las entradas del PLC. Detección de salidas: monitorear las salidas del módulo S7-226 al activar las bombas que operan el proceso. Mando remoto de entradas: activar las entradas al proceso, esto es, la activación de los niveles aunque no se presente la indicación física de los sensores, también es importante activar alguna entrada para arrancar/detener las bombas. Conteo de accionamiento de bombas: adicionar un contador que detecte la activación de cada bomba de forma independiente. Para ampliar el panorama del programa a realizar la Tabla 4.7 contiene información de las variables a crear dentro del software y la relación que entre estas existe. 118

128 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Variable Tabla 4.7 Variables declaradas dentro de la programación. Descripción accion_b1 Dato ingresado por el operador para accionar bomba 1. accion_b2 Dato ingresado por el operador para accionar bomba 2. accion_plc_b1 Dato ingresado por el PLC esclavo de arranque de bomba 1. accion_plc_b2 Dato ingresado por el PLC esclavo de arranque de bomba 2. cont_b1 Variable que acumula el conteo de acción de bomba 1. cont_b2 Variable que acumula el conteo de acción de bomba 2. ind_inicio Indica el inicio del proceso, iniciado por el PLC (inic_bom_plc) o el operador (inicio_bombeo). ind_paro Indica el paro del proceso, iniciado por el PLC (paro_bom_plc) o el operador (paro_bombeo). ind_sen_1 Indica nivel bajo, iniciado por el PLC (nivel_plc1) o el operador (nivel1). ind_sen_2 Indica nivel medio, iniciado por el PLC (nivel_plc2) o el operador (nivel2). ind_sen_3 Indica nivel alto, iniciado por el PLC (nivel_plc3) o el operador (nivel3). indicador_b1 Indica el arranque de bomba 1, iniciado por el PLC (accion_plc_b1) o el operador (accion_b1). indicador_b2 Indica el arranque de bomba 2, iniciado por el PLC (accion_plc_b2) o el operador (accion_b2). inic_bom_plc Dato ingresado por el PLC esclavo de inicio de proceso de bombeo. iniciar_plc Dato enviado al módulo esclavo de inicio de bombeo accionado por el operador (inicio_bombeo). inicio_bombeo Variable para iniciar proceso de bombeo por el operador. nivel_plc1 Dato ingresado por el PLC esclavo de nivel bajo a la entrada. nivel_plc2 Dato ingresado por el PLC esclavo de nivel medio a la entrada. nivel_plc3 Dato ingresado por el PLC esclavo de nivel medio a la entrada. nivel1 Variable para iniciar indicar nivel bajo por el operador. nivel2 Variable para iniciar indicar nivel medio por el operador. nivel3 Variable para iniciar indicar nivel alto por el operador. paro_b1 Dato ingresado por el operador para detener bomba 1. paro_b2 Dato ingresado por el operador para detener bomba 2. paro_bom_plc Dato ingresado por el PLC esclavo de inicio de proceso de bombeo. paro_bombeo Dato ingresado por el operador para el paro de bombeo. Paro_bombeo_pl c Dato enviado al módulo esclavo de paro de bombeo accionado por el operador (paro_bombeo). plc_bomba1 Dato enviado al módulo esclavo para arranque bomba 1 accionado por el operador (accion_b1). plc_bomba2 Dato enviado al módulo esclavo para arranque bomba 2 accionado por el operador (accion_b2). plc_paro_b1 Dato enviado al módulo esclavo indicando paro bomba 1 accionado por el operador (paro_b1). plc_paro_b2 Dato enviado al módulo esclavo indicando paro bomba 2 accionado por el operador (paro_b2). rest_cont1 Variable para reiniciar contador 1. rest_cont2 Variable para reiniciar contador 2. sensorn1 Dato enviado al módulo esclavo indicando nivel bajo accionado por el operador (nivel1). sensorn2 Dato enviado al módulo esclavo indicando nivel medio accionado por el operador (nivel2). sensorn3 Dato enviado al módulo esclavo indicando nivel alto accionado por el operador (nivel3). 119

129 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Ahora que se tiene conocimiento de las variables a intercambiar en la comunicación maestroesclavo PROFIBUS-DP se procede a realizar la programación del controlador maestro AC800F. Es importante mencionar que al principio sólo se declararán las variables, al final de la programación serán direccionadas al área de direcciones de E/S. Por otro lado, es necesario indicar que la programación es generada en base a que se requiere la realización de una HMI para manipular el proceso, por ello, se definen variables que serán activados desde la estación de operación. La filosofía a seguir en la primera parte del programa es mantener dos líneas en paralelo de activación hacia un indicador de E/S, esto se realiza en base a que dicho indicador puede ser activado por el PLC S7-226 instalado en el sistema o por la estación de operación mediante el operario. Es necesario considerar que todos los indicadores se declararon con el fin de ser utilizados en la creación de la HMI. Dicha estructura de programa se observa en la Figura 4.60 donde se muestra que el indicador de inicio del sistema ind_inicio puede ser accionado desde dos partes, una de ellas proviene del esclavo inic_bom_plc y la otra proviene de la estación de operación inicio_bombeo. Si el indicador de paro ind_paro es accionado el proceso no podr iniciar. En el tercer escalón se aprecia que al momento en que el operador arranca el sistema de bombeo Inicio_bombeo se manda una orden al esclavo para que realice dicha acción. La dinámica del programa es similar en toda la primera parte por lo que sólo se mencionará esta breve explicación. Se recomienda ayudarse de la Tabla 4.9 observando la descripción de cada variable. 120

130 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Figura 4.60 Programación de botones de arranque/paro del sistema. La Figura 4.61 muestra la programación de las peras detectoras de nivel, el funcionamiento del programa en escalera es muy similar al anterior. Figura 4.61 Declaración de los niveles del Cárcamo. 121

131 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería A continuación comienza la programación de la lógica de accionamiento de bombas, este es uno de los puntos más importantes dentro del proceso, el arranque de las bombas depende de la filosofía de programación, el proceso debe de estar iniciado y el indicador de paro desactivado (Figura 4.62), ya que de no ser así las bombas nunca arrancarían. Una vez que el proceso esta iniciado el maestro espera a que el esclavo le indique que la bomba 1 arrancó, esta indicación se lleva a cabo por medio de la variable acción_plc_b1, de no ser así el operador puede arrancar directamente la bomba sin importar el nivel del c rcamo activando la variable acción B1. Al activar la variable mencionada se energiza la bobina plc_bomba1 que ordena al esclavo activar la bomba. Por otro lado si la bomba 1 se detiene indicador_b1 se apagar, en su defecto, el operador puede detener la bomba activando paro_b1. Esta variable ordena al esclavo apagar la bomba. Figura 4.62 Programación de accionamiento de bombas. Para mejorar el sistema se incorporará a la programación un contador de pulsos que detectará la cantidad de veces que se acciona cada bomba, el contador se integrará en paralelo con la bobina indicadora de cada una de las bombas, como se muestra en la Figura

132 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Figura 4.63 Incorporación del contador de pulsos. El resultado del conteo se almacenará creando una variable de escritura a la salida CTC del contador, esta salida trabaja con una variable real que almacenará los datos proporcionados por el bloque, simultáneamente se incorpora un contacto que reinicia al contador de accionamiento de bombas. La rutina para crear el control de la bomba 2 es similar al de la bomba 1 por lo que se muestra su programación en la Figura 4.64 Figura 4.64 Incorporación de la bomba

