manual isa teorico

MECATRNICA

|Materia:Integracin de Sistemas Automticos

Unidades temticas:I. Sistemas de Control por Computadora II. Redes de comunicacin Industriales Sistemas de Supervisin de Control y Adquisicin de datos (SCADA) IV. Sistemas de Visin V. Integracin de Proyecto

III.

Manual Terico

Nombre del catedrtico:M.C. Gloria Mnica Martnez Aguilar

INTEGRACION DE SISTEMAS AUTOMATICOS

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MECATRNICA

|Materia:Integracin de Sistemas Automticos

Carrera:Mecatrnica

Unidades temticas:I. Sistemas de Control por Computadora II. Redes de comunicacin Industriales Sistemas de Supervisin de Control y Adquisicin de datos (SCADA) IV. Sistemas de Visin V. Integracin de Proyecto

III.

Manual Terico

Nombre del catedrtico:M.C. Gloria Mnica Martnez Aguilar Ing. Eduardo Salazar ValleINTEGRACION DE SISTEMAS AUTOMATICOS 1

MECATRNICA

CONTENIDOCompetencias:..................................................................................................................................... 3 Objetivo de la Asignatura .................................................................................................................... 3 I. Sistemas de control por computadora........................................................................................ 3 Objetivo .......................................................................................................................................... 3 1.1 1.2 1.3 II. Control digital directo ....................................................................................................... 3 Control Supervisorio......................................................................................................... 7 Control Distribuido ............................................................................................................ 8

Redes de comunicacin industriales ......................................................................................... 11 Objetivo ........................................................................................................................................ 11 2.1 2.2 2.3 Fundamentos de ETHERNET ...................................................................................... 21 Fundamentos de DEVICENET ..................................................................................... 30 Fundamentos de PROFIBUS ....................................................................................... 43 Sistemas de supervisin de control y adquisicin de datos (SCADA). .................................. 50

III.

Objetivo ........................................................................................................................................ 50 IV. Sistemas de Visin ................................................................................................................. 60

Objetivo ........................................................................................................................................ 60 4.1 Introduccin a los sistemas de visin .......................................................................... 60

Ilusiones pticas: ........................................................................................................................ 65 4.2 Dispositivos de formacin de imgenes.......................................................................... 71 4.3 Aplicacin de los sistemas de visin ............................................................................... 78 V. Integracin de proyecto .......................................................................................................... 109 Objetivo ...................................................................................................................................... 109 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 Propuesta de automatizacin ..................................................................................... 109 Especificacin de material y equipo .......................................................................... 110 Diagramas tcnicos ...................................................................................................... 110 Puesta en marcha ........................................................................................................ 110 Elaboracin del Manual de Operacin ....................................................................... 110


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Competencias: Implementar sistemas de medicin y control bajo los estndares establecidos, para el correcto funcionamiento de los procesos industriales. Objetivo de la Asignatura: El alumno integrar sistemas automticos y de control, mediante protocolos de comunicacin industriales, de acuerdo a normas, especificaciones tcnicas y de seguridad, para mejorar y mantener los procesos productivos.

I.Objetivo

Sistemas de control por computadora.

El alumno describir los elementos de la arquitectura de los diferentes sistemas de control por computadora, para determinar el sistema de una aplicacin especfica.

1.1

Control digital directo

El control automtico no se habra podido desarrollar sin un paso previo dado por los controladores con la aparicin de los computadores digitales los que abrieron un campo muy amplio de avance. K. strm hace una resea de hitos histricos en el llamado control digital que hablan de esta evolucin. Hasta el surgimiento de los sistemas digitales el nico elemento de clculo con que contaba la Ingeniera de Control eran los computadores analgicos electrnicos. Lo mismo ocurra con la implementacin de los reguladores. Estos se construan con elementos analgicos mecnicos, neumticos o electrnicos. Pero el desarrollo de la electrnica y de los computadores digitales llev a cambiar rpidamente la concepcin. Los primeros computadores digitales fueron usados en sistemas de control de procesos extremadamente complejos. Con la reduccin constante de los precios y tamao, hoy se implementan reguladores digitales individuales por lazo de control. Los computadores digitales son usados tambin como herramienta para el anlisis y diseo de los sistemas automatizados. La automtica o ciencia del control cuenta con elementos mucho ms poderosos que en el pasado. Los computadores digitales estn en constante progreso especialmente con los avances en la tecnologa de la integracin en muy alta escala (VLSIT). Se esperan importantes cambios en los prximos aos.


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En un primer momento se intentaba trasladar todos los algoritmos y mecanismos de diseo del campo analgico a los elementos digitales. Pero la teora del control ha avanzado creando tcnicas imposibles de implementar en forma analgica. Por lo tanto existen dos formas de analizar los sistemas discretos. Una, como una aproximacin de los reguladores analgicos, pero sta es una visin pobre y los resultados a lo sumo son iguales a los obtenidos anteriormente. La segunda es ver a los sistemas discretos de control como algo distinto y de esta manera obtener conclusiones ms poderosas. Un sistema discreto se inserta en el lazo de control a fin de reemplazar el regulador pero e1 proceso fsico contina siendo continuo, en la mayora de los casos de inters. La seal de salida se muestrea cada cierto tiempo (llamado perodo de muestreo) y es discretizada mediante un conversor analgico digital. Esta informacin es procesada y convertida nuevamente a analgica mediante un conversor digital analgico. Por lo tanto internamente, el computador se independiza del tipo de seal con que est trabajando y ve todas las magnitudes como una serie de valores discretos (de precisin finita). Por esto resulta cmodo trabajar con ecuaciones en diferencia en lugar de ecuaciones diferenciales como se haca con los mtodos analgicos.

Reloj Salida Continua y(t)

y(t)

A/D

y(k)

Algoritmo

u(k)

D/A

u(t)

Proceso Continuo

Computadora

Figura 1.- Esquema bsico de control por computadora

Analizando la historia del control digital se puede fijar como momento inicial los aos '50 donde aparecen las primeras computadoras dedicadas al control proceso. Eran muy grandes en cuanto a volumen, tenan un gran consumo y generalmente su fiabilidad no era muy grande. En 1956 se instala en la compaa Texaco un sistema que controla 26 caudales, 72 temperaturas y 3 composiciones. Este computador realizaba una suma en 1 ms y una multiplicacin en 20 ms. Su tiempo medio entre fallas (TMEF MTBF) que mide la fiabilidad de un equipo era de 50 a 100 hrs. solo para la CPU. Como caractersticas de la poca se puedeINTEGRACION DE SISTEMAS AUTOMATICOS 4

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decir que no estaba avanzada an la implementacin de modelos en tiempo real. Lo que se usaba eran complejos modelos basados en el comportamiento fsico del proceso. Haba adems un escaso desarrollo en materia de sensores. Tambin se advierte por ese entonces un fuerte rechazo a la introduccin de nuevas tecnologas. En 1962, en la Imperial Chemical Industries (en Inglaterra) se instala un control digital con 224 entradas comandando 129 vlvulas. Se utiliza por ese entonces, como argumentacin el concepto de Control Digital Directo (CDD o DDC), es decir que una nica computadora controla toda una planta o proceso. Una suma se haca en .1 ms y se multiplicaba en 1 ms. El TMEF haba ascendido a unas 1000 hrs. Se comenzaba a reemplazar tableros de instrumentos por teclado y pantallas. Ya se observa una ventaja importante: la fcil reconfiguracin del sistema. En 1965 comienza la era de las mini computadoras. Una mini computadora tpica tena una longitud de palabra de 16 bits, de 8 a 124k de memoria fija ms una unidad de disco. Aparecen los circuitos integrados con lo que se reducen notablemente los costos y los tamaos. Aumenta la velocidad y la fiabilidad: una suma se ejecuta en 0,002 ms y en 0,007 ms una multiplicacin. El TMEF sube a 20000 hs. Ya es posible pensar en aplicar el control digital a proyectos pequeos con lo que se observa un crecimiento de las aplicaciones de 5000 a 50000 en 5 aos. El costo medio de una aplicacin (en 1975) es de unos 10000 dlares llegando el costo total del proyecto a 100000 dlares. En 1975 hacen su aparicin las microcomputadoras con un costo medio de 500 dlares y un consumo despreciable. Ahora cambia el concepto del sistema y se habla de control dedicado es decir dar a cada variable o grupo de ellas un control especfico y personalizado. Tambin en este momento se observa un gran desarrollo de la teora de control. Con vistas al futuro se pueden prever avances en varios campos y con diversos ritmos. Uno de ellos es el propio conocimiento del proceso. Sus progresos son lentos pero constantes. Se ven potenciados actualmente por la facilidad en la recoleccin de datos y su posterior anlisis. Asociado a esto estn las tcnicas de medicin que se sofistican da a da al haber cada vez ms sensores inteligentes incluso que incorporan computadores a bordo. Quizs el avance ms espectacular sea en el terreno de la tecnologa de los computadores. Se observan avances en varias reas: desarrollos electrnicos en materia de integracin (vlsi), en el dominio de las comunicaciones, en la presentacin de la informacin, la aparicin de nuevos lenguajes y en la arquitectura propia de los computadores.


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Caractersticas del Control Digital Como caractersticas bsicas del control digital se pueden mencionar las siguientes: No existe lmite en la complejidad del algoritmo. Cosa que s suceda anteriormente con los sistemas analgicos. Facilidad de ajuste y cambio. Por el mismo motivo anterior un cambio en un control analgico implica, en el mejor de los casos, un cambio de componentes si no un cambio del controlador completo. Exactitud y estabilidad en el clculo debido a que no existen derivas u otras fuentes de error. Uso del computador con otros fines (alarmas, archivo de datos, administracin, etc.) Costo vs. nmero de lazos. No siempre se justifica un control digital ya que existe un costo mnimo que lo hace inaplicable para un nmero reducido de variables. Tendencia al control distribuido o jerrquico. Se ha pasado de la idea de usar un nico controlador o computador para toda una planta a la de distribuir los dispositivos inteligentes por variable o grupos de estas e ir formando estructuras jerrquicas. En cuanto a la arquitectura de un lazo de control es de la forma en que lo muestra la Figura 2. El proceso en la mayora de los casos es continuo, es decir se lo debe excitar con una seal continua y genera una salida continua. Esta seal, como en cualquier lazo de control es sensada por algn dispositivo que a su vez entrega una seal continua proporcional a la magnitud medida. Por otra parte est el computador que solo trabaja con valores discretos. Para compatibilizar ambos existen dos elementos: el CDA y el CAD que realizan la conversin de magnitudes.

