ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIÓN PROYECTO FIN DE CARRERA

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1 ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIÓN INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIÓN PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE LA RED DE COMUNICACIONES DE UNA CÉLULA DE AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL Autor: Tutor: Marta Robles Martínez Juan José Vinagre Díaz Curso académico 2008/2009

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3 TÍTULO: AUTOR: TUTOR: DISEÑO DE LA RED DE COMUNICACIONES DE UNA CÉLULA DE AUTOMATIZACIÓN IN- DUSTRIAL. MARTA ROBLES MARTÍNEZ JUAN JOSÉ VINAGRE DÍAZ La defensa del presente Proyecto Fin de Carrera se realizó el día de Junio de 2009; siendo calificada por el siguiente tribunal: PRESIDENTE: SECRETARIO VOCAL Habiendo obtenido la siguiente calificación: CALIFICACIÓN: Presidente Secretario Vocal

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5 Agradecimientos Agradecer a Juanjo, mi tutor, que me haya facilitado todo y que se haya tomado tantas molestias.

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7 Este proyecto fin de carrera ha sido desarrollado en Siemens mediante un convenio de colaboración entre la Universidad Rey Juan Carlos y dicha empresa.

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9 Resumen Este proyecto fin de carrera forma parte de un plan de mejora de una planta industrial cuyos objetivos son la finalización de la automatización de la línea de producción y la renovación de los sistemas de información. El proceso de automatización supone transferir las tareas de producción a sistemas mecánicos, electrónicos y computacionales para evitar la intervención humana. El uso de máquinas y dispositivos de control comunicados entre sí y funcionando de manera automatizada provoca un aumento de los índices de producción dando lugar a la fabricación de productos cada vez más homogéneos, de mayor calidad y en mayor cantidad. Una de las características importantes de los sistemas de control automatizados es su capacidad de generar información relacionada con el proceso que están controlando. La generación y el tratamiento de esta información exige vías de comunicación entre los distintos dispositivos que intervienen en el proceso. Por todo ello, las comunicaciones constituyen un elemento fundamental en los nuevos entornos de fabricación constituidos, en general, por dispositivos como sensores, actuadores, transmisores, controladores, PLCs, etc, que deben trabajar de forma coordinada a través de una red de comunicaciones. En el presente proyecto, se desarrolla una red de comunicaciones en la línea de producción proporcionando la infraestructura y recursos necesarios para el control y la transmisión de datos integrando los elementos existentes y los nuevos dispositivos dentro del esquema de la Pirámide de Automatización. Este modelo de automatización divide las tareas de control según los niveles jerárquicos de campo, célula, supervisión y fábrica. Cada uno de estos niveles tiene una características en cuanto a la obtención y tratamiento de la información que se tendrá en cuenta a la hora del diseño de las redes, los interfaces, el protocolo de control y el software a nivel de aplicación para cada elemento del sistema. El proyecto concluye con la implementación de la red en el laboratorio y la realización de un protocolo de pruebas para validar el diseño realizado comprobando que se cumplen todos los requisitos exigidos en las especificaciones del proyecto.

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11 Índice general 1. Introducción Planteamiento Estado del arte Modelos estructurales de automatización Pirámide de Automatización Nivel de acción y sensado (nivel de campo) Nivel de control (nivel de célula) Nivel de supervisión (nivel de planta) Nivel de planificación y gestión (nivel de fábrica) Redes de comunicaciones industriales Redes de datos Redes de control Estructura del proyecto Objetivos Funcionamiento de la célula de automatización PLC y dispositivos de campo PC de control PC de supervisión Especificaciones del proyecto Materiales y metodología Materiales Sistemas de comunicación Red AS-i Red Profibus Equipos PLC Red As-i Red Profibus PC de control PC de supervisión Dispositivos Wi-Fi VII

12 VIII ÍNDICE GENERAL 3.2. Metodología Fases del proyecto de mejora Fase 1. Estudio previo de los procesos y de la instalación Fase 2. Análisis del estado de la instalación y desarrollo de la oferta Fase 3. Instalación y puesta a punto Fases del área de trabajo de la parte de comunicaciones Fase 1. Análisis inicial Fase 2. Planificación del área de trabajo de comunicaciones Fase 3. Diseño de la red de dispositivos de campo Fase 4. Diseño de la red de comunicación PLCs - PC de control Fase 5. Diseño de la red de comunicación PCs de control - PC de supervisión Fase 6. Pruebas del funcionamiento simultáneo de todas las redes Diagrama de Gantt Pruebas y resultados Descripción del sistema Red de comunicación PLCs - PC de control Nivel físico y de enlace Nivel de red y transporte Nivel de aplicación Red de comunicación PCs de control - PC de supervisión Programas desarrollado a nivel de aplicación Diagrama de flujo del PLC Diagrama de flujo del PC de control Diagrama de flujo del PC de supervisión Pruebas Fase Comunicación PLC - PC de control Comunicación PC de control - PC de supervisión Fase Mejoras del sistema Conclusiones Conclusiones Líneas futuras de trabajo

13 ÍNDICE GENERAL IX Apéndices 69 A. Simatic Step7 71 A.1. Step A.2. Estructura del proyecto A.3. Creación de un proyecto B. AS-i 79 B.1. Capa física B.2. Capa de enlace B.2.1. Control de acceso al medio B.2.2. Control lógico B.3. Interfaz de usuario C. Profibus-DP 85 C.1. Arquitectura de protocolo C.2. Nivel físico C.3. Nivel de enlace (FDL) C.3.1. Protocolo de transmisión C.3.2. Servicios FDL C.3.3. Integridad de los datos C.4. Interfase de usuario Bibliografía 93