133 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Una vez terminado el programa en el maestro es necesario direccionar las variables a las E/S que se transmitirán entre el PLC esclavo y el módulo maestro AC800F. Para direccionar las variables empleadas se requiere entender por completo cómo es la interacción maestro-esclavo, dicha interacción es descrita por las Tablas 4.8 y 4.9 La primera de ellas manifiesta que el estado de los Bytes de E/S del esclavo es transferido al buzón de salida para ser enviado al maestro, este último lo recibe en su área de direcciones de entradas. La Tabla 4.9 indica que el maestro ordena al esclavo a través del área de direcciones de salidas, las órdenes son enviadas de esta área al buzón de entrada del esclavo y este transfiere los datos al Byte de entrada correspondiente. Tabla 4.8 Envío de datos de esclavo a maestro. Envío Esclavo a Maestro Esclavo Maestro Byte E/S Buzón de salida Área de entrada IB1 VB9 Byte 1 QB0 VB10 Byte 2 QB1 VB11 Byte 3 Tabla 4.9 Envío de datos de maestro a esclavo. Maestro Envío Maestro a Esclavo Esclavo Área de salida Buzón de entrada Byte E Byte 0 VB0 IB2 Byte 2 VB2 IB0 Teniendo conocimiento de lo anterior el direccionamiento de los bits de E/S se realiza desde la lista de variables, para observar dicha lista presione el ícono ubicado en la barra de tareas; una vez en la lista de variables colóquese en la columna Location y seleccione la variable a direccionar dando doble click sobre el recuadro (Figura 4.65). 124

134 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Figura 4.65 Lista de variables Dentro de la ventana que se despliega es necesario localizar el nodo tres de la red PROFIBUS- DP ya que en el mismo se encuentra localizado el esclavo, una vez ahí se visualiza el Byte y se asigna el bit que se desea comunicar (Figura 4.6). Figura 4.65 Ventana de selección de componentes de E/S vía PROFIBUS. Ya que se conoce el proceso de direccionamiento, la tabla 4.10 describe las variables declaradas dentro del programa que provienen del área direcciones de entrada, es decir, las variables representan el estado de los Bytes de E/S del esclavo PROFIBUS-DP. 125

135 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Tabla 4.10 Datos a recibir del esclavo PROFIBUS-DP. Datos a recibir del PLC S7-226 Descripción Área de direc. entrada inic_bom_plc Inicio del proceso de bombeo I1.4 Paro_bombeo_plc Paro del proceso de bombeo I1.3 nivel_plc1 Indicador de nivel bajo I1.0 nivel_plc2 Indicador de nivel medio I1.1 nivel_plc3 Indicador de nivel alto I1.2 accion_plc_b1 Arranque de bomba 1 I3.0 accion_plc_b2 Arranque de bomba 2 I3.1 La Tabla 4.11 muestra las variables declaradas dentro del programa que son enviadas a través del área de direcciones de salida, es decir, las variables manipulan el proceso por medio del esclavo. Tabla 4.11 Datos a enviar al PLC esclavo. Datos a enviar al PLC S7-226 Descripción Área de direc. salida iniciar_plc Inicio del proceso de bombeo O0.3 paro_bom_plc Paro del proceso de bombeo O0.4 sensorn1 Indicador de nivel bajo O0.0 sensorn2 Indicador de nivel medio O0.1 sensorn3 Indicador de nivel alto O0.2 plc_bomba1 Arranque de bomba 1 O0.5 plc_bomba2 Arranque de bomba 2 O0.6 plc_paro_b1 Paro de bomba 1 O0.7 plc_paro_b2 Paro de bomba 1 O2.4 En base a las Tablas anteriores direccione las variables necesarias al área de direccionamiento de E/S. La configuración de E/S es muy importante ya que definirán las acciones a realizar y los elementos a transferir dentro de la comunicación PROFIBUS. La Figura 4.66 muestra la lista de variables una vez que se han direccionado las variables requeridas. 126

136 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Figura 4.66 Asignación de direcciones a las variables del programa. 4.4 Desarrollo de HMI para monitoreo y gestión del Sistema de Bombeo. Después de que los miembros de la red PROFIBUS-DP han sido configurados y programados para la correcta y eficiente comunicación no queda más que realizar la HMI con el objeto de monitorear y gestionar el sistema de bombeo. Dicha aplicación estará conformada por los siguientes elementos: Botones para iniciar/detener el sistema de bombeo. Botones para simular la activación de los niveles en el cárcamo. Botones para arrancar/detener la operación de cada una de las bombas. 127

137 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Contadores que indiquen el número de veces que se han accionado las bombas. Botones para reiniciar los contadores del accionamiento de las bombas. Indicadores del nivel de agua en cárcamo. Indicadores que muestran qué bomba se encuentra en funcionamiento. Una vez que se conocen las características de la HMI es posible comenzar con el desarrollo de la misma, para ello se requiere posicionarse en el árbol de proyecto a la altura de la estación de operación, en la pantalla gr fica pant (FGR) es necesario dar doble click para iniciar el editor gráfico. La Figura 4.67 muestra el área de trabajo del editor gráfico. Figura 4.67 Editor gráfico. La barra de herramientas cuenta con una amplia gama de opciones para editar la pantalla de visualización, una de ella es la herramienta de texto. Para insertar texto en la visualización basta con elegir la herramienta de texto y dar un click en la pantalla, automáticamente aparecerá una ventana para escribir el texto requerido. La Figura 4.68 muestra el texto creado con la mencionada herramienta. Figura 4.68 Incorporación de texto a la pantalla de visualización. 128

138 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería La integración de figuras o elementos que se requieren en la visualización se realiza agregando una imagen de mapa de bits, las imágenes con extensión bitmap puede ser creadas y modificadas desde diversos tipos de software de edición. Para agregar una imagen con extensión bitmap es necesario posicionarse en la barra de menú y en la opción Dra seleccionar bitmap, posteriormente dar click en la pantalla y aparecer la ventana que se muestra en la Figura 4.69 donde se selecciona la opción import, al presionar el botón será necesario especificar la ruta de acceso al archivo con extensión bitmap. Figura 4.69 Integración de Figuras con extensión Bitmap. Al ingresar la imagen del cárcamo con la extensión de mapa de bits, se continúa con la integración de los sensores de nivel, estos se mostrarán en base a botones pulsadores. Para crear un botón se utiliza el ícono button que se encuentra dentro de la barra de herramientas, tras seleccionar el ícono defina el tamaño del botón, después aparecerá una ventana para configurarlo. La Figura 4.70 muestra los ajustes de configuración requeridos para el botón. Es necesario ingresar la variable a la que esta direccionada, en este caso se ejemplifica con ind_sen_3 ; para seleccionar dicha variable colóquese en el campo variable y presione la tecla F2 para elegirla. 129

139 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Figura 4.70 Configuración de botón dinámico. La acción del botón se basa en la dinámica que éste presentará al ser activado, la acción será la escritura dentro de la variable seleccionada como se muestra en la Figura 4.71 Figura 4.71 Asignación de acción al botón dinámico. Las funciones del botón dinámico son de gran ayuda ya que al activarse/desactivarse puede mostrar objetos dentro de la pantalla de visualización (Figura 4.72), al seleccionar la 130