Figura 2.- Control digital Directo.


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1.2

Control Supervisorio

Los sistemas de control de procesos se definen como los encargados de vigilar los procesos de la planta a travs de redes de computadoras interconectadas que permiten mantener las condiciones necesarias para que no ocurra ninguna perturbacin en los procesos de la misma. El sistema de control es responsable de tareas tales como monitorizacin y vigilancia para el cual existe un nmero de estaciones de trabajo (GUS, UWS, UxS, US, ver vocabulario) conectadas a travs de una o ms redes de rea local, las cuales proveen acceso a un grupo de servicios distribuidos. La arquitectura fsica del sistema de control consiste en una serie de computadores, equipos electrnicos, sensores y actuadores interconectados. El control supervisorio es desempeado por el operador, quin debe conocer ampliamente el sistema de control. l debe tomar en cuenta: La distribucin de la arquitectura del sistema. Los tipos de controles predominantes, tales como lazos de control cerrados automticamente por el sistema, control secuencial, batch (por carga), algoritmos avanzados, etc. Tipos de variables acopladas. Las unidades de adquisicin de datos del proceso se representan por los controladores de lazos PID y PLCs. Medios de comunicacin a travs de redes de rea local, conexin directa. Distribucin de los datos.variables medibles ...

Computadora

Referencias . . .

Planta

Consola del operador

Controladores analgicosFigura 3.- Control Supervisorio.


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1.3

Control Distribuido

El sistema de control distribuido (DCS) ha sido desarrollado para resolver la adquisicin de grandes volmenes de informacin, su tratamiento en centros de supervisin y mando, y la actuacin en tiempo real sobre el proceso a controlar. Se trata de un sistema abierto, que permite la integracin con equipos de otros fabricantes que realicen funciones especficas, y hace la funcin de canalizador de todos los datos recogidos para, a travs de lneas de comunicacin de alta velocidad, ponerlos a disposicin de los usuarios de la planta. El sistema est especialmente recomendado para llevar a cabo la supervisin en plantas de diferentes procesos que en ellas se desarrollan, permitiendo a los usuarios disponer de una informacin procedente de distintos puntos del proceso. A su vez, este sistema dispone de mdulos de software para la resolucin de problemas especficos dentro de las plantas, como pueden ser el clculo de rendimientos, clculo de consumos o el mdulo de mantenimiento. El DCS, est basado en los siguientes componentes principales: Estacin de control de proceso o unidad de control local.- Son una o varias cabinas que alojan fuentes de alimentacin, mdulos controladores, mdulos de entrada/salida y regletas de conexin. Funcionalmente, en las unidades de control local, es donde se realiza el control lgico y, tambin, donde se realiza la adquisicin de datos. Bus de planta.- Estn formadas por dos buses redundantes que permiten transmitir datos a alta velocidad entre unidades de control local, estaciones de operador e interfaces. Son redes de plantas, orientadas al control distribuido, que integran un conjunto de protocolos enlazados entre s y estructurados de acuerdo con el modelo OSI. En los niveles de red y de transporte se utilizan el estndar TCP/IP. El nivel de aplicacin proporciona toda una serie de servicios distribuidos a los procesos de aplicacin de usuario. Estaciones de operador.- Son equipos autnomos con pantallas y teclados, que permiten el acceso de Operador al proceso, para modificar puntos de consigna, seales de salida, arrancar secuencias y poner en marcha o parar motores. La pantalla informa al Operador de las alarmas existentes, le muestra las tendencias de las variables y le presenta


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automticamente informes que le ayudan a tomar las decisiones ms adecuadas en cada caso. Estaciones de ingeniera.- Son equipos autnomos, desde los cuales se permite la configuracin y carga de la programacin de control.

Otros nodos e interfaces.- Adems de los anteriores, a travs de la misma red de comunicaciones, se pueden incorporar al sistema diferentes equipos especializados en funciones complementarias a las propias de control, cuya informacin interesa relacionar con la que ya se dispone del sistema.

Interfaz de Comunicacin

cc en DDC cc en DDC ... cc en DDC

...

Sensores/ Actuadores

Computador a Supervisora

...

Sensores/ Actuadores

Planta...Sensores/ Actuadores

Consola del operador

ComputadorasEn D.D.C.

Figura 4.- Control Distribuido.

Esbozo histrico Periodo Pionero (fines de los 50s): De 1956 a 1959: Primer trabajo serio implantado en la Texaco Oil Co. (Port Arthur Texas): Control supervisorio para 26 flujos, 72 temperaturas, 3 presiones y 3 concentraciones. Periodo del Control Digital Directo (inicios de los 60s):


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En 1962 (Imperial Chemical Industries en Inglaterra) se implanta el primer sistema que reemplaza todos los controladores analgicos de un proceso: meda 224 variables y controlaba 129 vlvulas. Periodo de la minicomputadoras (fines de los 60s) Periodo de las microcomputadoras (inicios de los 70s) Primer sistema de Control Distribudo: en 1975 Honeywell) (TDC2000 de

Periodo Actual (de los 80s hasta hoy) .- Uso generalizado del control digital. Desarrollo de la Teora del Control Digital 1948 Oldenburg y Sartorius.- Ecuaciones de diferencias para SLITs 1952 Ragazzini y Zadeh (USA) definen la Transformada Z. En forma independiente por Tsypkin (URSS), Jury (USA) y Barker (Inglaterra). 1960 R. Kalman Introduce la teora del espacio de estado 1957 Bellman y Pontryagin (1962). Diseo de controladores = Problema de optimizacin. 1960 Kalman: problema LQR = Ecuacin de Riccati. Introduce tambin la teora de control estocstico Filtro de Kalman 1969 1979 Metodos polinomiales para solucin de problemas especficos de control (Kalman 1969, Rosenbrock 1970, Wonham 1974, Blomberg & Ylinen 1983, Kucera 1979. 1980 a la fecha George Zames (1981). Introduce la tcnica de diseo de controladores robustos denominada control H-infinito. Alberto Isidori (1985). Introduce la geometra diferencial al estudio de los sistemas no linealesINTEGRACION DE SISTEMAS AUTOMATICOS 10

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II.Objetivo

Redes de comunicacin industriales

El alumno identificar las diferencias entre los distintos protocolos de buses de campo para implementar redes de comunicacin.

Introduccin a las redes industriales Segn el entorno donde van a ser instaladas, en un mbito industrial existen varios tipos de redes: Red de Factora.- Para redes de oficina, contabilidad y administracin, ventas, gestin de pedidos, almacn, etc. El volumen de informacin intercambiada es muy alto, y los tiempos de respuesta no son crticos. Red de Planta.- Para interconectar mdulos y clulas de fabricacin entre s y con departamentos como diseo o planificacin. Suele emplearse para el enlace entre las funciones de ingeniera y planificacin con las de control de produccin en planta y secuenciamiento de operaciones. Como ejemplo se tiene la transmisin a un sistema de control numrico del programa de mecanizado elaborado en el departamento de diseo CAD/CAM. Estas redes deben manejar mensajes de cualquier tamao, gestionar eficazmente errores de transmisin (detectar y corregir), cubrir reas extensas (puede llegar a varios kilmetros), gestionar mensajes con prioridades (gestin de emergencias frente a transferencia de ficheros CAD/CAM), y disponer de amplio ancho de banda para admitir datos de otras subredes como pueden ser voz, video, etc. Red de Clula.- Para interconectar dispositivos de fabricacin que operan en modo secuencial como Robots, Maquinas de control numrico (CNC), Autmatas programables (PLC), Vehculos de guiado automtico (AGV). Las caractersticas deseables en estas redes son: Gestionar mensajes cortos eficientemente, capacidad de manejar trfico de eventos discretos, mecanismos de control de error (detectar y corregir), posibilidad de transmitir mensajes prioritarios, bajo coste de instalacin y de conexin por nodo, recuperacin rpida ante eventos anormales en la red y alta fiabilidad. En este nivel, y a caballo entre e nivel de planta podemos ubicar las redes MAP (Manufacturing Automation Protocol) como ejemplo representativo.


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Bus de Campo.- Para sustituir cableado entre sensores-actuadores y los correspondientes elementos de control. Este tipo de buses debe ser de bajo coste, tiempo real, permitir transmisin serie sobre un bus digital de datos con capacidad de interconectar controladores con todo tipo de dispositivos de entrada-salida, sencillos, y permitir controladores esclavos inteligentes. Adems, deben gestionar mensajes cortos eficientemente, tener la capacidad de manejar trfico de eventos discretos, poseer mecanismos de control de error (deteccin y correccin), transmitir mensajes prioritarios, tener un bajo coste de instalacin y de conexin por nodo, poder recuperarse rpidamente a los mensajes recibidos. Por regla general, tienen un tamao pequeo (5 a 50 nodos), utilizan trfico de mensajes cortos para control y sincronizacin entre los dispositivos, y la transferencia de ficheros es ocasional o inexistente. Segn la cantidad de datos a transmitir, se dividen en buses de alto nivel, buses de dispositivos (unos pocos bytes a transmitir) y buses actuador/sensor (se trasmiten datos a nivel bit), pero en ningn caso llegan a transmitir grandes bloques de informacin.