14 X ÍNDICE GENERAL

15 Lista de Figuras 1.1. Esquema de la célula de automatización Esquema de varias células conectadas al ordenador del nivel superior Esquema de la Pirámide de Automatización Protocolos de comunicación en el esquema de la Pirámide de automatización Esquema de comunicación de la célula de automatización Esquema de comunicación de PC de supervisión-pcs de control Esquema de elementos de una red AS-i Esquema multimaestro de una red Profibus-DP Tiempo de ciclo de bus en Profibus-DP monomaestro en función del número de esclavos Montaje de la estructura modular del PLC Módulos del PLC Ejecución cíclica de un programa Ciclo de vida de un sistema de producción industrial Diagrama de Gantt del proyecto Esquema de las subredes Intercambio de mensajes entre el PC de control y el PLC Intercambio anómalo de mensajes entre el PC de control y el PLC Intercambio de mensajes entre el PC de supervisión y el PC de control Formato de los mensajes Diagrama de flujo del PLC Diagrama de flujo del PC de control Diagrama de flujo del PC de supervisión Esquema de la prueba de la comunicación PLC - PC de control Imagen del PLC, el punto de acceso y el switch utilizado en las pruebas Ejemplo de las capturas de tráfico realizadas mediante Wireshark Esquema de la prueba de la comunicación PC de supervisión - PC de control Imagen del portátil y el punto de acceso utilizado en las pruebas Esquema de la prueba de la comunicación de la fase Imagen del variador de frecuencia utilizado en las pruebas XI

16 XII LISTA DE FIGURAS A.1. Simatic Step A.2. Administrador Simatic A.3. HW-Config A.4. Editor de programas A.5. Lenguajes de programación KOP, FUP y AWL A.6. Netpro B.1. Estructura general de un intercambio de mensajes en AS-i B.2. Formato de los telegramas en AS-i C.1. Arquitectura de Profibus

17 Lista de Tablas 4.1. Tiempo medio de transmisión del envío de distinto número de parámetros y medidas en la comunicación PLC - PC de control Tiempo medio de transmisión del envío de avisos y alarmas producidas a nivel de campo en la comunicación PLC - PC de control Período de tiempo hasta la recepción de avisos y alarmas por problemas en la comunicación PLC - PC de control Tiempo medio de transmisión de distinto número de órdenes y registros en la comunicación PC de control - PC de supervisión Tiempo medio de transmisión de avisos y alarmas producidas a nivel de campo en la comunicación PC de control - PC de supervisión Periodo de tiempo hasta la recepción de avisos y alarmas por problemas en la comunicación PC de control - PC de supervisión Algunos ejemplos de parámetros y medidas del variador Micromaster Tiempo medio de transmisión de órdenes/parámetros, medidas/registros, avisos y alarmas del nivel de campo al nivel de supervisión C.1. Velocidad en función de la distancia por segmento Profibus XIII

18 XIV LISTA DE TABLAS

19 Capítulo 1 Introducción En el sector industrial, la eficiencia de las operaciones es un factor muy importante en el rendimiento de cualquier línea de producción. Para ser competitivo en el mercado, todo proceso productivo debe estar compuesto por operaciones muy precisas para obtener una alta productividad que se traduzca en mayores beneficios. Ante esta situación, muchas empresas se ven frente a la problemática de optimizar sus operaciones realizando las modificaciones oportunas en línea de producción. Este proyecto fin de carrera forma parte de un proceso general de mejora de una línea de producción y desarrolla dos soluciones que ayudan a esta optimización: la finalización de la automatización de la línea y la reforma de los sistemas de información. La automatización consiste en eliminar la ayuda de un operador humano del proceso productivo. Entre sus ventajas destacan la mejora de las condiciones de trabajo de los operadores y del desarrollo del proceso. Además, facilita un uso eficiente de la energía y la materia prima, aumenta el rendimiento de los equipos y permite la incorporación de nuevos equipos y sistemas de información. Elevar el grado de automatización pasa inexorablemente por un mayor conocimiento del proceso productivo con las siguientes implicaciones: la obligación de observar y operar un mayor número de variables de medida y control, la mayor interactividad entre los diferentes dispositivos que intervienen y el informe a los centros de decisión de aquellos datos de interés que permitan incidir sobre los procesos. En este sentido, los sistemas de información permiten controlar en tiempo real toda una serie de variables de producción y datos necesarios para un funcionamiento óptimo. La consecuencia de la implantación de estas dos soluciones es el aumento de la calidad. Por un lado se elimina el factor de valoración subjetivo en el trabajo y la falta de precisión del operador humano. Por otro lado, los sistemas de información son una herramienta ágil para identificar derivas de proceso y problemas ocultos en la fábrica mediante el registro continuo de toda la actividad. El punto clave para poder llevar a cabo estos objetivos es el desarrollo de redes de co- 1