140 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería visualización de un objeto nos permite elegir las imágenes a mostrar dentro de la pantalla gráfica (Figura 4.73). Figura 4.72 Configuración para mostrar objetos al manipular el botón dinámico. Figura 4.73 Selección del objeto a mostrar al manipular el botón dinámico. La configuración se efectuara de manera similar para los botones dinámicos direccionados a los niveles del proceso, nivel 1 y nivel 2 como se muestra en la Figura

141 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Figura 4.74 Asignación de botones dinámicos a los niveles 1 y 2. La visualización de los niveles se realiza en base al indicador de los sensores previamente programado dentro del diagrama de escalera en la estación de proceso, la pantalla muestra los botones de los niveles 1, 2 y 3 (Figura 4.75). Figura 4.75 Sensores de nivel del proceso. 132

142 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería La configuración de la pantalla gráfica contempla la visualización de arranque/paro del proceso de bombeo, el accionamiento de las bombas y la muestra de las pantallas de conteo al activarse las bombas que operan el proceso. La complementación de la HMI se realiza insertando texto e imágenes que conlleven a un análisis y estudio del proceso de bombeo (Figura 4.76). Figura 4.76 Incorporación de texto e imágenes a la pantalla de visualización. Para realizar dicha complementación se crean botones dinámicos para manipular el inicio y el paro del proceso (Figura 4.77), cabe resaltar que la prioridad siempre se encuentra en el control maestro, es decir, las operaciones que se realizan dentro del control distribuido están por encima de las acciones del módulo S

143 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Figura 4.77 Asignación de botones dinámicos para el inicio y paro de proceso. Continuando con la programación de la pantalla gráfica se ingresan botones dinámicos que efectuarán el arranque y paro de las bombas de forma independiente (Figura 4.78). Figura 4.78 Adaptación de botones de paro y arranque para cada bomba del proceso. La incorporación de los displays que muestren el conteo de acción da cada bomba, se realiza seleccionando el ícono Alphanumeric display, en donde se seleccionar la variable a mostrar, en este caso la variable de escritura del contador establecido dentro de la programación previamente realizada (Figura 4.79). 134

144 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Figura 4.79 Integración de display de los contadores. La siguiente Figura muestra la incorporación del par de displays para cada bomba que se activa dentro del proceso de bombeo. Figura 4.80 Adición de los displays numéricos. Para finalizar se integran un par de botones para el reset independiente de cada contador perteneciente a las bombas instauradas en el proceso (Figura 4.81). 135

145 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Figura 4.81 Adaptación de botones para el reset de los contadores en las bombas. Para designar la HMI a la estación de operación es necesario iniciar el modo Asignación de tareas, posiciónese en el rbol de proyecto a la altura de estación de operación y ejerza click derecho para elegir la opción Load y posteriormente seleccione Whole station (antes de designar la HMI asegúrese de que la aplicación DigiVis se encuentre en ejecución). La pantalla de visualización puede ser manipulada al cargarse en el programa DigiVis, una vez ahí nos mostrará las acciones de cada uno de los elementos asignados para ejercer un monitoreo con la fiabilidad de poder manipular y controlar las operaciones dentro del sistema de bombeo mediante la red PROFIBUS-DP. 4.5 Resultados de la ingeniería desarrollada. En base a la ingeniería desarrollada, se obtiene una interacción entre el módulo esclavo S7-226 y el sistema de control distribuido AC800F mediante una red PROFIBUS-DP estableciendo una comunicación eficaz y práctica. Para corroborar esta cominicación es necesaria la revisión del árbol de proyecto con las estaciones de proceso y de operación previamente configuradas, esta revisión se realiza seleccionando el ícono Check que se encuentra en la barra de herramientas (Figura 4.82), el análisis se efectúa con la finalidad de detectar errores de programación o configuraciones incorrectas a lo largo de la realización del proyecto. 136

146 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Figura 4.82 Verificación del proyecto. En base a que el software no presenta errores de programación o incongruencia de configuraciones, se procede a transferir el proyecto previamente definido accionando el ícono Commissioning que es el modo en que todas las configuraciones y programas creados pueden ser designados a sus respectivas estaciones, estas pueden ser una estación de proceso o una estación de operación. El inicio del modo Asignación de tareas se ilustra en la Figura Figura 4.83 Selección del modo Asignación de tareas. 137

147 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Una vez en modo Asignación de tareas se procede a la transferencia de las configuraciones dentro de la estación de proceso, recordar que el cable de comunicación Ethernet debe comunicar la estación de proceso (controlador AC800F) con la estación de ingeniería, que en esta ocasión funge también como estación de operación, la IP de la estación de ingeniería y la IP de la estación de operación deben coincidir con la IP de la PC en uso. Para iniciar la transferencia de configuraciones a la estación de proceso se requiere posicionarse sobre la misma y dar click derecho station como se muestra en la Figura 4.84 seleccionando la opción load/whole Figura 4.84 Transferencia de la estación de proceso. Previamente de incorporar la estación de operación se debe ejecutar el programa DigiVis dentro de la PC en la que se desea visualizar el proyecto, una vez el programa se encuentre en ejecución se procede a realizar la transferencia de la estación de operación que se alojó en el componente VIS (Figura 4.85). 138

148 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Figura 4.85 Transferencia de la estación de operación. Ejecutado el programa DigiVis se muestra la pantalla gráfica que integra la estación de operación. Realizada la conexión vía PROFIBUS del dispositivo AC800F con el módulo esclavo en operación, PLC S7-226, se procede al análisis de la ingeniería establecida. La Figura 4.86 muestra el proceso iniciado sin la detección de niveles ni el accionamiento de bombas. Figura 4.86 Pantalla de inicio de proceso. 139

149 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Dentro de la pantalla se visualiza el proceso y las operaciones que este realiza en al instante, como lo es el inicio y paro del proceso, la detección de niveles, el arranque de las bombas y un par de displays contadores de accionamiento para cada bomba. Como se muestra en la Figura 4.87 al activarse el sensor de nivel bajo, se visualiza la activación del nivel uno y el cárcamo con un nivel de agua adicional. Figura 4.87 Accionamiento de nivel bajo. En base a las configuraciones de operación del proceso previamente descritas y efectuadas dentro del PLC S7-226, al activarse el nivel medio de agua a través del sensor colocado en el cárcamo, se debe activar una de las bombas instaladas(figura 4.88), el accionamiento de las bombas es en forma alternada, se activa la bomba uno al detectar el nivel medio y se desactiva al regresar al nivel bajo, si el nivel aumenta nuevamente hasta ser detectado por el sensor de nivel medio, se accionara la bomba dos, esta alternancia se muestra en la pantalla de interface. 140

150 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Figura 4.88 Detección de nivel medio y visualización de arranque de bomba. Recordemos que en base a la filosofía de operación, al detectarse el nivel alto, las bombas deben trabajar de manera simultánea para evitar rebasar la capacidad máxima de almacenamiento del cárcamo. La Figura 4.89 manifiesta la activación de ambas bombas al detectar el nivel de agua elevado. Figura 4.89 Arranque da ambas bombas al detectar nivel alto de agua. 141

151 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería La importancia de realizar una pantalla de visualización del proceso es el monitoreo del mismo a distancia, además de poder contar con la característica de realizar acciones como la simulación de niveles sin la necesidad de que se presente una señal en el PLC esclavo proporcionada por los sensores instaurados en el proceso, de igual manera el arranque directo de las bombas que operan el centro de bombeo (Figura 4.90). Figura 4.90 Arranque de bombas desde la pantalla de visualización por medio de los botones dinámicos. Tomando en cuenta la prioridad que el control maestro tiene sobre las variables del proceso se puede realizar el paro de bombas desde la pantalla gráfica Figura