Las redes de comunicaciones industriales deben su origen a la fundacin FieldBus (Redes de campo). La fundacin FieldBus desarroll un nuevo protocolo de comunicacin para la medicin y el control de procesos donde todos los instrumentos puedan comunicarse en una misma plataforma. Las comunicaciones entre los instrumentos de proceso y el sistema de control se basan principalmente en seales analgicas (neumticas de 3 a 15 psi en las vlvulas de control y electrnicas de 4 a 20 mA cc). Pero ya existen instrumentos digitales capaces de manejar gran cantidad de datos y guardarlos histricamente; su precisin es diez veces mayor que la de la seal tpica de 4-20 mA cc. 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 tecnologa fieldbus (bus de campo) es un protocolo de comunicaciones digital de alta velocidad creada para remplazar la clsica seal de 4-20 mA que an se utiliza en muchos de los sistemas DCS (Sistema de Control Distribuido) y PLC (Controladores Lgicos Programables), instrumentos de medida y transmisin y vlvulas de control. La arquitectura fieldbus conecta estos instrumentos con computadores que se usan en diferentes niveles de coordinacin y direccin de la planta. Muchos de los protocolos patentados para dichas aplicaciones tiene 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 unINTEGRACION DE SISTEMAS AUTOMATICOS 12

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fabricante por otro similar. Es claro que estas tecnologas cerradas tienden a desaparecer, ya que actualmente es necesaria la interoperabilidad de sistemas y aparatos y as tener la capacidad de manejar sistemas abiertos y estandarizados. Con el mejoramiento de los protocolos de comunicacin es ahora posible reducir el tiempo necesario para la transferencia de datos, asegurando la misma, garantizando el tiempo de sincronizacin y el tiempo real de respuesta determinstica en algunas aplicaciones.

Tecnologa de buses de campo Fsicamente podemos considerar a un bus como un conjunto de conductores que conectan conjuntamente varios circuitos para permitir el intercambio de datos. Contrario a una conexin punto a punto donde solo dos dispositivos intercambian informacin, un bus consta normalmente de un nmero de usuarios superior, adems que generalmente un bus transmite datos en modo serial, a excepcin de algn protocolo de bus particular como SCSI o IEEE-488, utilizado para interconexin de instrumentos de medicin, que no es el caso de los buses tratados como buses de campo. Para una transmisin serial es suficiente un nmero de cables muy limitado, generalmente dos o tres conductores y la debida proteccin contra las perturbaciones externas para permitir su tendido en ambientes de ruido industrial.

Ventajas de un bus de campo

El intercambio puede llevar a cabo por medio de un mecanismo estndar. Flexibilidad de extensin. Conexin de mdulos diferentes en una misma lnea. Posibilidad de conexin de dispositivos de diferentes procedencias. Distancias operativas superiores al cableado tradicional. Reduccin masiva de cables y costo asociado. Simplificacin de la puesta en servicio.


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Figura 5.- Ventajas de una red de campo

Desventajas de un bus de campo

Necesidad de conocimientos superiores. Inversin de instrumentacin y accesorios de diagnstico. Costos globales inicialmente superiores.

Procesos de comunicacin por medio de bus El modo ms sencillo de comunicacin con el bus es el sondeo cliente/servidor. Ms eficiente pero tambin ms costoso es el Token bus (IEEE 802.4) donde, desde el punto de vista fsico tenemos un bus lineal, y desde el punto de vista lgico un token ring. El procedimiento token passing es una combinacin entre cliente/servidor y token bus. Todo servidor inteligente puede ser en algn momento servidor. Clasificacin de las redes industriales Si se clasifican las redes industriales en diferentes categoras basndose en la funcionalidad, se har en: Buses actuadores y sensores.- Inicialmente se usan un sensor y un bus actuador en conexin simple, dispositivos discretos con inteligencia limitada, como un fotosensor, un switch limitador o una vlvula solenoide, controladores y consolas terminales. Buses de campo y dispositivos calientes.- Estas redes se distinguen por la forma como manejan el tamao del mensaje y el tiempo de respuesta. En


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general, estas redes conectan dispositivos inteligentes en una sola red distribuida (Delta V de Emmerson). Estas redes ofrecen altos niveles de diagnstico y capacidad de configuracin, generalmente al nivel del poder de procesamiento de los dispositivos ms inteligentes. Son las redes ms sofisticadas que trabajan con control distribuido real entre dispositivos inteligentes.

Componentes de las redes industriales En grandes redes industriales, un simple cable no es suficiente para conectar el conjunto de todos los nodos de la red. Deben definirse topologas y diseos de redes para proveer un aislamiento y conocer los requerimientos de funcionamiento. Bridge.- Con un puente la conexin entre dos diferentes secciones de red, puede tener diferentes caractersticas elctricas y protocolos; adems puede enlazar dos redes diferentes. Repetidor.- El repetidor o amplificador es un dispositivo que intensifica las seales elctricas para que puedan viajar grandes distancias entre nodos. Con este dispositivo se pueden conectar un gran nmero de nodos a la red; adems, se pueden adaptar a diferentes medios fsicos como cable coaxial o fibra ptica. Gateway.- Un gateway es similar a un puente, ya que suministra interoperabilidad entre buses y diferentes tipos de protocolos; adems, las aplicaciones pueden comunicarse a travs de l. Enrutadores.- Es un switch "enrutador" de paquetes de comunicacin entre diferentes segmentos de red que definen la ruta hacia donde se transmite la informacin.

Topologa de redes industriales Los sistemas industriales usualmente consisten en dos o ms dispositivos. Como un sistema industrial puede ser bastante grande, debe considerarse la topologa de la red.


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El trmino topologa se refiere a la forma en que est diseada la red, bien fsicamente (rigindose de algunas caractersticas en su hardware) o bien lgicamente (basndose en las caractersticas internas de su software). La topologa de red es la representacin geomtrica de la relacin entre todos los enlaces y los dispositivos que los enlazan entre s (habitualmente denominados nodos). Para el da de hoy, existen al menos cinco posibles topologas de red bsicas: malla, estrella, rbol, bus y anillo.

Figura 6.- Topologas de red

Topologa en Malla En una topologa en malla, cada dispositivo tiene un enlace punto a punto y dedicado con cualquier otro dispositivo. El trmino dedicado significa que el enlace conduce el trfico nicamente entre los dos dispositivos que conecta.

Figura 7.- Topologa en malla

Por tanto, una red en malla completamente conectada necesita n(n-1)/2 canales fsicos para enlazar n dispositivos. Para acomodar tantos enlaces, cada dispositivo de la red debe tener sus puertos de entrada/salida (E/S).INTEGRACION DE SISTEMAS AUTOMATICOS 16

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Una malla ofrece varias ventajas sobre otras topologas de red. En primer lugar, el uso de los enlaces dedicados garantiza que cada conexin slo debe transportar la carga de datos propia de los dispositivos conectados, eliminando el problema que surge cuando los enlaces son compartidos por varios dispositivos. En segundo lugar, una topologa en malla es robusta. Si un enlace falla, no inhabilita todo el sistema. Otra ventaja es la privacidad o la seguridad. Cuando un mensaje viaja a travs de una lnea dedicada, solamente lo ve el receptor adecuado. Las fronteras fsicas evitan que otros usuarios puedan tener acceso a los mensajes. Topologa en Estrella En la topologa en estrella cada dispositivo solamente tiene un enlace punto a punto dedicado con el controlador central, habitualmente llamado concentrador. Los dispositivos no estn directamente enlazados entre s. A diferencia de la topologa en malla, la topologa en estrella no permite el trfico directo de dispositivos. El controlador acta como un intercambiador: si un dispositivo quiere enviar datos a otro, enva los datos al controlador, que los retransmite al dispositivo final.

Figura 8.- Topologa en estrella

Una topologa en estrella es ms barata que una topologa en malla. En una red de estrella, cada dispositivo necesita solamente un enlace y un puerto de entrada/salida para conectarse a cualquier nmero de dispositivos. Este factor hace que tambin sea ms fcil de instalar y reconfigurar. Adems, es necesario instalar menos cables, y la conexin, desconexin y traslado de dispositivos afecta solamente a una conexin: la que existe entre el dispositivo y el concentrador.INTEGRACION DE SISTEMAS AUTOMATICOS 17

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Topologa en rbol La topologa en rbol es una variante de la de estrella. Como en la estrella, los nodos del rbol estn conectados a un concentrador central que controla el trfico de la red. Sin embargo, no todos los dispositivos se conectan directamente al concentrador central. La mayora de los dispositivos se conectan a un concentrador secundario que, a su vez, se conecta al concentrador central.

Figura 9.- Topologa en arbol

El controlador central del rbol es un concentrador activo. Un concentrador activo contiene un repetidor, es decir, un dispositivo hardware que regenera los patrones de bits recibidos antes de retransmitidos. Retransmitir las seales de esta forma amplifica su potencia e incrementa la distancia a la que puede viajar la seal. Los concentradores secundarios pueden ser activos o pasivos. Un concentrador pasivo proporciona solamente una conexin fsica entre los dispositivos conectados.

Topologa en Bus Una topologa de bus es multipunto. Un cable largo acta como una red troncal que conecta todos los dispositivos en la red.


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Figura 10.- Topologa en bus

Los nodos se conectan al bus mediante cables de conexin (latiguillos) y sondas. Un cable de conexin es una conexin que va desde el dispositivo al cable principal. Una sonda es un conector que, o bien se conecta al cable principal, o se pincha en el cable para crear un contacto con el ncleo metlico. Entre las ventajas de la topologa de bus se incluye la sencillez de instalacin. El cable troncal puede tenderse por el camino ms eficiente y, despus, los nodos se pueden conectar al mismo mediante lneas de conexin de longitud variable. De esta forma se puede conseguir que un bus use menos cable que una malla, una estrella o una topologa en rbol. Topologa en Anillo En una topologa en anillo cada dispositivo tiene una lnea de conexin dedicada y punto a punto solamente con los dos dispositivos que estn a sus lados. La seal pasa a lo largo del anillo en una direccin, o de dispositivo a dispositivo, hasta que alcanza su destino. Cada dispositivo del anillo incorpora un repetidor.

Figura 11.- Topologa en anillo


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Un anillo es relativamente fcil de instalar y reconfigurar. Cada dispositivo est enlazado solamente a sus vecinos inmediatos (bien fsicos o lgicos). Para aadir o quitar dispositivos, solamente hay que mover dos conexiones. Las nicas restricciones estn relacionadas con aspectos del medio fsico y el trfico (mxima longitud del anillo y nmero de dispositivos). Adems, los fallos se pueden aislar de forma sencilla. Generalmente, en un anillo hay una seal en circulacin continuamente.