20 2 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN municaciones industriales. En un proceso automatizado, la obtención y tratamiento de la información obliga a diseñar una infraestructura de comunicaciones, con distintos niveles de funcionalidad, que contemple las peculiaridades de cada una de las zonas donde se requiere. En este proyecto se ha diseñado una red de comunicaciones adaptada a cada escenario y tomando como referencia los requisitos de optimización impuestos por un cliente real. A continuación, se expone la situación de la línea de producción y la necesidad que se plantea resolver Planteamiento Una empresa desea automatizar una parte de la línea de producción que todavía necesita de la presencia de un operario. Esta parte de la producción consta de un raíl sobre el que se mueve un carro de transporte. A ambos lados del carro existen varias máquinas que actúan sobre el material transportado de modo que el operario detiene el carro en la posición de cada máquina, introduce los parámetros necesarios para que dicha máquina lleve a cabo el proceso correspondiente y cuando ha terminado mueve el carro hasta la posición siguiente. Cada máquina está formada por una serie de sensores, actuadores y dispositivos de mayor complejidad como reguladores de proceso, accionamientos, convertidores de frecuencia o brazos articulados. El funcionamiento conjunto de todos estos elementos está controlado por un PLC (Program Logic Controller) o autómata que tiene programado de antemano la secuencia de tareas que debe realizar dependiendo de los materiales y producto en cuestión. Como los procesos son variables es el propio operario el que tiene que introducir los parámetros precisos en cada caso y determinar si es necesario el trabajo realizado por dicha máquina o se puede pasar a la siguiente directamente. El objetivo es eliminar la presencia humana en esta parte de la línea de producción. Para ello, se decide instalar un ordenador industrial embarcado en el carro, que controle su movimiento y se comunique con cada PLC. Este ordenador conocerá en todo momento el conjunto de procesos necesarios para el producto que está manejando. Gracias a esto podrá determinar en qué posiciones es necesario detenerse y sus parámetros. Esta información vendrá de otro ordenador industrial correspondiente a un nivel de automatización superior. Se denomina célula de automatización (figura 1.1) al conjunto formado por la cinta trasportadora sobre la que va el carro con su ordenador y las máquinas. En la línea de producción existirán varias células de automatización. Cada producto tiene que pasar por todas las células en cierto orden de modo de que el resultado de una influye en la actividad que realiza la siguiente. El sistema de automatización que se creará descansa sobre un modelo jerárquico de niveles. De esta forma, se dispondrá un nivel superior de automatización (figura 1.2) que será implementado por un segundo ordenador de mayores prestaciones. Su principal función es la supervisión de todas las células por lo que demandará información sobre el estado de

21 1.1. PLANTEAMIENTO 3 Raíl Máquina 3 PLC PLC Máquina 2 PLC Carro de transporte PC Máquina 1 Figura 1.1: Esquema de la célula de automatización. cada una de ellas: tiempo de proceso, número de procesos realizados, parámetros utilizados, identificación de los lotes procesados, etc. El control sobre todas las células implica que éstas sean independientes entre sí y no se detenga toda la línea de producción porque una de ellas se paralice. De hecho, si a este ordenador le llega el aviso de avería de una de las células deberá de inmediato desviar la carga de trabajo hacia otra que actúe de respaldo. Para conseguir este ambicioso objetivo, es necesario crear una red de comunicaciones que permita el intercambio de información entre los distintos elementos de la célula atendiendo al orden jerárquico mencionado. Partiendo de la infraestructura dada, se diseñará una nueva red de control dentro del ámbito de cada máquina para que el PLC pueda asumir el control de nuevos elementos que harán falta para llevar a cabo la automatización y que, en su conjunto, los procesos se realicen de forma más eficiente. Por otro lado, se creará la red que permita integrar y coordinar las máquinas dentro de la célula y, a su vez, vincular las distintas células con el nivel jerárquico superior. Para ello, se diseñará el enlace de comunicaciones que conecte los PLCs de cada máquina con el ordenador del carro de transporte, PC de control a partir de ahora, y dicho ordenador con el del nivel superior de automatización, o PC de supervisión. Una vez establecidos los diferentes canales de comunicaciones será necesario programar una aplicación software que permita definir un protocolo para que, por una parte, el PC de control determine los puntos

22 4 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Raíl Máquina 3 PLC PLC Máquina 2 Carro de transporte PC PLC Máquina 1 Máquina 3 PLC PLC Máquina 2 PC nivel superior Carro de transporte PC Máquina 1 PLC PLC Máquina 3 PLC Máquina 2 Carro de transporte PC Máquina 1 PLC Figura 1.2: Esquema de varias células conectadas al ordenador del nivel superior.

23 1.2. ESTADO DEL ARTE 5 de parada y pueda enviar los parámetros necesarios a cada máquina y, por otra, envíe la información de estado al nivel de supervisión y éste pueda, a su vez, mandar información para corregir los parámetros de algún proceso. La red de comunicaciones, el protocolo de control y la aplicación software que se diseñan estará inmersos en un sistema de automatización con sus reglas, estructura, parámetros, tipos de redes, etc. Por esta razón se realiza, a continuación, un estudio del estado del arte de estos sistemas Estado del arte Como ya se ha mencionado, el proceso de automatización [1] consiste en diseñar sistemas capaces de ejecutar tareas repetitivas y de controlar operaciones sin la ayuda de un operador humano. Esta sustitución de mano de obra humana por equipos mecánicos y electrónicos permite optimizar el uso de los recursos existentes mejorando las condiciones de trabajo del personal ya que suprime los trabajos penosos e incrementa la seguridad. Además, logra incrementar la productividad de la empresa reduciendo los costes de producción y mejorando la calidad de la misma. La automatización debe proveer una infraestructura, denominada sistema de automatización, que permita cubrir todas las fases y aspectos del proceso productivo mediante las tareas de adquisición, supervisión, gestión, control y optimización. En función del proceso industrial, se organizan e integran estas actividades definiendo diferentes arquitecturas donde se toman como referencia las características de los llamados modelos estructurales de automatización, descritos a continuación Modelos estructurales de automatización Un modelo estructural de automatización [2] es el punto de partida para organizar el sistema de automatización especificando la disposición general, la tecnología utilizada, las actividades de cada uno de sus componentes y la forma en que se comunican. Son múltiples los modelos desarrollados pero entre ellos se puede destacar los jerárquicos y los distribuidos. Los modelos jerárquicos [3] definen una estructura en la cual se especifican niveles y sus correspondientes responsabilidades dentro del grupo. Cada nivel es un subsistema con una relación de subordinación respecto al nivel superior. Las funciones más altas de la jerarquía tienden a enfocarse en planificación mientras que los niveles bajos se centran en la ejecución. Algunos ejemplos de este tipo de modelo son CIM (Computer Integrated Manufacturing) [4] o METAS (Método para la Automatización Integral de Sistemas de Producción Continua) [5]. Los modelos distribuidos [6], en cambio, se basan en la fragmentación del sistema en