152 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería Figura 4.91 Paro de bomba del proceso de bombeo desde el mando remoto. La adaptación de un contador que monitoree el arranque de bombas puede ser de ayuda para el tiempo de vida de las bombas o el mantenimiento de las mismas evitando fallas dentro del proceso, los contadores pueden ser reiniciados directamente desde la HMI (Figura 4.92). Figura 4.92 Reinicio dinámico de contadores. 143

153 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería La detección de niveles del centro de bombeo es muy importante, es por esto que dicha detección permanece aún cuando al proceso se le otorgue una señal de paro desde la pantalla de visualización, ya que la acción de paro solo interrumpirá el accionamiento de las bombas de extracción (Figura 4.93). Figura 4.93 Paro del proceso manteniendo la detección de niveles. Es importante resaltar que la interacción entre el proceso y la HMI desarrollada se realiza una vez que la estación de operación y la estación de proceso son transferidas a los componentes y el cable de conexión PROFIBUS-DP se encuentra conectado al dispositivo esclavo a monitorear y manipular remotamente, si fallara alguna de las comunicaciones no se podrá realizar la interacción entre la HMI y los equipos, dicha situación se representa en la Figura 4.94 Figura 4.94 Pérdida de comunicación. 144

154 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería 4.6 Propuesta económica La propuesta económica se basa en el tiempo de elaboración del proyecto, considerando un estimado de realización de dos meses, el cálculo de costos es realizado tomando en cuenta dos ramos principales que son recursos humanos y recursos materiales. Los recursos humanos se enfocan principalmente en las horas de ingeniería realizadas por el personal en base a sus capacidades, es importante mencionar la especialidad de cada prestador y la remuneración por su aportación, ya sea por hora o por día (Tabla 5.1). Tabla 5.1 Recursos humanos. Prestador Honorarios Tiempo estimado Programador de PLC $ hora 40 horas Programador de control distribuido $ hora 60 horas Ingeniero en control y automatización. $ día 40 días Electricista $ día 20 días Técnico/ayudante $ día 30 días En base a la Tabla 5.1, mostrada anteriormente, se puede estimar el pago de honorarios correspondiente al personal a utilizar durante la realización del proyecto, obteniendo así el costo total de los recursos humanos disponibles como se muestra en la Tabla 5.2. Tabla 5.2 Costos de recursos humanos. Prestador Cotización Programador de PLC $8, Programador control distribuido $15, Ingeniero en control y automatización $20, Electricista $3, Técnico/ayudante $4, TOTAL $50,

155 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería El costo de los recursos materiales se enfoca en los elementos físicos que se incorporaran para la realización del proyecto, tomando en cuenta un apartado donde se incluirá el material extra, como lo son: extensiones, herramientas auxiliares, tuberías, anillos sujetadores, canastillas, material de oficina, fletes, traslados, entre otros. Dependiendo de las condiciones de la instalación. Tabla 5.3 Costos de recursos materiales. Material Costos Costo unitario Cantidad totales (USD) (MXN) Módulo AC800F Freelance ABB $2, $27, Software ABB Industrial IT/Freelance 800F v9.1 $4, $54, PLC Simatic S7-200, CPU 226, 110/220VAC, entradas 24VDC, salidas relevador, MEM $ $6, KBite 24 DI/16 DO, 2xPPI Accesorio EM277 Interface comunicación PROFIBUS esclavo DP/MPI para CPU 226 $ $2, Software STEP7 MICRO/WIN V4.0 para programación S7-200 CPU 226 $1, $18, Cable interface USB/PPI para comunicación y programación S7-200/PC $ $1, Fuente de poder SITOP 3.5Amp entrada 120/230 VAC; salida 24 VDC $ $1, Cable para comunicación PROFIBUS, rollo 100 Metros $ $7, Conector para PROFIBUS con borne conexión a OP y OLM $ $ Switch industrial Ethernet no administrado de 5 puertos $ $1, Cable UTP categoría 6 tipo CM 4 pares trenzados 23 AWG, rollo 305 Metros $ $5, Conector RJ45 para comunicación Ethernet bolsa de 100 piezas $ $ Material extra *** *** $15, TOTAL $143,

156 Capítulo IV Desarrollo de Ingeniería En base a la Tabla 5.3, presentada anteriormente, se obtiene el total de los costos sobre los recursos materiales, tomando en cuenta el costo del dólar americano en $12.93 MXN, la Tabla 5.4 muestra el costo total de la implementación del proyecto. Tabla 5.4 Costos totales. Recursos Costos (MXN) Recursos humanos $50, Recursos materiales $143, TOTAL $194, Se estima un costo aproximado de $194, MXN, destinados a la realización del proyecto con una duración de 2 meses. 147

157 Conclusiones Ingeniería en Control y Automatización Conclusiones. Se comprobó la interoperabilidad entre un sistema de control distribuido, en este caso un módulo AC800F de ABB, incorporando un equipo como esclavo SIEMENS, PLC S-7 227, a través de una conexión de red PROFIBUS-DP. Iniciando por el manejo y familiarización de estos, para realizar una programación que conllevó a una operación coexistente entre los dispositivos conectados a través de la mencionada red. La comunicación en forma consistente quedó demostrada dentro del desarrollo de ingeniería, pues fue posible obtener datos del PLC S7-226 dentro del módulo de control distribuido AC800F y enviarlos a la estación de operación; de la misma forma la estación de operación gobernó al PLC esclavo a través del bus de campo PROFIBUS-DP, los datos fueron procesados dentro del módulo S7-226 de forma concisa y eficaz logrando manipular el proceso. El desarrollo de ingeniería presentado documenta un ejemplo práctico de la integración de un control distribuido con un proceso de bombeo, dicho proceso opera mediante un PLC S7-226 a través de una red PROFIBUS-DP, intercambiando datos de E/S del módulo esclavo al sistema AC800F, de igual manera envía datos al módulo esclavo que se sobre escriban en las E/S, como la detección de niveles y el arranque y paro de bombas. La adquisición de datos de la ingeniería desarrollada se realizó de manera más demostrativa a través de una interface hombre maquina (HMI), dicha interfaz permitió la visualización rápida y gráfica de las acciones y operaciones que el PLC esclavo realizaba, incorporando botones dinámicos para el inicio y paro del proceso, activación de niveles, arranque y paro de las bombas así como también el conteo de activación de cada bomba. Un sistema de control distribuido es capaz de realizar una gran cantidad de tareas e incorporar a equipos de diversos fabricantes, como prueba de ello se implementó una red PROFIBUS-DP para acoplar un sistema de bombeo de aguas en un cárcamo; el resultado de lo anterior planteó una configuración maestro-esclavo PROFIBUS-DP entre el controlador 148

158 Conclusiones Ingeniería en Control y Automatización AC800F y el PLC S7-226 respectivamente. Cabe destacar que la incorporación del esclavo PROFIBUS-DP de SIEMENS dependió en gran parte de la disponibilidad de los archivos GSD del módulo inteligente EM277. Sin duda un control distribuido es diseñado para facilitar la integración de equipos, monitoreo, gestión de procesos y proporcionar fiabilidad al sistema. La ingeniería desarrollada presenta una aportación académica y didáctica para el desarrollo de comunicaciones industriales dentro de la institución, motivando a trabajos futuros para el estudio de protocolos de comunicación dentro del control distribuido con ayuda del sistema Freelance 800F, con el objeto de obtener criterios en la implementación de redes de comunicación. 149