Topologa Hbrida El bus lineal, la estrella y el anillo se combinan algunas veces para formar combinaciones de redes hbridas. Anillo en Estrella: Esta topologa se utiliza con el fin de facilitar la administracin de la red. Fsicamente, la red es una estrella centralizada en un concentrador, mientras que a nivel lgico, la red es un anillo. "Bus" en Estrella: El fin es igual a la topologa anterior. En este caso la red es un "bus" que se cablea fsicamente como una estrella por medio de concentradores. Estrella Jerrquica: Esta estructura de cableado se utiliza en la mayor parte de las redes locales actuales, por medio de concentradores dispuestos en cascada par formar una red jerrquica. Protocolos de comunicacin en redes industriales Un importante nmero de empresas en nuestro pas presentan la existencia de islas automatizadas (clulas de trabajo sin comunicacin entre s), siendo en estos casos las redes y los protocolos de comunicacin Industrial indispensables para realizar un enlace entre las distintas etapas que conforman el proceso. La irrupcin de los microprocesadores en la industria han posibilitado su integracin a redes de comunicacin con importantes ventajas, entre las cuales figuran: Mayor precisin derivada de la integracin de tecnologa digital en las mediciones Mayor y mejor disponibilidad de informacin de los dispositivos de campo Diagnstico remoto de componentes

La integracin de las mencionadas islas automatizadas suele hacerse dividiendo las tareas entre grupos de procesadores jerrquicamente anidados. Esto daINTEGRACION DE SISTEMAS AUTOMATICOS 20

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lugar a una estructura de redes Industriales, las cuales es posible agrupar en tres categoras: o Buses de campo o Redes LAN o Redes LAN-WAN Los buses de datos que permiten la integracin de equipos para la medicin y control de variables de proceso, reciben la denominacin genrica de buses de campo. Un bus de campo es un sistema de transmisin de informacin (datos) que simplifica enormemente la instalacin y operacin de mquinas y equipamientos industriales utilizados en procesos de produccin. 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 travs del tradicional lazo de corriente de 4-20mA o 0 a 10V DC, segn corresponda. Generalmente son redes digitales, bidireccionales, multipunto, montadas sobre un bus serie, que conectan dispositivos de campo como PLCs, transductores, actuadores, sensores y equipos de supervisin. Varios grupos han intentado generar e imponer una norma que permita la integracin de equipos de distintos proveedores. Sin embargo, hasta la fecha no existe un bus de campo universal.

2.1

Fundamentos de ETHERNET

Ethernet es un estndar de redes de computadoras de rea local con acceso al medio por contienda CSMA/CD ("Acceso Mltiple por Deteccin de Portadora con Deteccin de Colisiones"), es una tcnica usada en redes Ethernet para mejorar sus prestaciones. El nombre viene del concepto fsico de ether. Ethernet define las caractersticas de cableado y sealizacin de nivel fsico y los formatos de tramas de datos del nivel de enlace de datos del modelo OSI. La Ethernet se tom como base para la redaccin del estndar internacional IEEE 802.3. Usualmente se toman Ethernet e IEEE 802.3 como sinnimos. Ambas se diferencian en uno de los campos de la trama de datos. Las tramas Ethernet e IEEE 802.3 pueden coexistir en la misma red.


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Figura 12.- Cable de Ethernet.

Historia de Ethernet En 1970 mientras Abramson montaba la red ALOHA en Hawaii, un estudiante recin graduado en el MIT llamado Robert Metcalfe se encontraba realizando sus estudios de doctorado en la Universidad de Harvard trabajando para ARPANET, que era el tema de investigacin candente en aquellos das. En un viaje a Washington, Metcalfe estuvo en casa de Steve Crocker (el inventor de los RFCs de Internet) donde ste lo dej dormir en el sof. Para poder conciliar el sueo Metcalfe empez a leer una revista cientfica donde encontr un artculo de Norm Abramson acerca de la red Aloha. Metcalfe pens cmo se poda mejorar el protocolo utilizado por Abramson, y escribi un artculo describiendo un protocolo que mejoraba sustancialmente el rendimiento de Aloha. Ese artculo se convertira en su tesis doctoral, que present en 1973. La idea bsica era muy simple: las estaciones antes de transmitir deberan detectar si el canal ya estaba en uso (es decir si ya haba 'portadora'), en cuyo caso esperaran a que la estacin activa terminara. Adems, cada estacin mientras transmitiera estara continuamente vigilando el medio fsico por si se produca alguna colisin, en cuyo caso se parara y retransmitira ms tarde. Este protocolo MAC recibira ms tarde la denominacin Acceso Mltiple con Deteccin de Portadora y Deteccin de Colisiones, o ms brevemente CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection). En 1972 Fellay se mud a California para trabajar en el Centro de Investigacin de Xerox en Palo Alto llamado Xerox PARC (Palo Alto Research Center). All se estaba diseando lo que se consideraba la 'oficina del futuro' y Metcalfe encontr un ambiente perfecto para desarrollar sus inquietudes. Se estaban probando unas computadoras denominadas Alto, que ya disponan de capacidades grficas y ratn y fueron consideradas los primeros ordenadores personales. Tambin se estaban fabricando las primeras impresoras lser. Se quera conectar las computadoras entre s para compartir ficheros y las impresoras. La comunicacin tena que ser de muy alta velocidad, del orden de megabits por segundo, ya que la cantidad de informacin a enviar a las impresoras era enorme (tenan unaINTEGRACION DE SISTEMAS AUTOMATICOS 22

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resolucin y velocidad comparables a una impresora lser actual). Estas ideas que hoy parecen obvias eran completamente revolucionarias en 1973. A Metcalfe, el especialista en comunicaciones del equipo con 27 aos de edad, se le encomend la tarea de disear y construir la red que uniera todo aquello. Contaba para ello con la ayuda de un estudiante de doctorado de Stanford llamado David Boggs. Las primeras experiencias de la red, que denominaron 'Alto Aloha Network', las llevaron a cabo en 1972. Fueron mejorando gradualmente el prototipo hasta que el 22 de mayo de 1973 Metcalfe escribi un memorndum interno en el que informaba de la nueva red. Para evitar que se pudiera pensar que slo serva para conectar computadoras Alto cambi el nombre de la red por el de Ethernet, que haca referencia a la teora de la fsica hoy ya abandonada segn la cual las ondas electromagnticas viajaban por un fluido denominado ter que se supona llenaba todo el espacio (para Metcalfe el 'ter' era el cable coaxial por el que iba la seal). Las dos computadoras Alto utilizadas para las primeras pruebas de Ethernet fueron rebautizadas con los nombres Michelson y Morley, en alusin a los dos fsicos que demostraron en 1887 la inexistencia del ter mediante el famoso experimento que lleva su nombre. La red de 1973 ya tena todas las caractersticas esenciales de la Ethernet actual. Empleaba CSMA/CD para minimizar la probabilidad de colisin, y en caso de que sta se produjera se pona en marcha un mecanismo denominado retroceso exponencial binario para reducir gradualmente la agresividad del emisor, con lo que ste se adaptaba a situaciones de muy diverso nivel de trfico. Tena topologa de bus y funcionaba a 2,94 Mb/s sobre un segmento de cable coaxial de 1,6 km de longitud. Las direcciones eran de 8 bits y el CRC de las tramas de 16 bits. El protocolo utilizado al nivel de red era el PUP (Parc Universal Packet) que luego evolucionara hasta convertirse en el que luego fue XNS (Xerox Network System), antecesor a su vez de IPX (Netware de Novell). En vez de utilizar el cable coaxial de 75 ohms de las redes de televisin por cable se opt por emplear cable de 50 ohms que produca menos reflexiones de la seal, a las cuales Ethernet era muy sensible por transmitir la seal en banda base (es decir sin modulacin). Cada empalme del cable y cada 'pincho' vampiro (transceiver) instalado produca la reflexin de una parte de la seal transmitida. En la prctica el nmero mximo de 'pinchos' vampiro, y por tanto el nmero mximo de estaciones en un segmento de cable coaxial, vena limitado por la mxima intensidad de seal reflejada tolerable. En 1975 Metcalfe y Boggs describieron Ethernet en un artculo que enviaron a Communications of the ACM (Association for Computing Machinery), publicado en 1976. En l ya describan el uso de repetidores para aumentar el alcance de la red. En 1977 Metcalfe, Boggs y otros dos ingenieros de Xerox recibieron una patente por la tecnologa bsica de Ethernet, y en 1978 Metcalfe y Boggs recibieron otra por el repetidor. En esta poca todo el sistema Ethernet era propiedad de Xerox.INTEGRACION DE SISTEMAS AUTOMATICOS 23

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Conviene destacar que David Boggs construy en el ao 1975 durante su estancia en Xerox PARC el primer router y el primer servidor de nombres de la Internet. La primera versin fue un intento de estandarizar ethernet aunque hubo un campo de la cabecera que se defini de forma diferente, posteriormente ha habido ampliaciones sucesivas al estndar que cubrieron las ampliaciones de velocidad (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet y el de 10 Gigabits), redes virtuales, hubs, conmutadores y distintos tipos de medios, tanto de fibra ptica como de cables de cobre (tanto par trenzado como coaxial). Los estndares de este grupo no reflejan necesariamente lo que se usa en la prctica, aunque a diferencia de otros grupos este suele estar cerca de la realidad. El principio de transmisin Todos los equipos de una red Ethernet estn conectados a la misma lnea de transmisin y la comunicacin se lleva a cabo por medio de la utilizacin un protocolo denominado CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect que significa que es un protocolo de acceso mltiple que monitorea la portadora: deteccin de portadora y deteccin de colisiones). Con este protocolo cualquier equipo est autorizado a transmitir a travs de la lnea en cualquier momento y sin ninguna prioridad entre ellos. Esta comunicacin se realiza de manera simple:

Cada equipo verifica que no haya ninguna comunicacin en la lnea antes de transmitir. Si dos equipos transmiten simultneamente, entonces se produce una colisin (o sea, varias tramas de datos se ubican en la lnea al mismo tiempo). Los dos equipos interrumpen su comunicacin y esperan un perodo de tiempo aleatorio, luego una vez que el primero ha excedido el perodo de tiempo, puede volver a transmitir.

Este principio se basa en varias limitaciones:

Los paquetes de datos deben tener un tamao mximo. Debe existir un tiempo de espera entre dos transmisiones.

El tiempo de espera vara segn la frecuencia de las colisiones:

Luego de la primera colisin, un equipo espera una unidad de tiempo. Luego de la segunda colisin, un equipo espera dos unidades de tiempo. Luego de la tercera colisin, un equipo espera cuatro unidades de tiempo. ... Por supuesto, con una cantidad menor de tiempo aleatorio adicional.