24 6 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Figura 1.3: Esquema de la Pirámide de Automatización. unidades completamente autónomas. Esta autonomía exige que los componentes de la estructura cooperen para alcanzar objetivos globales gracias a la toma de decisiones locales y la cooperación mediante protocolos de negociación. Ejemplos de modelos distribuidos son PROSA (Process Resource Order Staff Architecture) [7] y PROHA (Product Resource Order Heterarchical Architecture) [8]. En el presente proyecto fin de carrera, se utilizará uno de los modelos de automatización jerárquico denominado Pirámide de Automatización (figura 1.3) y que se desarrolla a continuación Pirámide de Automatización En este modelo [9], la integración de los diferentes equipos y dispositivos existentes del sistema de automatización se hace dividiendo las tareas de forma jerárquica. Se definen cuatro niveles que van desde los aspectos de control de los procesos físicos las funciones de optimización. Cada nivel se caracteriza por un tipo de información y procesamiento diferente, lo que requiere unos interfaces de comunicación favoreciendo la coordinación de todos los elementos. Éste es el modelo de automatización más difundido en el ambiente de producción continua por la ISO (International Standard Organization). Los niveles especificados son los siguientes:

25 1.2. ESTADO DEL ARTE Nivel de acción y sensado (nivel de campo) También llamado nivel de instrumentación. Está formado por un conjunto de dispositivos, subprocesos, maquinaria en general, con el que se realizan las operaciones elementales de la producción en la empresa. Para ello se dispone de dos tipos de dispositivos que interactúan con el proceso: actuadores y sensores. Los actuadores son los encargados de ejecutar las órdenes de los elementos de control para modificar el proceso productivo mientras que los sensores miden variables del proceso. Como ejemplos de actuadores se pueden citar los motores, válvulas, calentadores, taladros, cizallas, etc. Ejemplos de sensores son aquéllos que permiten medir temperatura, presión, posición, etc. Este nivel está formado por los elementos menos inteligentes de la estructura ya que actúan en función de los algoritmos de control y comandos seleccionados por el nivel superior tras adquirir los datos de los sensores. Entre sus tareas están la ejecución de acciones mecánicas o manipulaciones, la activación de alarmas y la transmisión de los mensajes oportunos al nivel superior Nivel de control (nivel de célula) En este nivel se sitúan los elementos capaces de gestionar los actuadores y sensores del nivel acción y sensado tales como autómatas programables, PCs industriales o equipos basados en microprocesadores como robots. Estos dispositivos permiten que los actuadores y sensores funcionen de forma conjunta y coordinada para ser capaces de realizar el proceso industrial deseado. El nivel de célula es el nexo entre las instalaciones y el nivel de supervisión. Su objetivo es recoger la información del campo e informar, a su vez, sobre la situación de las alarmas y las variables, corrigiendo algoritmos de control y programas. En general, se transmiten pequeñas cantidades de datos y es típico que exista una comunicación jerarquizada, esto es, contar con un elemento, un PC industrial por ejemplo, que coordina la interacción con varios dispositivos de campo o esclavos. Los dispositivos de este nivel de control junto con los del nivel inferior poseen entidad suficiente como para realizar procesos productivos por sí mismos. Al ser programables es posible ajustar y personalizar su funcionamiento según las necesidades de cada caso. Gracias a esto se pueden independizar procesos distintos en pequeñas células o islas coordinadas por el nivel superior que sincroniza el fin de un proceso con el inicio del siguiente, de tal modo que si se paraliza una célula sólo se detienen los procesos asociados a la misma. No obstante, a pesar de contar con procesos o conjuntos de procesos aislados, esto no implica que no se necesite comunicación entre las células ya que en determinados casos se requiere de un gran número de sensores y señales de control a los actuadores de diferentes autómatas programables que comparten información acerca de la marcha del proceso completo.