159 Glosario Ingeniería en Control y Automatización Glosario. ABB: Asea Brown Boveri, es una corporación multinacional, cuyos mayores negocios son los de tecnologías en generación de energía eléctrica y en automatización industrial. Actuadores: es un dispositivo capaz de transformar energía hidráulica, neumática o eléctrica en la activación de un proceso con la finalidad de generar un efecto sobre un proceso automatizado. Adquisición: consiste en la toma de muestras de un sistema analógico para generar datos que puedan ser manipulados por una computadora u otros sistemas digitales. Consiste, en tomar un conjunto de señales físicas, convertirlas en tensiones eléctricas y digitalizarlas de manera que se puedan procesar en una computadora. Se requiere una etapa de acondicionamiento, que adecua la señal a niveles compatibles con el elemento que hace la transformación a señal digital. AEG: Allgemeine Elektrizitäts-Gesellschaft, es una asociación general de electricidad, dedicada a la fabricación de productos eléctricos. ASCII: American Standard Code for Information Interchange, Código Estándar Americano para el Intercambio de Información, es un código de caracteres basado en el alfabeto latino. Automatización: un sistema donde se trasfieren tareas de producción, realizadas habitualmente por operadores humanos a un conjunto de elementos tecnológicos. Bit: es la unidad mínima de información empleada en informática, en cualquier dispositivo digital, o en la teoría de la información. Con él, podemos representar dos valores cuales quiera, como verdadero o falso, abierto o cerrado 150

160 Glosario Ingeniería en Control y Automatización Bucle: un bucle es un tipo de estructura de control que permite repetir una o más sentencias múltiples veces. Todos los bucles se ejecutan mientras se cumpla una determinada condición, condición simple o condición compuesta, o sea, mientras esa condición sea verdadera, el bucle seguirá ejecutándose. Búfer: es un espacio de memoria, en el que se almacenan datos para evitar que el programa o recurso que los requiere, ya sea hardware o software, se quede sin datos durante una transferencia. Bus: Conjunto de conductores compartidos por dos o más sistemas digitales. Buses de campo: es un sistema de transmisión de información, que simplifica enormemente la instalación y operación de máquinas y equipamientos industriales utilizados en procesos de producción. El objetivo de un bus de campo 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 a 20mA. Buses de datos: El bus es la vía de comunicación para los datos y señales de control en la estructura de una computadora, entre la CPU y los diferentes órganos que se le deben poner si se tratan de las pistas o cintas de cobre impresas en la placa principal se llama bus del sistema. Bypass: una derivación, desvío o cortar una ruta. Particularmente puede referirse a: sistema informático que modificando el flujo normal de datos hacia una ruta alternativa si se produce una caída de corriente o algún otro problema. Byte: como equivalente a octeto, es decir a ocho bits, para fines correctos, un byte debe ser considerado como una secuencia de bits contiguos, cuyo tamaño depende del código de información o código de caracteres en que sea definido. CIM: Computer Integrated Manufacturing Fabricación Integrada por Computadora. 151

161 Glosario Ingeniería en Control y Automatización Código: un código es una regla para convertir una pieza de información, por ejemplo, una letra, palabra o frase en otra forma o representación, no necesariamente del mismo tipo. Coexistencia: la existencia de algún elemento o información, puede ser en diversos dispositivos Asignación de tareas: delegar, encargar, autorizar o acreditar una acción o proceso hacia una o varias referencias. Contadores: elementos incorporados para el almacenamiento de datos, normalmente registran y muestran el número de señales que son incorporadas a este. Control distribuido: sistema interactivo que enlaza los niveles de proceso y gestión y visualización de un proceso o tareas, con la capacidad de manipularlos al instante. Control: la operación de un proceso o sistema dentro de los límites y rangos establecidos por un usuario. CRDR: Cyclic Request Data ith Reply, solicitud de datos cíclicamente. CSRD: Cyclic Send and Request Data, envió de datos cíclicamente. DCS: Sistema de Control Distribuido. Devicebus: Los equipos conectados a esta red tendrán más puntos discretos, analógicos o una mezcla de ambos. Algunas de estas redes permiten transferencia de bloques de datos aunque a una menor prioridad, los datos son en forma de byte, esta red tiene menos requisitos en la transferencia de datos, pero consigue administrar más equipos y datos. DP esclavo: Es un dispositivo periférico (E/S, válvulas, etc.) que recoge información de entrada y/o manda información de salida. DP: periferia descentralizada (o periferia distribuida). 152

162 Glosario Ingeniería en Control y Automatización DPM1: Controlador central que intercambia información con las estaciones descentralizadas (DP esclavos) con un ciclo de mensaje específico. Dispositivos típicos son los controladores programables PLC s y los PC s. DPM2: Son programadores, dispositivos de configuración y operadores. Se usan para la identificación de la configuración del sistema DP o para el funcionamiento y supervisión de operaciones. E/S: entradas y/o salidas. EDD: Electronic Device Description, descripción de dispositivo electrónico con propiedades normalizadas y no propietarias para fines de parametrización, diagnóstico y observación de valores medidos acíclicos. Editor AWL: visualiza el programa textualmente. Editor FUP: visualiza el programa gráficamente, de forma similar a los circuitos de puertas lógicas. Editor KOP: visualiza el programa gráficamente, de forma similar a un esquema de escalera. Electromagnéticos: dispositivos que operan en base a un sistema magnético, permitiendo el flojo o paso de la corriente eléctrica. Enlace: conexión de algún dispositivo entre otro componente. Escalabilidad: incremento considerable y representativo de algún valor o variable. Esclavo: los esclavos solo responden cuando son interrogados por el maestro; no controlan el bus. Estación de ingeniería: es el elemento que contiene toda la información del proyecto, se alojan las estaciones de proceso y las estaciones de operador, realiza el análisis y ejecución de los programas contenidos en este. 153

163 Glosario Ingeniería en Control y Automatización Estación de operador (D-OS): el nivel de operación facilita la creacion y analisis de: pantallas, visualizaciones de tendencias, visualizaciones graficas, pantallas web, asi como el monitoreo de alarmas, archivos y reportes. Estaciones de proceso (D-PS): es la parte en que se asignan todos los elementos que conforman la programación del usuario, dentro de esta estación se configuran y se agregan las operaciones a realizar. Contempla los módulos a incorporar dentro de la estación de ingeniería, así como las E/S de los dispositivos. FBD: Diagrama de bloques funcionales. FDL: Fieldbus Data Link, define el protocolo de acceso al bus y se encarga de establecer el orden de circulación del testigo una vez inicializado el bus Fiabilidad: la confianza de que un elemento trabaje en forma segura y rápida, en base a las normas de fabricación establecidas. Fieldbus: las redes Fieldbus interconectan equipos de I/O más inteligentes y pueden cubrir distancias mayores. Los equipos en la red poseen inteligencia para poder desempeñar funciones específicas de control como lazos PID, controles de flujo y otros procesos. FMS: contiene el protocolo de aplicación y proporciona al usuario una amplia selección de potentes servicios de comunicación Gestión: el envío o incorporación de datos para su análisis mediante dos dispositivos. GSD: Device Master Data, Archivo de base de datos maestros de dispositivo para el intercambio cíclico de datos entre el maestro y los esclavos, describe todos los parámetros importantes para la comunicación cíclica. Hardware: dispositivos o elementos físicos en un proceso. HMI: interface hombre máquina, permite la visualización de procesos a través de pantallas gráficas, tendencias, graficas entre otros. 154