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Ethernet conmutada La topologa de Ethernet descripta hasta ahora ha sido la de Ethernet compartida (cualquier mensaje transmitido es escuchado por todos los equipos conectados y el ancho de banda disponible es compartido por todos los equipos). Durante muchos aos se ha dado un desarrollo importante: la Ethernet conmutada. La topologa fsica sigue siendo la de una estrella pero est organizada alrededor de un conmutador. El conmutador usa mecanismos de filtrado y conmutacin muy similares a los utilizados por las puertas de enlace donde se han utilizado estas tcnicas por mucho tiempo. Inspecciona las direcciones de origen y destino de los mensajes, genera una tabla que le permite saber qu equipo se conecta a qu puerto del conmutador (en general este proceso se hace por auto aprendizaje, es decir, de manera automtica pero el administrador del conmutador puede realizar ajustes adicionales). Al conocer el puerto receptor, el conmutador slo transmitir el mensaje al puerto adecuado mientras que los otros puertos permanecern libres para otras transmisiones que pueden ser realizadas simultneamente. Como resultado, cada intercambio puede llevarse a cabo a una velocidad nominal (mayor divisin de ancho de banda), sin colisiones y con un aumento considerable en el ancho de banda de la red (tambin a una velocidad nominal). Con respecto a saber si todos los puertos de un conmutador pueden comunicarse al mismo sin perder los mensajes, eso es algo que depende de la calidad del conmutador (non blocking switch). Dado que los conmutadores posibilitan evitar colisiones y que las tecnologas 10/100/1000 base T(X) cuentan con circuitos separados para la transmisin y la recepcin (un par trenzado por direccin de transmisin), la mayora de los conmutadores modernos permiten desactivar la deteccin y cambiar a modo full dplex (bidireccional) en los puertos. De esta forma, los equipos pueden transmitir y recibir al mismo tiempo, lo que tambin contribuye al rendimiento de la red. El modo full dplex es interesante, en especial, para los servidores que poseen muchos clientes. Los conmutadores Ethernet modernos tambin detectan la velocidad de transmisin que cada equipo utiliza (autosensing) y si el equipo admite varias velocidades (10, 100 o 1000 megabits/seg.) comienza a negociar con l para seleccionar tanto una velocidad como el modo de transmisin: semi dplex o full dplex. Esto permite contar con un almacenamiento de equipos con distintos


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rendimientos (por ejemplo, un conjunto de equipos con varias configuraciones hardware). Como el trfico transmitido y recibido ya no se transmite a todos los puertos, se hace ms difcil rastrear lo que est pasando. Esto contribuye a la seguridad general de la red, que es un tema de suma importancia en la actualidad. Por ltimo, el uso de conmutadores hace posible la construccin de redes geogrficamente ms grandes. En la Ethernet compartida, un mensaje debe poder esperar a cualquier otro equipo durante un perodo de tiempo especfico (slot time) sin el cual el mecanismo de deteccin de colisiones (CSMA/CD) no funcione correctamente. Esto ya no se aplica en los conmutadores Ethernet. La distancia ya no es limitada, excepto por los lmites tcnicos del medio utilizado (fibra ptica o par trenzado, la potencia de la seal transmitida y la sensibilidad del receptor, etctera). Direccionamiento de EtherNet. EtherNet usa un esquema de 48 bits de direccionamiento. Todos los dispositivos EtherNet tienen asignado 48 bits de direccionamiento por su fabricante. Cada fabricante ha asignado una porcin de memoria para direcciones que se puede usar para sus productos. La memoria de direcciones es administrada y asignada por IEEE. Es responsabilidad de cada fabricante el que cada dispositivo tenga una direccin nica en esa seccin de memoria. La finalidad de esto es que no se puedan encontrar dos dispositivos con la misma direccin fsica. Cada paquete de Datos que se envan o reciben a travs de la red de trabajo de EtherNet contiene dos direcciones una que corresponde al equipo que est transmitiendo la informacin y la otra es la del dispositivo receptor o de destino. La direccin del dispositivo receptor o de destino puede indicar un solo dispositivo o bien pude indicar toda una serie de dispositivos de destino dentro de la red de trabajo, o una emisin de direcciones con la intencin de recibir informacin de todos los dispositivos que se encuentren dentro de la red de trabajo EtherNet. Cada tipo de direccionamiento tiene un formato especial reconocible que lo hace sencillo, de fcil comprensin de los tipos de mensajes y de los procesos de interfaces de la red de trabajo EtherNet. Las interfaces de la red de trabajo normalmente ignoran los paquetes de datos que no correspondan con su propia direccin dentro de la red de trabajo EtherNet, a menos que estn emitiendo paquetes de datos, o multi-reparto de datos en donde las interfaces de red estn configuradas para pertenecer a un grupo de multireparto como miembro activo. Como resultado de este proceso de pantalla de direcciones, muchos de los dispositivos dentro de la red de trabajo de EtherNet ignora el trfico de datos que no est dirigido a estos lo cual es importante dentro de la red donde los datos seINTEGRACION DE SISTEMAS AUTOMATICOS 26

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mueven a velocidades de 10 o 100 Mbit/seg. A una velocidad de 10Mbits /seg. , Si un dispositivo acepta y procesa los mensajes existentes en la red de trabajo realiza una interrupcin para recibir un mensaje de EtherNet uno cada 67 microsegundos; a la velocidad de 100 Mbits/seg., este dispositivo har interrupciones cada 6.7 microsegundos. Todo el tiempo el dispositivo est realizando interrupciones para procesar y recibir mensajes y el mismo se prepara para recibir el prximo mensaje. Los dispositivos basados en microprocesadores de pequea escala simplemente no pueden retomar la informacin y en consecuencia entran en falla o empiezan a romper los paquetes de datos. Esto bsicamente sucede cuando la red es saturada con mensajes de EtherNet generados por dispositivos mal configurados o bien que se encuentren daados.

Formato de la trama Ethernet


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EtherNet en la Automatizacin Industrial Una red EtherNet con protocolo TCP/IP puede expandir la plataforma de la planta productiva y ser conectada a la red corporativa-administrativa va Internet. Generalmente este concepto es utilizado para la conduccin de programas de mantenimiento, enviar y recibir datos desde sistemas MIS y MES, mejoramiento del control supervisorio, generar colectividad con las interfaces de operador, y la adquisicin de eventos y alarmas. Estas funciones requieren de altas velocidades de respuesta y anchas bandas de datos que EtherNet ofrece. La respuesta en tiempo es secundaria con respecto de capacidad de todos los datos. Muchos usuarios normalmente utilizan EtherNet para propsitos de control, como interllaveado de procesadores, pero las aplicaciones donde se llevan a cabo requieren de redes de EtherNet a alta velocidad EtherNet-TCP/IP es la red LAN ms popular por su protocolo, adems por su uso en Internet, es sumamente sencillo y adems es soportado por la mayora de fabricantes de sistemas de cmputo y de control. EtherNet TCP/IP es tambin una opcin natural debido a que es ampliamente soportado por los desarrolladores de software y equipos adems que cuenta con el soporte MIS y MES. Si al implementar un tipo de comunicaciones de este tipo en donde se transfieren mensajes e informacin de control a travs de la misma red de trabajo puede muchas ocasiones no ser apropiado para aplicaciones en donde la alta velocidad y lo determinstico y la repetibilidad del sistema es absolutamente requerida.

EtherNet como Red de Control Hoy en da EtherNet es usado principalmente como una red de informacin. Y por lo general ha sido punto de discusin en la automatizacin industrial acerca si es o no bueno para el uso de control en tiempo real. Fabricantes y suministradores de EtherNet y de otras opciones de redes, como Rockwell Automation, estn trabajando muy de cerca con los usuarios para determinar cundo sus aplicaciones se pueden ver beneficiadas por el uso de redes de EtherNet para control en tiempo real. La misin de los datos crticos en el esquema de control requiere de cierta precisin, y Rockwell Automation posee gran experiencia en esta rea de redes de trabajo de control. Uno de los argumentos ms comunes que tradicionalmente han sido usados a travs del uso de EtherNet para control, es que EtherNet no es un sistema determinstico. La determinacin habilita al usuario a predecir con exactitud la transmisin de los datos y garantizar la recepcin de estos al mismo tiempo cada vez que se requiere (o bien un rpido reconocimiento aunque este no haya llegadoINTEGRACION DE SISTEMAS AUTOMATICOS 28

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y haya realizado una accin apropiada). Las mejoras de la tecnologa de las redes de EtherNet mencionadas anteriormente han mejorado la determinacin y actualizado la red EtherNet en gran manera. Los dominios de colisin a travs de interruptores de rompimiento en un solo dispositivo o en pequeos grupos de dispositivos, disminuyen efectivamente el nmero de colisiones a casi cero. El sistema CSMA/CD nos provee el mecanismo para detectar y recobrar la contencin de informacin cuando ocurre una colisin. Lo que es ms, se est haciendo el esfuerzo en este rublo para crear un esquema de prioridad para mensajes dentro de EtherNet (IEEE 802.1p) que se implemente dentro de los interruptores y puedan ser potencialmente usados para dar prioridad a paquetes de mensajes y alarmas sobre los paquetes de programacin y datos en EtherNet. De cualquier manera, todo esto son tecnologas no probadas en aplicaciones de control de alta velocidad. En muchas aplicaciones de tiempo sensitivo, un mensaje recibido despus de tiempo podra colapsar el control de procesos, resultando perdidas de produccin o tambin provocando daos en el equipo de control y/o procesos. La tardanza o la colapsin de los paquetes de datos dentro de EtherNet a travs de los interruptores pueden ocasionar tambin que esto suceda. La prdida de un repetidos o un interruptor en una aplicacin de produccin solo resultara en perdida de informacin de datos de produccin; en cambio la perdida de datos de control dara como resultado no solo la perdida de produccin sino tambin podra dar como consecuencia daos al equipo de produccin por si mismo. Estos y otros problemas pueden ser resueltos determinando racionalmente los tipos de aplicaciones de control para cada tecnologa de redes EtherNet TCP/IP para la cual son buenas o aceptables en su solucin. Un ejemplo de una aplicacin que puede ser una aplicacin para control en tiempo real en redes EtherNet es una maquina con un proceso bien definido y del tipo cclico que pueda tolerar ocasionalmente fluctuaciones entre transmisin de mensajes y la recepcin de los mismos en tiempo. El usuario deber manejar estos tres elementos claves: 1) el nmero de dispositivos en el sistema, 2) la frecuencia del intercambio de datos y 3) en tamao de los paquetes de datos que se originaran. El mejor control sobre estos elementos proporcionaran una excelente aplicacin de control de procesos dentro de una red EtherNet. Con el surtimiento de la tecnologa de EtherNet de alta velocidad, las fluctuaciones del retraso en tiempo de los mensajes pueden decrecer. Actualmente, la experiencia de los usuarios finales poseen fluctuaciones en el rango de los 100 milisegundos entre ciclo y ciclo. El da de maana estas fluctuaciones debern estar en el rango de los 10 milisegundos. Como las fluctuaciones nunca van a estar eliminadas por completo, ms y ms aplicaciones de procesos vendrn a ser


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candidatas para el uso de las tecnologas de redes EtherNet para el uso de control de procesos en tiempo real.