26 8 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Nivel de supervisión (nivel de planta) Este nivel se encarga de enlazar células de fabricación interconectando los PCs industriales o autómatas programables con los equipos de observación para su operación y supervisión. Sus funciones son la adquisición y el tratamiento de datos, la monitorización y gestión de alarmas y asistencias, el mantenimiento correctivo y preventivo, el control de calidad, la sincronización de células, la coordinación de transporte, el aprovisionamiento de líneas y el seguimiento de lotes y de órdenes de trabajo. En este nivel es posible examinar cómo se están llevando a cabo los procesos de planta en sistemas de visualización como pantallas industriales o PCs. El entorno SCADA (Supervisión, Control y Asquisición de DAtos) [10], por ejemplo, permite obtener una imagen virtual de la planta de modo que ésta se puede recorrer de manera detallada, o bien, mediante pantallas de resumen, ser capaces de disponer de un panel donde se muestren las posibles alarmas, fallos o alteraciones en cualquiera de los procesos que se llevan a cabo. Todos los dispositivos de control existentes en planta se pueden monitorizar si existe un sistema de comunicaciones adecuado capaz de vincular estos elementos con los controladores de las células de fabricación. Para ello, resulta imprescindible la conexión con el nivel de control mediante un tipo de comunicación de altas prestaciones, pues a veces resulta necesaria la transmisión de una cantidad de datos mayor y la conexión con un gran número de elementos de control Nivel de planificación y gestión (nivel de fábrica) También denominado nivel corporativo, este es el nivel más alto de la pirámide y en el que se realizan tareas de índole general que conciernen a toda la empresa. A través del nivel de supervisión se puede obtener información de todos los niveles inferiores de una o varios plantas sobre la cantidad de las materias primas consumidas, la producción realizada, los tiempos de producción, el volumen de productos finales en stock, etc. En base a esta información, se llevan a cabo funciones relativas a la planificación tales como la programación de la producción, la gestión de compras, el análisis de costes de fabricación y el control de inventario. Las funciones de gestión abarcan desde el marketing o la previsión de ventas hasta la optimización de la fabricación y operación. El resultado de estas tareas es la información que se envía al nivel de supervisión acerca el cumplimiento de programas y los cambios de ingeniería. Este nivel es el más alejado de los procesos productivos, razón por la cual está constituido principalmente por PCs. Al interconectar PCs dentro del mismo nivel y con el nivel de supervisión las comunicaciones ya no necesitan ser de tipo estrictamente industrial, es decir, muy robustas, de corto tiempo de acceso, etc. Ahora los datos que se transmiten son informes que pueden tener un tamaño medio-grande, por lo que habitualmente se emplean redes locales menos costosas como redes Ethernet que se adaptan mejor al tipo de datos que se desea transmitir y además permiten la comunicación eficaz entre los diferentes orde-

27 1.2. ESTADO DEL ARTE 9 Figura 1.4: Protocolos de comunicación en el esquema de la Pirámide de automatización. nadores del mismo nivel de gestión (compras, departamento comercial, RRHH, dirección, diseño, etc) Redes de comunicaciones industriales Los sistemas de comunicación proporcionan el esqueleto sobre el que se articula el modelo jerarquizado de automatización. En la Pirámide de Automatización mencionada en el apartado anterior, cada uno de los niveles realiza un tratamiento y filtrado de la información que es transmitida en sentido ascendente y descendente. A su vez, como resultado de sus tareas específicas también genera información destinada a los niveles adyacentes. En dicho esquema piramidal existen diferentes niveles de comunicación, cada uno de los cuales con sus necesidades particulares (figura 1.4). No obstante, podemos hablar en realidad de dos tipo de redes: redes de control y redes de datos Redes de datos En general, las redes de datos [11] están asociadas a la parte más alta de la pirámide (nivel de fábrica y de planta). A este nivel se trabaja frecuentemente con grandes volúmenes de datos, aunque el tiempo de respuesta no suele ser crítico y se sitúa entre pocos segundos hasta minutos o incluso horas. Para ello, cuando los sistemas enlazados están situados en la misma planta o emplazamientos próximos se crean redes de área local (LAN, Local Area Networks). La pila de protocolos más utilizada es TCP/IP sobre Ethernet o Wi-fi. Para comunicar entre sí las distintas sedes de una empresa se utilizan redes de área metropolitana (MAN, Metropolitan

28 10 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Area Networks) y extensa (WAN, Wide Area Networks) si se diera el caso de una gran empresa con sedes en varias ciudades o países. Este tipo de redes sigue el modelo cliente-servidor. En este modelo existen dos aplicaciones que cooperan entre sí para intercambiar información, servicios o recursos. Se denomina cliente al proceso que inicia y finaliza de forma activa el diálogo y solicita los recursos. El servidor, en cambio, espera de forma pasiva las peticiones de los clientes y les proporciona el recurso solicitado Redes de control Las redes de control [12] [13], en cambio, están ligadas a la parte más baja de la pirámide. Los sistemas electrónicos de control utilizados en estos niveles inferiores de las fases de producción trabajan en tiempo real. Debido a ello, se les exigen tiempos de transmisión mucho más rápidos y, sobre todo, un comportamiento determinista. Por el contrario, los volúmenes de información a transmitir son menos elevados. Las redes de control son redes digitales, bidireccionales, multipunto y montadas sobre un bus serie (razón por la cual también se denominan buses de campo). Se basan en la conexión de grupos de dispositivos de campo a distintos procesadores de comunicaciones y éstos, a su vez, al sistema de control. De esta forma, se evitan las conexiones punto a punto independientes, que implican un aumento desmesurado del cableado. El control demanda de estas redes una respuesta en tiempo real o, al menos, con una demora no significativa respecto a los tiempos del proceso. El método de acceso al medio y el número de capas implementadas en la arquitectura de red resultan determinantes en la velocidad de respuesta de la red. Cuando la velocidad es el factor esencial, el modelo OSI de 7 capas [14] puede simplificarse eliminando las capas de red, transporte, sesión y presentación. Las redes de control se pueden dividir en la siguiente clasificación. Redes de controladores Este tipo de redes de control [15] se utilizan para comunicar varios sistemas electrónicos de control (PLCs, robot, etc) entre sí. Son, por lo general, redes de área local de tipo maestro-esclavo. La capa de aplicación proporciona no sólo el intercambio de información sino también llevar a cabo tareas de diagnóstico, carga y descarga de los programas ejecutados por ellos. Otras características son la redundancia a través de la configuración multimaestro, petición de servicios a los esclavos basado en eventos, recuperación de datos desde el esclavo, etc. Algunos ejemplos son Profibus [16] [17] [18] y Profinet [19]. Redes de sensores-actuadores En este grupo [20] se encuentran las redes de campo cuyo objetivo es interconectar los sistemas electrónicos de control con los dispositivos de campo conectados al proceso.