164 Glosario Ingeniería en Control y Automatización I/O: input/ouput, entrada/salida, E/S. IEC : La tecnología de transmisión IEC cumple los requerimientos de las industrias químicas y petroquímicas. Posee una seguridad intrínseca y permite a los dispositivos de campo ser conectados al bus, es una tecnología principalmente usada por PROFIBUS PA. IEC : norma internacional preparada por TC57 para la monitorización de los sistemas de energía, sistemas de control y sus comunicaciones asociadas. IL: Lista de instrucciones. Interacción: intercambio de datos entre diversos dispositivos, a través de un canal y con la posibilidad de responder. Interconexión: establecimiento de una conexión entre diversos dispositivos. LD: Diagrama de escalera Línea de comunicación: Este término se emplea, en general, para designar el medio físico de enlace entre dos terminales. Maestro: Son estaciones activas que pueden tomar el control del bus durante una cantidad de tiempo limitada. Mensaje cíclico: permiten el intercambio de datos de baja prioridad y por tanto no críticos en cuanto a tiempo de respuesta. Microprocesadores: dispositivo programable capaz de realizar operaciones en base al análisis de entradas y filosofía de operación. Monomaestro: un maestro en el bus durante la fase de operación Multimaestro: se conectan varios maestros al bus 155

165 Glosario Ingeniería en Control y Automatización NIC: Network Interface Controller. Tarjeta de interfaz para red, conecta una computadora a una red de computadoras. Nodo o estación: terminal o punto de enlace de una red de rango inferior a una de rango superior. Computadora central: computadora encargada de controlar la planta enviando órdenes a los PLC s que gobiernan cada proceso. OSI: Open Systems Interconnection, pensada para abarcar desde redes locales hasta las grandes redes de paquetes conmutados. Subdividir el conjunto de tareas de comunicación en siete niveles. PID: control proporcional integrador derivativo. PLC: controlador lógico programable. PROFIBUS DP: Optimizado para alta velocidad, conexiones sencillas y baratas. Esta variante es diseñada especialmente para la comunicación entre los sistemas de control de automatismos y de E/S distribuidas. PROFIBUS FMS: Solución general para tareas de comunicación a nivel de célula, gran rango de aplicaciones y flexibilidad, aunado a esto se tiene la posibilidad de uso en tareas de comunicación complejas y extensas. PROFIBUS PA: Diseñado para automatización de procesos, permite la conexión de sensores y actuadores a una línea de bus común incluso en áreas especialmente protegidas, aunado a esto permite la comunicación de datos y energía en el mismo bus (norma IEC ) PROFIBUS-DP: está diseñado para la comunicación de datos a alta velocidad a nivel de dispositivo. PROFIBUS: es un bus de campo normalizado internacionalmente que fue estandarizado bajo la norma EN Esto asegura una protección óptima tanto a los clientes como a los 156

166 Glosario Ingeniería en Control y Automatización vendedores y asegura la independencia de estos últimos. Los componentes de distintos fabricantes pueden comunicarse sin necesidad de ajustes especiales de interfaces. Protocolos de comunicación: Los protocolos de comunicaciones definen las reglas para la transmisión y recepción de la información entre los nodos de la red, de modo que para que dos nodos se puedan comunicar entre si es necesario que ambos empleen la misma configuración de protocolos. RDR Request Data a uno de los esclavos. ith Reply, Mensajes punto a punto cuya función es la de solicitar datos Red LAN: Local Area Net ork, Red local que comunica varios terminales, por lo general a corta distancia. Red WAN: Wide Area Net ork, Red de área amplia, que comunica terminales alejados, generalmente a través de líneas telefónicas o enlaces de uso público. Red: Conjunto de terminales que pueden intercambiar información, una red requiere unos medios físicos de enlace (hardware) y un software de soporte para poder gestionar la ocupación de la red, las rutas que debe seguir la información y para presentarla en forma inteligible para el usuario. RS-485: tecnología de comunicación simplicidad, la velocidad de transmisión y lo barato de la instalación. SCADA: "Supervisory Control And Data Adquisition", adquisición de datos y control de supervisión. Seguridad intrínseca: Sensorbus: Conecta equipos simples y pequeños directamente a la red. Los equipos de este tipo de red necesitan de comunicación rápida en niveles discretos y son típicamente sensores y actuadores de bajo costo. Esta red no pretende cubrir grandes distancias y su principal función es mantener tan bajos los costos como sea posible. Ejemplos típicos de Sensorbus incluyen AS-i e INTERBUS-LOOP 157

167 Glosario Ingeniería en Control y Automatización Sensores: elementos incorporados en un proceso para la detección y registro de datos, pueden ser: temperatura presión, nivel, velocidad, entre otras. Señal analógica: es un tipo de señal generada por algún tipo de fenómeno electromagnético y en la que es variable su amplitud y periodo representando un dato de información en función del tiempo. SFC: Lógica de función secuencial. Software: paquetería de programas que se desarrollan bajo un sistema de programación, designados a dispositivos o la ejecución de tares, son ejecutados por PC, pantallas táctiles, entre otras. SRD Send and Request Data, mensajes punto a punto que permiten enviar datos y recibir datos de un esclavo. Tendencias: gráficas dinámicas que permiten una visión del comportamiento a futuro de una acción en base a un análisis consecutivo, se puede determinar el comportamiento a largo plazo de un dispositivo o variable. VDE: Verband der Elektrotechik Elektronic Informationstechnik. Asociación europea para la eléctrica, electrónica y tecnologías de la información. 158

168 Anexo A Ingeniería en Control y Automatización Anexo A. Programación básica con STEP 7-MicroWIN para S En el presente anexo se muestra la forma de programar el PLC S7-226, cabe mencionar que sólo se tocan los comandos empleados en el desarrollo de este trabajo. Primeros pasos con STEP7-MicroWIN. El paquete de programación STEP 7-MicroWIN constituye un entorno de fácil manejo para desarrollar, editar y observar el programa necesario con objeto de controlar la aplicación. STEP 7-Micro/WIN provee tres editores que permiten desarrollar de forma cómoda y eficiente el programa de control: Esquema de contactos (KOP o LD). Lista de instrucciones (AWL). Diagrama de funciones (FUP o FBD). De los editores anteriores, la programación realizada en este trabajo y los comandos a continuación mencionados se basan en el editor KOP. Creación de un programa mediante el lenguaje KOP. Cuando se inicia la aplicación STEP 7-MicroWIN, por defecto, se crea un proyecto sin nombre. Una vez creado el proyecto se abrirá automáticamente la ventana del editor KOP. La interfaz del programa se muestra en la Figura A

169 Anexo A Ingeniería en Control y Automatización Figura A1.1 Interfaz del programa STEP 7-MicroWIN. Una vez conocido el ambiente del software de programación del PLC S7-226 es posible conocer los comandos empleados en el desarrollo de este trabajo. Para comenzar es necesario familiarizarse con la manera de acceder a los datos del S7-226 y posteriormente nos enfocaremos a los comandos básicos. Acceder a los datos del S El S7-226 almacena información en diferentes áreas de la memoria que tienen direcciones unívocas. Es posible indicar explícitamente la dirección a la que se desea acceder. El programa puede acceder entonces directamente a la información. Para acceder a un bit en un área de memoria es preciso indicar la dirección del mismo, compuesta por un identificador de área, la dirección de byte y el número de bit. La Figura A1.2muestra un ejemplo de direccionamiento de un bit. En el ejemplo, el área de memoria y 160