Figura 13.- Conector y cable Ethernet

2.2

Fundamentos de DEVICENET

Introduccin DeviceNet es una red digital, multi-punto para conexin entre sensores, actuadores y sistemas de automatizacin industrial en general. Esta tecnologa fue desarrollada para tener mxima flexibilidad entre los equipos de campo e interoperabilidad entre diferentes fabricantes. Introducido originalmente en 1994 por Allen-Bradley, DeviceNet transfiri su tecnologa a ODVA en 1995. La ODVA (Open DeviceNet VendorAssociation) es una organizacin sin fines de lucro compuesta porcientos de empresas alrededor del mundo que mantiene, difunde y promueve la tecnologa DeviceNet y otras redes basadas en el protocolo CIP (Common Industrial Protocol). Actualmente ms de 300 empresas estn registradas como miembros, y 800 ms ofrecen productos DeviceNet de todo el mundo. La red DeviceNet est clasificada en el nivel de red llamada devicebus, cuyas caractersticas principales son: alta velocidad, comunicacin a nivel de byte que incluye comunicacin con equipos discretos y analgicos y el alto poder de diagnstico de los dispositivos de la red (como se muestra en la figura 14).


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Figura 14.- Avances Tecnolgicos - Fuente: ATAIDE, F.H. (2004)

La tecnologa DeviceNet es un estndar abierto de automatizacin con el objetivo de transportar 2 tipos principales de informacin:

Datos cclicos de sensores y actuadores, directamente relacionados al control y, Datos no cclicos indirectamente relacionados al control, como configuracin y diagnstico.

Los datos cclicos representan la informacin intercambiada peridicamente entre el equipo de campo y el controlador. Por otro lado, los no cclicos son informaciones intercambiadas eventualmente durante la configuracin o diagnstico del equipo de campo. La capa fsica y de acceso a la red DeviceNet est basada en la tecnologa CAN (Controller Area Network) y las capas superiores en el protocolo CIP, que define una arquitectura basada en objetos y conexiones entre ellos. El CAN fue originalmente desarrollado por la BOSCH para el mercado de automviles Europeos para sustituir el cableado costoso por un cable en red de bajo costo en automviles. Como resultado, el CAN tiene respuesta rpida y confiabilidad alta para aplicaciones principalmente en las reas automovilstica. Una red DeviceNet puede tener hasta 64 dispositivos donde cada dispositivo ocupa un nodo en la red, direccionados de 0 a 63. Cualquier de ellos puede ser utilizado. No hay ninguna restriccin para el uso de ellos, aunque el uso de los 63 no es recomendable, ya que se utiliza para la puesta en marcha.


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Un ejemplo de red DeviceNet se muestra en la figura siguiente.

Figura 15.- Ejemplo de Red DeviceNet

Caractersticas de la red Topologa basada en bus principal con ramificaciones. El bus principal debe ser hecho con el cableDeviceNet grueso, y las ramificaciones con el cable DeviceNet delgado o plano. Cables similares podrn usarse siempre y cuando sus caractersticas elctricas y mecnicas sean compatibles con las especificaciones de los cables estndar DeviceNet. Permite o uso de repetidores, bridges, ruteadores y gateways. Suporta hasta 64 nodos, incluyendo el maestro, direccionados de 0 a 63 (MAC ID). Cable de 2 pares: uno para alimentacin de 24V y otro para comunicacin. Capacidad de insertar y cambiar en caliente, sin interrumpir a la red. Compatible con equipos alimentados por la red de 24V o como que tengan su propia fuente. Uso de conectores abiertos o cerrados. Proteccin contra conexin inversa y corto-circuito. Alta capacidad de corriente en la red (hasta 16 A). Usa la misma energa de la fuente de alimentacin. Varias fuentes pueden ser usadas en la misma red para satisfacer las necesidades de la aplicacin en trminos de carga y la longitud de los cables. Velocidad de comunicacin seleccionable: de 125,250 y 500 kbps. Comunicacin basada en conexiones de E/S y modelo de pregunta y respuesta.INTEGRACION DE SISTEMAS AUTOMATICOS 32

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Diagnstico de cada equipo y de la red. Transporte eficiente de datos de control discretos y analgicos. Deteccin de direccionamiento duplicado en la red. Mecanismo de comunicacin extremamente robusto para interferencias electromagnticas.

Protocolo DeviceNet DeviceNet es una de las tres tecnologas de redes abiertas y estandarizadas, cuya capa de aplicacin usa el CIP (Common Application Layer Capa de Aplicacin Comn). Al lado de ControlNet y EtherNet/IP, posee una estructura comn de objetos. Es decir, es independiente del medio fsico y de la capa de enlace de datos. Esta capa es una capa de aplicacin estndar, integrada a interfaces de hardware y software abiertas, constituye una plataforma de conexin universal entre componentes en un sistema de automatizacin, desde la fbrica hasta el nivel de internet. La Figura 16 muestra una arquitectura del CIP dentro del modelo OSI.

Figura 16.- El modelo OSI de los objetos del CIP (fuente: ODVA)


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CIP tiene dos objetivos principales:

Transporte de datos de control de los dispositivos de I/O. Transporte de informaciones de configuracin y diagnstico del sistema que se controla.

Un nodo DeviceNet es entonces modelado por un conjunto de objetos CIP, los cuales encapsulan datos y servicios y determinan as mismo su comportamiento. El Modelo de Objeto Un nodo DeviceNet es modelado como una coleccin de objetos. Un objeto proporciona una representacin abstracta de un componente particular dentro de un producto. Un ejemplo de objeto y una clase de objeto tiene atributos (datos), que proporcionan los servicios (mtodos o procedimientos), e implementan comportamientos. Atributos, ejemplos, clase y direccionamiento del nodo desde (0-63) son direccionados por nmero. Existen objetos obligatorios (que tienen todos dispositivos) y objetos opcionales. Los objetos opcionales son aquellos que moldean el dispositivo de acuerdo con su categora (llamado perfil) a la que pertenecen, tales como: AC/DC Drive, lector de cdigo de barras o vlvula neumtica. Por ser diferentes, cada uno de ellos tendr tambin un conjunto diferente de objetos. La Capa de Enlace de Datos (Data link layer) Devicenet utiliza el estndar CAN sobre la capa de enlace de datos. El gasto mnimo requerido por el protocolo CAN en la Capa Enlace de Datos mejora el trabajo de DeviceNet cuando se trata de mensajes. El marco de datos DeviceNet utiliza solamente el tipo de estructura de datos del protocolo CAN (entre otros existentes en el protocolo CAN). El protocolo utiliza un mnimo de banda para transmisin de los mensajes de CIP. El formato de la estructura de datos DeviceNet se muestra en la figura 17.

Figura 17.- Formato de la estructura de datos


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Modos de Comunicacin El protocolo DeviceNet tiene dos tipos bsicos de mensajes, mensaje cclico I/O y explcito. Cada uno de ellos es adecuado a un determinado tipo de dato, conforme se describe abajo:

Cclic I/O: tipo de telegrama sncrono dedicado al procesamiento de datos prioritarios entre un productor y uno o ms consumidores. Se dividen de acuerdo con el mtodo de intercambio de datos. Los principales son: o Polled: mtodo de comunicacin en que el maestro enva un telegrama a cada uno de su lista de esclavos (scan list). As mimo, en cuanto reciba la solicitud, el esclavo responde rpidamente a la solicitud del maestro. Este proceso es repetido hasta que todos sean consultados, reiniciando el ciclo. o Bit-strobe: mtodo de comunicacin donde el maestro enva un telegrama por la red con 8 bytes de datos. Cada bit de estos 8 bytes representa un esclavo que, se direcciona y responde de acuerdo con lo programado. o Cambio de Estado: mtodo de comunicacin donde el intercambio de datos entre el maestro y esclavo que ocurre cuando hubo cambios en los valores monitoreados/controlados, hasta un cierto lmite de tiempo. Cuando este lmite es alcanzado, la transmisin y recepcin ocurren, incluso sin alteraciones. La configuracin de esta variable de tiempo es hecha en el programa de configuracin de la red. o Cclico: otro mtodo de comunicacin muy semejante al anterior. La nica diferencia est en la produccin y consumo de mensajes. En este tipo, todo el intercambio de datos ocurre en intervalos regulares de tiempo, independiente de ser alterados o no. Este periodo tambin es ajustado en el software de configuracin de la red. Mensaje Explcito: tipo de telegrama de uso general y no prioritario. Utilizado principalmente en tareas asncronas tales como parametrizacin y configuracin del equipo.

Archivo de Configuracin Todo nodo DeviceNet tiene un archivo de configuracin asociado, llamado EDS (Electronic Data Sheet). Este archivo contiene informaciones importantes sobre el funcionamiento del dispositivo y debe ser registrado en el software de configuracin de la red. Capa Fsica y Medio de Transmisin DeviceNet usa una topologa de red del tipo bus principal/derivacin que permite que tanto para el cableado de la seal como el de la alimentacin estn presentesINTEGRACION DE SISTEMAS AUTOMATICOS 35

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en el mismo cable. Esta alimentacin, es suministrada por una fuente conectada directamente en la red, y posee las siguientes caractersticas:

24Vdc; Salida DC aislada de la entrada AC; Capacidad de corriente compatible con los equipos instalados. El tamao total de la red vara de acuerdo con la velocidad de transmisin (125,250, 500Kbps)

Topologa de la red Las especificaciones de DeviceNet definen la topologa y los componentes admisibles. La variedad de topologas posibles se muestra en la figura siguiente.