29 1.3. ESTRUCTURA DEL PROYECTO. 11 Su capacidad funcional se limita a dispositivos de todo-nada tales como finales de carrera, fotocélulas, relés, etc, controlados por un único nodo maestro. Funcionan en aplicaciones de tiempo real estricto agrupados normalmente en una pequeña zona de la planta (máquina o célula). Suelen especificar las capas física y de enlace del modelo OSI. Algunos ejemplos son CAN (Controlled Area Network) [21], MPI(Multi Point Interface) [22] y AS-i (Actuator Sensor Interface) [23] [24]. El modelo de comunicación que siguen este tipo de redes es maestro-esclavo. Este modelo permite que varios elementos aislados denominados esclavos se comuniquen con un elemento central denominado maestro. La comunicación está controlada por el maestro que decide quién tiene acceso al medio de transmisión evitando que ocurran colisiones. El acceso a los esclavos desde un maestro es un proceso de interrogación cíclico por turno circular Estructura del proyecto. El proyecto se estructura en cinco capítulos y 3 anexos. El Capítulo 1 introduce el planteamiento del proyecto y el estado del arte en cuanto a los sistemas de automatización, los modelos estructurales, la Pirámide de Automatización y las redes de comunicación industrial. En el Capítulo 2 se detallan los objetivos del proyecto precisando el funcionamiento y los requisitos del sistema. El Capítulo 3 especifica los equipos y materiales que se han utilizado en las redes de comunicación y la metodología seguida. El Capítulo 4 recoge la descripción de las redes diseñadas y el software desarrollado para cumplir las especificaciones del capítulo 2 así como las pruebas realizadas y los resultados obtenidos. Las conclusiones y posibles líneas futuras es el tema que aborda el Capítulo 5. Los anexos A, B y C recogen una breve descripción de Step7, AS-i y Profibus, respectivamente.

30 12 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN

31 Capítulo 2 Objetivos Este proyecto fin de carrera forma parte de un proceso general de mejora de una línea de producción industrial. La mejora se realiza desde distintos ámbitos y el presente proyecto se centra en el área de las comunicaciones. El objetivo de este proyecto es el desarrollo de la red de comunicaciones de la línea de producción proporcionando la infraestructura y recursos necesarios que permitan la completa automatización de la misma y la mejora de los sistemas de información. Hay que integrar, por tanto, los elementos que ya tiene la línea de producción dentro del esquema de la Pirámide de Automatización y, en base a este esquema, diseñar y planificar la red que permita el control y la transmisión de datos. Para ello, se detalla a continuación la funcionalidad de cada elemento de la célula de automatización, se analizará la situación actual de la línea de producción y se describirán las especificaciones requeridas Funcionamiento de la célula de automatización PLC y dispositivos de campo La línea de producción, como ya se ha mencionado, consta de un raíl sobre el que se mueve un carro de transporte con varias máquinas a ambos lados del mismo. Cada máquina es diferente y está formada por una serie de dispositivos de campo que se pueden dividir en dos grupos: - dispositivos de capacidad funcional limitada: sensores y actuadores de tipo binario (on/off ) tales como sensores de presencia, pulsadores, relés, contactores, columnas de señalización, cortinas de luz, etc. - dispositivos inteligentes: 13

32 14 CAPÍTULO 2. OBJETIVOS codificadores absolutos, servoválvulas, convertidores de frecuencia. En el fondo también se pueden clasificar como sensores o actuadores pero su funcionalidad es mayor. Todos estos dispositivos estarán controlados por un PLC para que actúen de forma conjunta y coordinada. Dicho PLC tiene programados los procesos de cada máquina de tal manera que manda la orden adecuada a cada dispositivo actuador y lee las medidas de los sensores. En función de las medidas leídas puede cambiar alguno de los parámetros de los procesos, razón por la cual se requieren unos tiempos de respuesta cortos. Estos programas dependen de los procesos que realice cada máquina y escapan al alcance de este proyecto. No obstante, es imprescindible registrar las acciones y las medidas realizadas para enviarlas a los niveles superiores de automatización y, en el caso de que alguna medida supere un valor predeterminado, lanzar un aviso o alarma. En caso de incidencia, el PLC está habilitado para parar un dispositivo o incluso toda la máquina si es necesario PC de control La función del PC de control es más compleja. Su acción se sitúa en el nivel de célula por lo que tiene que intermediar entre el nivel de campo, constituido por el PLC y los dispositivos mencionados, y el nivel de supervisión, es decir, el PC de supervisión. Su cometido principal es establecer comunicación con el PLC, enviar los parámetros de los procesos que sea necesario cambiar si ha recibido dicha información del nivel de supervisión, dar permiso a la máquina para que comience a actuar sobre el material transportado y, cuando el PLC avise de que sus procesos han terminado, leer todas las medidas que ha efectuado dicho equipo (ver figura 2.1). A continuación debe mover el carro de transporte hasta la posición siguiente de forma que el material que está siendo tratado pase por todas las máquinas. Además, tiene que gestionar todo el sistema de alarmas y avisos que pueden surgir en el nivel de campo y que haya que enviar al PC de supervisión y viceversa. Para que el PC de supervisión entienda la información que le llega del nivel de campo, el PC de control se encarga de crear unos registros indicando el identificador de la célula, la máquina, el dispositivo de campo, el parámetro o medida y su valor a partir de la información que recibe de los autómatas. En el caso de que sea una alarma o aviso se indica su código. En sentido opuesto, el PC de supervisión crea mensajes u órdenes en el mismo formato que los registros. El PC de control debe ser capaz de interpretar estos mensajes para obtener la máquina destino y reenviarle la información sobre el número de dispositivo y parámetro a modificar y su valor.