170 Anexo A Ingeniería en Control y Automatización la dirección del byte (I = entrada y 3 = Byte 3) van seguidas de un punto decimal (. ) que separa la dirección del bit (bit 4). Figura A1.2 Ejemplo del direccionamiento a un bit. Utilizando el formato de dirección de byte se puede acceder a los datos de la mayoría de las áreas de memoria (V, I, Q, M, S, L y SM) en formato de Bytes, palabras o palabras dobles. La dirección de un Byte, de una palabra o de una palabra doble de datos en la memoria se especifica de forma similar a la dirección de un bit. Esta última está compuesta por un identificador de área, el tamaño de los datos y la dirección inicial del valor de Byte, palabra o palabra doble, como muestra la Figura A1.3 Figura A1.3 Direccionamiento a Byte, palabra o palabra doble. 161

171 Anexo A Ingeniería en Control y Automatización Acceder a los datos en las áreas de memoria Imagen de proceso de las entradas: I. El S lee las entradas físicas al comienzo de cada ciclo y escribe los correspondientes valores en la imagen de proceso de las entradas. A ésta última se puede acceder en formato de bit, byte, palabra o palabra doble: Bit: I[direcc. byte].[direcc. bit] I0.1 Byte, palabra o palabra doble: I[tamaño][direcc. byte inicial] IB4 Imagen de proceso de las salidas: Q. Al final de cada ciclo, el S7-226 copia en las salidas físicas el valor almacenado en la imagen de proceso de las salidas. A ésta última se puede acceder en formato de bit, byte, palabra o palabra doble: Bit: Q[direcc. byte].[direcc. bit] Q1.1 Byte, palabra o palabra doble: Q[tamaño][direcc. byte inicial] QB5 Memoria de variables: V. La memoria de variables (memoria V) se puede utilizar para almacenar los resultados intermedios calculados por las operaciones en el programa. La memoria V también permite almacenar otros datos relativos al proceso o a la tarea actual. A la memoria V se puede acceder en formato de bit, byte, palabra o palabra doble: 162

172 Anexo A Ingeniería en Control y Automatización Bit: V[direcc. byte].[direcc. bit] V10.2 Byte, palabra o palabra doble: V[tamaño][direcc. byte inicial] VW100 Marcas especiales: SM. Las marcas especiales (SM) permiten intercambiar datos entre la CPU y el programa. Estas marcas se pueden utilizar para seleccionar y controlar algunas funciones especiales de la CPU S Por ejemplo, hay una marca que se activa sólo en el primer ciclo, marcas que se activan y se desactivan en determinados intervalos, o bien marcas que muestran el estado de las operaciones matemáticas y de otras operaciones. Muestra de las marcas especiales y sus correspondientes funciones se observan en la Tabla A1.1 Tabla A1.1 Descripción de algunas de las marcas especiales. 163

173 Anexo A Ingeniería en Control y Automatización Subrutinas. Estos elementos opcionales del programa se ejecutan sólo cuando se llaman desde el programa principal, desde una rutina de interrupción, o bien desde otra subrutina. Las subrutinas son elementos opcionales del programa, adecuándose para funciones que se deban ejecutar repetidamente. Así, en vez de tener que escribir la lógica en cada posición del programa principal donde se deba ejecutar una función, basta con escribirla sólo una vez en una subrutina y llamar a la subrutina desde el programa principal cada vez que sea necesario. Para crear una subrutina es necesario ubicarse en la carpeta de subrutinas en la parte inferior del árbol de instrucciones, una vez ahí, es necesario dar click derecho en la misma y seleccionar la opción insertar, posteriormente se elige subrutina. Después de este procedimiento sólo se requiere renombrar la subrutina. La Figura A1.4 ilustra el procedimiento para crear una subrutina. Figura A1.4 Creación de una subrutina. Para insertar la subrutina basta con localizarla en el árbol de instrucciones (parte inferior) y arrastrarla al editor de programa, este procedimiento se muestra en la Figura A

174 Anexo A Ingeniería en Control y Automatización Figura A1.5 Integración de la subrutina al programa general. Operaciones lógicas con bits. Contactos. Las operaciones Contacto normalmente abierto y Contacto normalmente cerrado leen el valor direccionado de la memoria (o bien de la imagen de proceso, si el tipo de datos es I o Q). El Contacto normalmente abierto se cierra (ON) si el bit es igual a 1, en tanto que el Contacto normalmente cerrado se cierra (ON) si el bit es igual a 0. Detectar flanco positivo y negativo. El contacto Detectar flanco positivo permite que la corriente circule durante un ciclo cada vez que se produce un cambio de off a on. El contacto Detectar flanco negativo permite que la corriente circule durante un ciclo cada vez que se produce un cambio de on a off. Bobinas Salida. La operación Asignar (=) escribe el nuevo valor del bit de salida en la imagen de proceso. Cuando se ejecuta la operación Asignar, el S7-226 activa o desactiva el bit de salida en la imagen de proceso. Poner a 1 y Poner a

175 Anexo A Ingeniería en Control y Automatización Las operaciones Poner a 1 (S) y Poner a 0 (R) activan (ponen a 1) o desactivan (ponen a 0) el número indicado de E/S (N) a partir de la dirección indicada (bit). Es posible activar o desactivar un número de E/S (E/S) comprendido entre 1 y 255. Para seleccionar un componente que se desee incluir en el esquema de contactos se puede utilizar la barra de herramientas mostrada en la Figura A1.6 Figura A1.6 Barra de herramientas. También es posible introducir un elemento operando con el ratón en el árbol de instrucciones (Figura A1.7). Al abrir la carpeta operaciones se muestran distintas subcarpetas con los grupos de elementos que se pueden introducir en un programa KOP. Abriendo cada una de las carpetas aparecen los símbolos de los elementos. Basta seleccionarlos con el ratón para que se incorporen al programa. Figura A1.7 Carpeta de operaciones en el árbol de Instrucciones. 166

176 Anexo A Ingeniería en Control y Automatización Operaciones de transferencia. Transferir bytes, palabras, palabras dobles y números reales. Las operaciones Transferir byte (MOVB), Transferir palabra (MOVW), Transferir palabra doble (MOVD) y Transferir real (MOVR) transfieren un valor de una dirección (IN) a una nueva dirección (OUT) sin modificar el valor original. En la Figura A1.8 se observa el bloque de dicha operación. Figura A1.8 Bloque de operación de transferencia de Byte. Para insertar una operación de transferencia es necesario seleccionar la herramienta cuadro ubicada en la barra de herramientas, posteriormente elija la operación de transferencia que desee. Otra opción es colocarse en la carpeta de Operaciones en el rbol de instrucciones y en la carpeta de Transferencia elegir la operación requerida. La Figura A1.9 ilustra el procedimiento anterior. Figura A1.9 Selección de la operación de transferencia en el árbol de instrucciones. 167