Figura 18.- Topologas posibles con la red DeviceNet

La especificacin tambin trata del sistema de aterrizamiento, mezcla entre el cable grueso y delgado (thick ythin), terminadores, y energa de alimentacin. La topologa bsica con derivacin Principal (trunkline-dropline) utiliza 1 cable (2 pares trenzados separados para alimentacin y seal). El cable grueso (thick) o delgado (thin) puede ser usado para lneas principales o verticales. La distancia entre los extremos de la red vara con la velocidad de datos y la longitud del cable.


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VELOCIDAD DE DATOS Longitud del Bus principal con cable grueso (thick-trunk) Longitud del Bus principal con cable delgado (thin-trunk) Longitud mxima para 1 derivacin del bus principal (maximum-drop) Longitud de las derivaciones agregadas al bus principal (cumulative-drop) Cables

125 Kbps 500 m 100 m 6m 156 m

250 Kbps 250 m 100 m 6m 78 m

500 Kbps 100 m 100 m 6m 39 m

Hay 4 tipos de cables estandarizados: el grueso, mediano, delgado y plano. El ms comn o usado es el cable grueso para el bus y el cable fino para las derivaciones.


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Figura 11.- Anatoma de los cables DeviceNet

Los cables DeviceNet ms usados (delgado y grueso) tienen 5 conductores identificados y utilizados de acuerdo con la siguiente tabla:


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MECATRNICATabla 1.- Esquema de colores de los cables DeviceNet

Color del cable Blanco Azul Alambre desnudo Negro Rojo

Seal

Cable redondo

Cable chato

CAN_H CAN_L Dreno VV+

Sinal DN Sinal DN Proteccin

Sinal DN Sinal DN No usado

Alimentacin Alimentacin Alimentacin Alimentacin

Figura 19.- Vista de los componentes del cable DeviceNet

Los Puntos de alimentacin (Power Taps) que se pueden aadir en cualquier punto de la red haciendo posible la redundancia de la alimentacin en la red. La corriente en la Lnea principal es de 8 amperios (con cable grueso thick). En el cable tipo delgado la corriente mxima es de 3 amperios. Una opcin optoaislada del proyecto permite dispositivos energizados externamente (por ej.: el inicio de los conductores AC y vlvulas solenoides) compartiendo el mismo cable del bus. Otras redes basadas en CAN permiten solamente una nica fuente de alimentacin para la red entera.


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MECATRNICA

Los dispositivos pueden ser alimentados directamente de la rede y comunicarse con el mismo cable. Los nodos pueden ser removidos o insertados en la red sin desconectar la red. Conectores Hay tres tipos bsicos de conectores: abierto, mini-cerrado y micro-cerrado. El uso de uno o de otro depende de la aplicacin y de las caractersticas del equipo o de la conexin que debe ser hecha. Veja en las figuras siguientes la codificacin de los hilos en cada tipo.

Figura 20.- Conector abierto (open style)

Figura 21.- Conector mini-cerrado

Figura 22.- Conector micro-cerrado

Terminadores de la red Los terminadores en la rede DeviceNet ayudan a minimizar las reflexiones en la comunicacin y son esenciales para el funcionamiento de la red. Los resistores de


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terminacin (121W, 1%, W) deben ser colocados en los extremos del bus, entre los hilos CAN_H y CAN_L (blanco y azul).

No coloque el terminador dentro de un equipo o en el conector porque al ser movido tambin mueve el terminador causando una falla general en la red. Deje los terminadores siempre independientes y aisl los extremos del bus, de preferencia dentro de las cajas protectoras o cajas de paso. Para verificar si los terminadores estn presentes en la red, mida la resistencia entre los hilos CAN_H y CAN_L (blanco y azul) con la red desenergizada: la resistencia medida debe estar entre 50 y 60 Ohms.

Figura 23.- Conexin de los resistores de terminacin

Derivadores TAPS Existen varios tipos de derivadores TAPS que pueden ser conectados en una red del tipo DeviceNet. Estos derivadores permiten combinar varios elementos de la red. Se clasifican como:

a)

Derivacin en T "T-Port TAP"

El derivador T-Port conecta un dispositivo simple o una lnea de derivacin lnea cada a travs de un conector tipo conexin rpida.Figura 24.- "T-Port TAP"


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b)

Derivacin de dispositivo "Device-Port"

DevicePort son componentes sellados que conectan al Bus de la lnea va lnea cada a travs de conectores de desconexin rpida solamente dispositivos compatibles a la red DeviceNet. Existen DevicePort para conectar 4 u 8 dispositivos.Figura 25.- "Device-Port"

c)

Derivacion tipo box DeviceBox

DeviceBox son elementos pasivos que se conectan directamente a los dispositivos DeviceNet en Trunk Line a travs de conexiones de terminales para hasta 8 nodos. Ellos poseen tapa removible sellada que permite montaje sobre la mquina o fbrica.Figura 26.- DeviceBox

d)

Derivacin de Alimentacin PowerTap

El PowerTap posee proteccin de sobre corriente para el cable tipo thick (grueso). Con proteccin de diodo y es posible utilizar varios PowerTaps permitiendo as mismo el uso de varias fuentes de alimentacin.Figura 27.- PowerTap

e)

1.3.6 - Leds Indicadores

Aunque un producto DeviceNet no necesite tener indicadores, si este producto posee indicadores, deben cumplir con las Especificaciones de DeviceNet. Es recomendado un Indicador de Estado del Mdulo Estado del Mdulo y un Indicador de Estado de la Red Estado de la Red, o una combinacin de los ambos es recomendable. El(s) indicador(s) consiste en un Led bicolor (verde/rojo) que puede tener combinaciones de On/Off y seales de parpadeo. El Led de Estado del Mdulo Module Status indica si el dispositivo tiene alimentacin y estINTEGRACION DE SISTEMAS AUTOMATICOS 42

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operando adecuadamente. El Led de Estado de la Rede Network Status indica el estado del enlace de comunicacin.

Figura 28.- Ejemplo de conexin de red DeviceNet

2.3

Fundamentos de PROFIBUS

Profibus es un estndar de comunicaciones para bus de campo. Deriva de las palabras PROcess FIeld BUS. Fue un proyecto desarrollado entre los aos 19871990 por las empresas alemanas Bosch, Klckner Mller y Siemens, y por otras como ABB, AEG, Honeywell, Landis & Gyr, Phoenix Contact, Rheinmetall, RMP, Sauter-cumulus y Schleicher. En 1989 la norma alemana DIN19245 adopt el estndar Profibus, partes 1 y 2 (la parte 3, Profibus-DP no fue definida hasta 1993). Profibus fue confirmada como norma europea en 1996 como EN50170.

Versiones Profibus tiene tres versiones o variantes (de la ms simple a la ms compleja): Profibus DP (Periferia Descentralizada; Descentralised Peripherals), desarrollada en 1993, es la ms extendida. Est orientada a control a nivel sensor/actuador. Profibus FMS, diseada para control a nivel de clula. Si bien fue la primera versin de Profibus, es una versin prcticamente obsoleta. Profibus PA, es la solucin integrada para control a nivel de proceso.


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Figura 28.- Pirmide CIM con las versiones del PROFIBUS

Figura 29.- Uso comn de las versiones del PROFIBUS

Conexiones fsicas Profibus tiene, conforme al estndar, cinco diferentes tecnologas de transmisin, que son identificadas como:

RS-485. Utiliza un par de cobre trenzado apantallado, y permite velocidades entre 9.6 kbps y 12 Mbps. Hasta 32 estaciones, o ms si se utilizan repetidores. MBP. Manchester Coding y Bus Powered, es transmisin sincrnica con una velocidad fija de 31.25 Kbps.


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RS-485 IS. Las versiones IS son intrnsecamente seguras, utilizadas en zonas peligrosas (explosivas). MBP IS

Figura 30.- Conectores RS-485 PROFIBUS

Fibra ptica. Incluye versiones de fibra de vidrio multimodo y monomodo, fibra plstica y fibra HCS.

Figura 31.- Cable de F.O. PROFIBUS


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Comunicaciones Desde el punto de vista del control de las comunicaciones, el protocolo Profibus es maestro esclavo, pero permite:

Aplicaciones mono maestro. Un slo maestro est activo en el bus, usualmente un PLC Los dems dispositivos son esclavos. Este esquema es el que permite los ciclos de lectura ms cortos Aplicaciones multimaestro. Permite ms de un maestro. Pueden ser aplicaciones de sistemas independientes, en que cada maestro tenga sus propios esclavos. U otro tipo de configuraciones con dispositivos de diagnstico y otros.

En un ambiente multimaestro, puede haber dos tipos de maestros:

DPM1. DP Master Class 1. Es un controlador central que intercambia informacin con sus esclavos en forma cclica. Tpicamente un PLC. DPM2. DP Master Class 2. Son estaciones de operacin, configuracin o ingeniera. Tienen acceso activo al bus, pero su conexin no es necesariamente permanente

Junto con las especificaciones de otros buses de campo se recoge en las normas internacionales IEC61158 e IEC61784.


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Caractersticas: Velocidades de transmisin: 9.6, 19.2, 93.75, 187.5, 500, 1500, 3000, 6000 y 12000 Kbps. Nmero mximo de estaciones: 127 (32 sin utilizar repetidores). Distancias mximas alcanzables (cable de 0.22 mm de dimetro): Hasta 93.75 KBaudios: 1200 metros 187.5 KBaudios: 600 metros 500 KBaudios: 200 metros Estaciones pueden ser activas (maestros) o pasivas (esclavos). Conexiones de tipo bidireccionales, multicast o broadcast.