33 2.1. FUNCIONAMIENTO DE LA CÉLULA DE AUTOMATIZACIÓN 15 Raíl Máquina 3 Máquina 2 PLC Parámetros Medidas Máquina 1 PLC Parámetros Medidas PLC Carro de transporte PC Parámetros Medidas Figura 2.1: Esquema de comunicación de la célula de automatización PC de supervisión En el caso del PC de supervisión, como su propio nombre indica, se encarga de la supervisión de las células y para ello tiene instalado una aplicación SCADA. Esta aplicación permite obtener una imagen virtual de todos los procesos que se están llevando a cabo así como las posibles alarmas, fallos o alteraciones en cualquiera de las máquinas. Para que este sistema funcione correctamente, el PC de control debe enviar los datos al PC de supervisión en el formato indicado anteriormente. En este PC correrá un programa servidor al que le lleguen registros que irá introduciendo en una base de datos. Una vez que está disponible en la base de datos, el SCADA se encarga de mostrar toda la información al usuario para que pueda leer los avisos, alarmas y medidas. En función de esta información, el usuario o la misma aplicación mediante algoritmos de optimización, puede decidir cambiar parámetros de los procesos de producción. Para ello debe dejar los parámetros que quiere cambiar junto con el destinatario de esta información en el formato indicado dentro base de datos. El servidor extraerá estas órdenes y las encaminará hacia el PC de control correspondiente (ver figura 2.2).

34 16 CAPÍTULO 2. OBJETIVOS SCADA Registros Órdenes Pc de supervisión Base de datos Hora Célula Máquina Dispositivo Parámetro Médida Valor 10:33: :32: :32: :32: :33: :33: :33: Registros Órdenes Servidor Registros Órdenes Registros Órdenes Registros Pc de control Pc de control Órdenes Pc de control Figura 2.2: Esquema de comunicación de PC de supervisión-pcs de control Especificaciones del proyecto La red de comunicaciones que completa la automatización de la línea de producción y la mejora de los sistemas de información, objetivo principal del presente proyecto, requiere el siguiente conjunto de especificaciones generales: la eficiente gestión de mensajes cortos que es necesario intercambiar a nivel de campo y de célula para el control de los procesos implicados. la gestión de alarmas y avisos para poder transmitir mensajes prioritarios a los niveles superiores de automatización desde los niveles inferiores. el bajo coste de instalación y conexionado. El desarrollo de las alarmas tiene como finalidad la optimización del proceso y la obtención del producto final. Cuando se detecta una anomalía en un proceso se bloquea hasta recibir una respuesta del nivel de supervisión que indique cómo subsanarla. Luego éste retornará al punto donde se interrumpió. En el caso de que ocurra una incidencia que el autómata pueda resolver se podrán enviar mensajes de aviso con la modificación introducida en el proceso. Adicionalmente, este proyecto encuentra una restricción particular ya que debe partir de una infraestructura existente que deberá tenerse en cuenta a la hora de diseñar las distintas redes. Dentro de esta infraestructura, los dispositivos de campo se ha divido en aquéllos de capacidad funcional limitada y los inteligentes. Los del primer grupo manejan muy pocos bits de información (5 bits como máximo). Por el contrario, el segundo grupo necesita enviar y recibir varios bytes de información ya que su funcionalidad es mayor. En ambos casos,

35 2.2. ESPECIFICACIONES DEL PROYECTO 17 el tiempo de respuesta debe ser menor de 20 milisegundos, entendiendo por tiempo de respuesta es el tiempo de transmisión desde el PLC al dispositivo de campo o viceversa. Cada máquina tiene aproximadamente 10 dispositivos del primer grupo y 1 ó 2 del segundo grupo. No obstante, el sistema debe ser fácilmente ampliable ya que está previsto que el número de dispositivos aumente debido al proceso de automatización. En cuanto al PC de control, la única restricción es que dicho ordenador tiene instalado el sistema operativo Linux RT (Real Time) debido a circunstancias ajenas a la comunicación o la automatización y los enlaces con dicho equipo deben ser inalámbricos puesto que el carro donde se sitúa estará en movimiento. Este PC de control manejará una cantidad variable de datos y deberá estar preparado para enviar o recibir más de 500 bytes de información. Por último, el tiempo de respuesta que se requiere de la comunicación PLCs - PC de control depende del número de medidas/parámetros que sea necesario transmitir y es del orden de segundos, mientras que en el caso de la comunicación entre el PCs de control y el PC de supervisión este tiempo puede ascender a medio minuto ya que no se espera una alta frecuencia en la solicitud de información y debido a que la cantidad de bytes que se intercambia es mayor puesto que por el PC de control pasan todas las órdenes y registros de todos las máquinas de la célula. En ambos casos, el tiempo de respuesta no es crítico puesto que la comunicación PLC - PC de control y PC de control - PC de supervisión se produce en el lapso de tiempo en el que no hay ningún proceso activo.