177 Anexo A Ingeniería en Control y Automatización 4.- COMPILACIÓN Y EJECUCIÓN DE UN PROGRAMA Una vez diseñado el esquema de contactos con el editor KOP es necesario compilarlo y cargarlo en el PLC. Para compilar el programa pulse sobre el icono situado en la barra de herramientas. A continuación aparecerá en la ventana inferior unos mensajes que indicarán si hay o no errores. Antes de poder cargar el programa en el PLC hay que configurar la comunicación entre este y la computadora. Esto se hace pulsando en la barra de menú la opción CPU y después la opción tipo. Aparecerá una pantalla similar a la Figura A1.10 Figura A1.10 Ventana de selección del tipo de CPU. Estando en la pantalla de selección del CPU es posible definir el tipo de CPU, si presiona el botón Leer CPU el soft are STEP 7-MicroWIN automáticamente determinará qué CPU se encuentra conectado. Una vez seleccionado el tipo de CPU, y si el programa no tiene errores, ya está todo listo para cargarlo en el PLC. Para ello pulse sobre el icono Cargar en CPU. Ya que el software sea transferido al PLC (y el selector de modo a RUN) puede ejecutar o detener la ejecución a su antojo pulsando sobre los botones Run y Stop. 168

178 Anexo B Ingeniería en Control y Automatización Anexo B. Programación en lenguaje escalera empleada en FREELANCE 800F. En el presente anexo se muestra la forma de programar la Lista de Programa (PL) en lenguaje escalera del Sistema de Control Distribuido FREELANCE 800F, cabe mencionar que sólo se tocan los comandos empleados en el desarrollo de este trabajo. Para crear un nuevo proyecto se ejecuta el programa Control Builder F ubicado en la dirección: Inicio>Todos los Programas>ABB Industrial IT>Freelance 800F. Una vez abierto el programa Control Builder F seleccione el ícono Crear nuevo Proyecto, posteriormente indique la dirección donde se almacenar y el nombre del mismo, también es posible determinar algunas características como lo son el autor, número del proyecto, descripción y una clave de acceso, si se requiere. Las operaciones anteriores se ilustran en la Figura A2.1 Figura A2.1 Creación de un nuevo proyecto. Posteriormente de asignar el nombre y las características del proyecto, se activa el modo de configuración con el ícono localizado en la barra de herramientas. Ya que se cuenta con 169

179 Anexo B Ingeniería en Control y Automatización un proyecto es posible definir todos los elementos que conformarán el Sistema de Control Distribuido. Ya que el proyecto ha sido creado es necesario agregar una Estación de Proceso (D-PS) y en ella insertar una Lista de Programa (PL). Para m s detalles de la creación y configuración de un nuevo proyecto vea el Capítulo IV en la sección Configuración del Sistema de Control Distribuido. Una vez en la Lista de Programa agregamos el lenguaje de programación que se necesite, en este caso ser LD Program. Cuando el lenguaje de programación es seleccionado es posible comenzar con la explicación de los comandos empleados en la programación del Sistema FREELANCE 800F de ABB. Contacto (Contact). Los contactos normalmente abiertos son comandos utilizados durante una programación en modo lista de instrucciones los cuales se cierran al recibir una señal que puede ser ingresada desde una entrada física, permitiendo el flujo de la línea a la que se encuentra conectado. En base a la configuración previamente descrita, la programación en diagrama de escalera se encuentra dentro de la lista de programas, que se crea en una estación de proceso. Al crear una programación en diagrama de escalera se visualiza en la pantalla de edición la línea de alimentación que desciende en la parte izquierda de la ventana. La incorporación de un contacto normalmente abierto se realiza dando click derecho sobre la pantalla de edición, colocarse en la opción Ladder elements y seleccionar la pestaña Contact como se muestra en la Figura A

180 Anexo B Ingeniería en Control y Automatización Figura A2.2 Ruta para la incorporación de un contacto. Cuando el contacto se ha insertado en la pantalla de edición es posible modificarlo, para ello realice doble click sobre el mismo, se mostrara una ventana de configuración del contacto, en ella será posible asignar un nombre al contacto y el tipo de contacto que se requiere (normalmente abierto, normalmente cerrado, etc.) dicha ventana se ilustra en la Figura A2.3 Figura A2.3 Ventana configuración de contactos. Posteriormente de la asignación de variable se visualiza una ventana donde es necesario definir el tipo de dato de la variable creada (Figura A2.4) 171

181 Anexo B Ingeniería en Control y Automatización Figura A2.4 Descripción de la nueva variable creada. Bobinas (Coil). Una bobina copia el estado de la conexión ubicada a su lado izquierdo, también almacena el resultado de una función boleanana y la asigna a una variable boleana. Para insertar una bobina es necesario dar click derecho sobre la pantalla de edición, seleccione la opción Ladder element y posteriormente coil (Figura A2.5). Figura A2.5 Ruta para la incorporación de una bobina. 172

182 Anexo B Ingeniería en Control y Automatización Ya agregada la bobina es necesario direccionarla a una variable dando doble click sobre dicho elemento, posteriormente se muestra una ventana donde se incorpora la variable de referencia y a su vez se configura (Figura A2.6). Figura A2.6 Ventana configuración de bobina. Posteriormente se muestra una nueva ventana donde se visualiza el nombre y el tipo de la variable incorporada y la opción si se desea agregar un comentario, como se muestra en la Figura A2.7 Figura A2.7 Ventana incorporación de una variable. 173

183 Anexo B Ingeniería en Control y Automatización Líneas de flujo de corriente En base a la metodología a seguir de los elementos creados dentro de la programación en escalera, como lo son contactos y las bobinas, se puede crear la relación entre estos agregando una línea de comunicación. La línea es ingresada dando click derecho sobre el rea de edición y seleccionando la opción Dra line como se muestra en la Figura A2.8 Figura A2.8 Pestaña de incorporación de líneas. Posteriormente se realiza la conexión entre los contactos y bobinas empleadas en la programación en escalera (Figura A2.9). Figura A2.9 Incorporación de líneas de conexión. 174

184 Anexo B Ingeniería en Control y Automatización Contadores de pulsos Los contadores de pulsos son dispositivos auxiliares muy utilizados, ya que almacena el número de veces que una señal es ingresada a través de su entrada, mostrándola posteriormente dentro de una variable asignada, los contadores pueden mostrar limites altos y bajos, entre otros. La inserción de un contador de pulsos se efectúa dando click derecho sobre la pantalla de la programación en escalera y dirigiéndose a la opción Blocks/Binary/Pulse counter como lo indica la Figura A2.10 Figura A2.10 Ruta de incorporación de un contador de pulsos. Una vez que el contador de pulsos fue integrado es necesario configurarlo, para ello se requiere aplicar doble click sobre el mismo. Es importante mencionar que en la entrada IN del contador llega la señal a contar, esta señal es de tipo boleana. Al activarse la entrada RES la cuenta es reiniciada, de igual forma esta variable es de tipo boleana. Las entradas L1 y L2 se emplean para determinar los valores límites del contador. Por el otro lado la salida CTC muestra la cuenta actual que lleva el contador hasta el último ciclo ejecutado, este 175

185 Anexo B Ingeniería en Control y Automatización tipo de dato el real y sólo es de acceso a lectura. Las salidas SL1 y SL2 se activan únicamente cundo los niveles límites han sido alcanzados. En la ventana de parámetros del contador de pulsos podemos configurar alarmas de nivel bajo y alto además de definir el mensaje desplegado en ese momento. La Figura A2.11 muestra la ventana de parámetros del contador de pulsos. Figura A2.11 Ventana de parámetros del contador de pulsos. 176

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