Detalles sobre Profibus DP Puesto que Profibus DP es la versin ms extendida, conviene detallar ms a fondo sus caractersticas. Est actualmente disponible en tres versiones:

DP-V0. Provee las funcionalidades bsicas incluyendo transferencia cclica de datos, diagnstico de estaciones, mdulos y canales, y soporte de interrupciones DP-V1. Agrega comunicacin acclica de datos, orientada a transferencia de parmetros, operacin y visualizacin DP-V2. Permite comunicaciones entre esclavos. Est orientada a tecnologa de drives, permitiendo alta velocidad para sincronizacin entre ejes en aplicaciones complejas

Terminadores de bus La instalacin de un cableado para una red Profibus DP requiere de un terminador en cada extremo del bus. Segn la norma este terminador debe ser activo. Esto es, no basta una resistencia terminal, sino que se trata de un arreglo de resistencias que estn 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 lnea. Generalmente uno de los extremos de la red es el maestro Profibus DP, y en ese caso proporcionar uno de los terminadores activos. El otro extremo del bus tiene dos alternativas. Que el terminador activo sea provisto por el ltimo nodo de la red, o que sea provisto por un terminador externo. La primera opcin es muy simple, pero tiene el inconveniente de que si se requiereINTEGRACION DE SISTEMAS AUTOMATICOS 47

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desenergizar el nodo, se perder la funcin 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, generalmente desde una UPS. En el caso de Profibus PA los terminadores de bus son pasivos, es decir, slo resistencia.

Figura 32.- Ejemplo de conexin de red PROFIBUS

Cundo se utiliza PROFIBUS-FMS/DP/PA?


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III.

Sistemas de supervisin de control y adquisicin de datos (SCADA).

ObjetivoEl alumno implementar un sistema de adquisicin de datos mediante buses de campo para supervisar y controlar un proceso productivo.

Conceptos bsicos del sistema SCADA Los sistemas SCADA (Supervisory Control And Data Adquisition) son aplicaciones de software, diseadas con la finalidad de controlar y supervisar procesos a distancia. Se basan en la adquisicin de datos de los procesos remotos. Se trata de una aplicacin de software, especialmente diseada para funcionar sobre ordenadores en el control de produccin, proporcionando comunicacin con los dispositivos de campo (controladores autnomos, autmatas programables, etc.) y controlando el proceso de forma automtica desde una computadora. Adems, enva la informacin generada en el proceso productivo a diversos usuarios, tanto del mismo nivel como hacia otros supervisores dentro de la empresa, es decir, que permite la participacin de otras reas como por ejemplo: control de calidad, supervisin, mantenimiento, etc. Cada uno de los tems de SCADA (Supervisin, Control y Adquisicin de datos) involucran muchos subsistemas, por ejemplo, la adquisicin de los datos puede estar a cargo de un PLC (Controlador Lgico Programable) el cual toma las seales y las enva a las estaciones remotas usando un protocolo determinado, otra forma podra ser que una computadora realice la adquisicin va un hardware especializado y luego esa informacin la transmita hacia un equipo de radio va su puerto serial, y as existen muchas otras alternativas. Las tareas de Supervisin y Control generalmente estn ms relacionadas con el software SCADA, en l, el operador puede visualizar en la pantalla del computador de cada una de las estaciones remotas que conforman el sistema, los estados de sta, las situaciones de alarma y tomar acciones fsicas sobre algn equipo lejano, la comunicacin se realiza mediante buses especiales o redes LAN. Todo esto se ejecuta normalmente en tiempo real, y estn diseados para dar al operador de planta la posibilidad de supervisar y controlar dichos procesos. Estos sistemas actan sobre los dispositivos instalados en la planta, como son losINTEGRACION DE SISTEMAS AUTOMATICOS 50

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controladores, autmatas, sensores, actuadores, registradores, etc. Adems permiten controlar el proceso desde una estacin remota, para ello el software brinda una interfaz grfica que muestra el comportamiento del proceso en tiempo real. Generalmente se vincula el software al uso de una computadora o de un PLC, la accin de control es realizada por los controladores de campo, pero la comunicacin del sistema con el operador es necesariamente va computadora. Sin embargo el operador puede gobernar el proceso en un momento dado si es necesario. Un software SCADA debe ser capaz de ofrecer al sistema: Posibilidad de crear paneles de alarma, que exigen la presencia del operador para reconocer una parada o situacin de alarma, con registro de incidencias. Generacin de datos histricos de las seale de planta, que pueden ser volcados para su proceso sobre una hoja de clculo. Ejecucin de programas, que modifican la ley de control, o incluso anular o modificar las tareas asociadas al autmata, bajo ciertas condiciones. Posibilidad de programacin numrica, que permite realizar clculos aritmticos de elevada resolucin sobre la CPU del ordenador.

Existen diversos tipos de sistemas SCADA dependiendo del fabricante y sobre todo de la finalidad con que se va a hacer uso del sistema, por ello antes de decidir cul es el ms adecuado hay que tener presente si cumple o no ciertos requisitos bsicos: Todo sistema debe tener arquitectura abierta, es decir, debe permitir su crecimiento y expansin, as como deben poder adecuarse a las necesidades futuras del proceso y de la planta. La programacin e instalacin no debe presentar mayor dificultad, debe contar con interfaces grficas que muestren un esquema bsico y real del proceso. Deben permitir la adquisicin de datos de todo equipo, as como la comunicacin a nivel interno y externo (redes locales y de gestin). Deben ser programas sencillos de instalar, sin excesivas exigencias de hardware, y fciles de utilizar, con interfaces amigables para el usuario.


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Funciones principales del sistema Supervisin remota de instalaciones y equipos: Permite al operador conocer el estado de desempeo de las instalaciones y los equipos alojados en la planta, lo que permite dirigir las tareas de mantenimiento y estadstica de fallas. Control remoto de instalaciones y equipos: Mediante el sistema se puede activar o desactivar los equipos remotamente (por ejemplo abrir vlvulas, activar interruptores, prender motores, etc.), de manera automtica y tambin manual. Adems es posible ajustar parmetros, valores de referencia, algoritmos de control, etc. Procesamiento de datos: El conjunto de datos adquiridos conforman la informacin que alimenta el sistema, esta informacin es procesada, analizada, y comparada con datos anteriores, y con datos de otros puntos de referencia, dando como resultado una informacin confiable y veraz. Visualizacin grfica dinmica: El sistema es capaz de brindar imgenes en movimiento que representen el comportamiento del proceso, dndole al operador la impresin de estar presente dentro de una planta real. Estos grficos tambin pueden corresponder a curvas de las seales analizadas en el tiempo. Generacin de reportes: El sistema permite generar informes con datos estadsticos del proceso en un tiempo determinado por el operador. Representacin se seales de alarma: A travs de las seales de alarma se logra alertar al operador frente a una falla o la presencia de una condicin perjudicial o fuera de lo aceptable. Estas seales pueden ser tanto visuales como sonoras. Almacenamiento de informacin histrica: Se cuenta con la opcin de almacenar los datos adquiridos, esta informacin puede analizarse posteriormente, el tiempo de almacenamiento depender del operador o del autor del programa. Programacin de eventos: Esta referido a la posibilidad de programar subprogramas que brinden automticamente reportes, estadsticas, grfica de curvas, activacin de tareas automticas, etc.


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Transmisin de la informacin Los sistemas SCADA necesitan comunicarse va red, puertos GPIB, telefnica o satlite, es necesario contar con computadoras remotas que realicen el envi de datos hacia una computadora central, esta a su vez ser parte de un centro de control y gestin de informacin. Para realizar el intercambio de datos entre los dispositivos de campo y la estacin central de control y gestin, se requiere un medio de comunicacin, existen diversos medios que pueden ser cableados (cable coaxial, fibra ptica, cable telefnico) o no cableados (microondas, ondas de radio, comunicacin satelital). Cada fabricante de equipos para sistemas SCADA emplean diferentes protocolos de comunicacin y no existe un estndar para la estructura de los mensajes, sin embargo existen estndares internacionales que regulan el diseo de las interfaces de comunicacin entre los equipos del sistema SCADA y equipos de transmisin de datos. Un protocolo de comunicacin es un conjunto de reglas y procedimientos que permite a las unidades remotas y central, el intercambio de informacin. Los sistemas SCADA hacen uso de los protocolos de las redes industriales. La comunicacin entre los dispositivos generalmente se realiza utilizando dos medios fsicos: cable tendido, en la forma de fibra ptica o cable elctrico, o radio. En cualquiera de los casos se requiere un MODEM, el cual modula y demodula la seal. Algunos sistemas grandes usan una combinacin de radio y lneas telefnicas para su comunicacin. Debido a que la informacin que se transmite sobre un sistema SCADA debera ser pequea generalmente la velocidad de transmisin de los modem suele ser pequeo. Muchas veces 300bps (bits de informacin por segundo) es suficiente. Pocos sistemas SCADA, excepto en aplicaciones elctricas, suelen sobrepasar los 2400 bps, esto permite que se pueda usar las lneas telefnicas convencionales, al no superar el ancho de banda fsico del cable. Comunicaciones En una comunicacin deben existir tres elementos necesariamente: Un medio de transmisin, sobre el cual se envan los mensajes Un equipo emisor que puede ser el MTU Un equipo receptor que se puede asociar a los RTUs. En telecomunicaciones, el MTU y el RTU son tambin llamados Equipos terminales de datos (DTE, Data Terminal Equipments). Cada uno de ellosINTEGRACION DE SISTEMAS AUTOMATICOS 53

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tiene la habilidad de generar una seal que contiene la informacin a ser enviada. Asimismo, tienen la habilidad para descifrar la seal recibida y extraer la informacin, pero carecen de una interfaz con el medio de comunicacin. La figura siguiente muestra la conexin de los equipos con las interfaces para el medio de comunicacin. Los mdems, llamados tambin Equipo de Comunicacin de Datos (DCE, Data Communication Equipment), son capaces de recibir la informacin de los DTEs, hacer los cambios necesarios en la forma de la informacin, y enviarla por el medio de comunicacin hacia el otro DCE, el cual recibe la informacin y la vuelve a transformar para que pueda ser ledo por el DTE.

Figura 33.- Esquema de conexin de equipos e interfaces de comunicacin

Elementos del sistema Un sistema SCADA est conformado por: Interfaz Operador Mquinas: Es el entorno visual que brinda el sistema para que el operador se adapte al proceso desarrollado por la planta. Permite la interaccin del ser humano con los medios tecnolgicos implementados. Unidad Central (MTU): Conocido como Unidad Maestra. Ejecuta las acciones de mando (programadas) en base a los valores actuales de las variables medidas. La programacin se realiza por medio de bloques de programa en lenguaje de alto nivel (como C, Basic,

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