36 18 CAPÍTULO 2. OBJETIVOS

37 Capítulo 3 Materiales y metodología En este capítulo se describen los elementos que componen la célula de automatización y la metodología para desarrollar el proyecto así como los sistemas utilizados para implementar la red de dispositivos de campo de capacidad funcional limitada y la red de dispositivos da campo inteligentes Materiales El material utilizado en este proyecto se divide en dos categorías. Por un lado, están los protocolos o sistemas ya disponibles para implementar las redes de comunicaciones que se diseñará y, por otro lado, los equipos necesarios para desplegar estas redes y que se instalarán en la línea de producción. Todos los equipos que se van a utilizar en el proyecto están preparados para trabajar en ambientes industriales donde pueden existir mayores niveles de CEM (Compatibilidad ElectroMagnética), temperaturas extremas, humedad, vibraciones, polvo, variaciones de tensión bruscas y elevadas, etc. En este sentido, cada elemento debe cumplir la normativa de protección según el lugar donde se emplace. La normas de homologación y los grados de protección IP permiten conocer la resistencia del equipo frente a agresiones ambientales. Todos los materiales aquí expuestos tienen un grado de protección IP superior a Sistemas de comunicación Red AS-i Tecnología AS-i 19

38 20 CAPÍTULO 3. MATERIALES Y METODOLOGÍA PLC Maestro Fuente de alimentación Esclavo Bus As-i Esclavo Esclavo Dispositivos de campo Dispositivos de campo Dispositivos de campo Figura 3.1: Esquema de elementos de una red AS-i. Los dispositivos de capacidad funcional limitada se van a conectar al PLC mediante AS- Interface (apéndice B). AS-Interface o AS-i (Aktuator Sensor Interface) es un sistema de bus de campo, según el estándar EN 50295, que permite la transmisión de señales digitales relacionadas con los dispositivos de nivel de campo mediante un único canal de comunicación siguiendo el esquema maestro-esclavo. Funciona en aplicaciones de tiempo real, y agrupados sus elementos en una pequeña zona de la planta, típicamente, una máquina. Básicamente comprende las capas física y de enlace del modelo OSI junto con una capa de aplicación muy simple. El sistema AS-i está compuesto por un procesador de comunicaciones principal denominado maestro, procesadores de comunicaciones subordinados denominadas esclavos, el cable AS-i y una fuente de alimentación AS-i (figura 3.1). El maestro se encarga de administrar de forma autónoma el flujo de datos consultando, de forma cíclica y por turnos, a todos los nodos subordinados. En cada ciclo, el procesador recibe información sobre el estado de los sensores y actualiza la información de los actuadores conectados a cada esclavo. Aparte de consultar las señales asume las tareas de parametrización, supervisión y diagnóstico. Los esclavos posibilitan la conexión de sensores y actuadores. Pueden instalarse hasta 62 esclavos 1 de distintas características en una red AS-i y, según el tipo de esclavo, se pueden conectar 4, 8 ó 16 dispositivos de campo. Existen, no obstante, sensores y actuadores con un esclavo integrado, que pueden conectarse directamente al cable de AS-i. La topología puede ser lineal o en árbol. El cable AS-i está compuesto por dos hilos y permite la transmisión de datos y energía a la vez. Para ello, la fuente de alimentación, que suministra energía al maestro y los esclavos así como a los dispositivos conectados, dispone de un circuito de desacoplo con una elevada impedancia en la banda de frecuencia utilizada para transmitir la información. 1 AS-Interface Specification V2.1.

39 3.1. MATERIALES 21 Razones de la elección Las razones por las que se ha elegido este bus de campo son las siguientes: - reduce el volumen de cableado y de hardware de entrada/salida. - reduce los tiempos de transmisión. - garantiza flexibilidad de la topología y modularidad de los componentes. - simplifica la instalación y puesta en marcha. Antes de automatizar la célula, este tipo de dispositivos estaban conectados directamente al PLC mediante hilos independientes. El volumen de cables y la longitud de los mismos era manejable puesto que su número era reducido. Ahora la situación es inviable debido al aumento en la cantidad de sensores y actuadores por la automatización. Conectar con cableado paralelo cada dispositivo individual al control central es una labor que requiere mucho tiempo y, por lo tanto, resulta costosa. AS-i no sólo evita este problema sino que además permite disminuir el coste en las conexiones y el montaje puesto que la transmisión de datos y energía se realiza por el mismo cable. Asimismo, hay que tener en cuenta que reduce el número de módulos de entrada y salida en el PLC por lo que los armarios de distribución pueden ser más pequeños. En cuanto al tiempo de transmisión, la velocidad del bus es de 167 kbps. Independientemente de que cada esclavo puede tener 4, 8 ó 16 dispositivos conectados, la red pueda controlar hasta 124 entradas/salidas digitales como máximo. El esquema de comunicación maestro-esclavo hace que el maestro interrogue a cada esclavo enviándoles mensajes, llamados telegramas, de 14 bits y el esclavo responda con un mensaje de 7 bits. En estos telegramas, el campo de información a enviar es de 5 bits. La duración de cada ciclo preguntarespuesta es de 300 µs. En cada ciclo de comunicación se deben consultar todos los esclavos, 62 dispositivos como máximo, añadiendo dos ciclos extras para operaciones de administración del bus (detección de fallos). El resultado es un tiempo de ciclo máximo de 10 ms. Por otro lado, la flexibilidad de la topología y la modularidad de los componentes simplifica al máximo su tendido en máquinas, facilita la reconfiguración del sistema y garantiza el intercambio de los componentes. De hecho, los tiempos de parada en caso de fallo son más pequeños gracias al intercambio de módulos sin necesidad de reconfiguración. La incorporación o eliminación de elementos de la red no requiere la modificación del cable. Por último, supone una simplificación de la instalación y la puesta en marcha ya que dispone de técnicas de configuración sencilla de la red y un sistema de conexionado rápido y fiable mediante la perforación del aislamiento del cable plano AS-i.