7. Redes industriales (Mecatrónica).pdf

TECSUP - PFR

Sistemas Mecatrónicos Industriales

UNIDAD VII

REDES INDUSTRIALES INTRODUCCIÓN Actualmente se vienen usando cada vez más equipos con capacidad de comunicación y estos a la vez se comunican con algún otro dispositivo, es por ello, la importancia de conocer el principio de funcionamiento de las redes para estar en condiciones de identificar las posibles averías. Para poder comprender cómo funcionan estas redes, es necesario tener una precisión conceptual sobre aspectos relacionados a éstas, de allí que la presente unidad trata de definir conceptos usados y necesarios para comprender cómo funcionan las redes, no solamente para la comunicación industrial, sino también las ofimáticas. 1. OBJETIVOS El objetivo de esta unidad es definir los conceptos más usados, para comprender el principio de funcionamiento de las redes de comunicaciones de los equipos industriales. 2. CONTENIDO 2.1 CONCEPTO DE RED Muchas veces hemos escuchado hablar de términos como... ¡la red se ha colgado!... ¡no tengo acceso a la red!, entre otros. Una red es la conexión de dos o más elementos a través de algún medio de transmisión. Cuando hablamos de un conjunto de elementos nos referimos a computadoras, PLCs u otros dispositivos conectados para compartir recursos. La forma cómo estos dispositivos son conectados es lo que denominamos “topología de redes”.

2.2 TOPOLOGÍA DE REDES La topología de redes describe la forma en que varios equipos son conectados a la red. Las topologías básicas son: estrella, anillo y bus. A continuación se describirá cada una de ellas:

207


TECSUP - PFR

2.2.1 Topología tipo estrella En este tipo de conexión todos los nodos están conectados a un nodo central a través del cual pasan todos los datos. El nodo central es común para todos y normalmente posee mayor capacidad de proceso. En algunos casos, tiene únicamente la función de conmutación y diagnóstico.

Fig. 1 Configuración estrella Características

Tipo de control Redundancia Expandibilidad Requerimiento de cableado Requerimiento de interfase

Control centralizado. Acceso regulado por control central. Si falla la inteligencia central, la red falla. Limitado al número de conexiones del controlador central. Cable apantallado. Es suficiente con RS-232C.

2.2.2 Topología tipo Anillo Este tipo de red está constituida por un conjunto de estaciones conectadas en serie y formando un anillo cerrado. Cada estación está conectada a la red a través de una interfase que tiene la función de retransmitir datos que no están destinados a ese nodo, leer los datos destinados a ese nodo e insertar los datos enviados por él.

208

TECSUP - PFR


Fig. 2 Configuración anillo Características

Tipo de control

Control descentralizado. Acceso pasa de equipo a equipo. Redundancia Si falla la línea, la red falla. Expandibilidad Ilimitado, pero el tiempo de rotación define un límite práctico pues este gobierna al tiempo de respuesta. Requerimiento de Cable coaxial. cableado Requerimiento de La interfase debe proveer inmunidad a Interfase interferencias en la transmisión. 2.2.3 Topología tipo BUS En esta distribución todas las estaciones se conectan a un medio de transmisión común a través de interfases pasivas. Su alta fiabilidad radica en que las interfases de enlace son pasivas, no afectando el funcionamiento global de la red en caso de falla. Cuando se desea insertar más estaciones es necesario tener presente las características físicas del medio de transmisión.

Fig. 3 Configuración tipo bus.

209


TECSUP - PFR

Características

Tipo de control

Control centralizado y descentralizado. Acceso pasa de equipo a equipo. Redundancia Si falla algún equipo (nodo) esto no afecta el funcionamiento de la red. Expandibilidad Ilimitado, pero el tiempo para acceder secuencialmente a todos los nodos es un límite práctico. Requerimiento de Cable apantallado de par trenzado. cableado Requerimiento de La interfase debe proveer inmunidad a interfase interferencias en la transmisión. 2.3 MEDIO DE TRANSMISIÓN Si bien hemos hablado de las diferentes configuraciones de red básicas existentes, es necesario saber a través de qué medio son conectados los diferentes dispositivos. Un medio de transmisión es el soporte que permite conectar físicamente las estaciones y el medio por donde viajan las señales que representan los datos que se transmiten de una estación a otra. El medio de transmisión seleccionado para una red influye en las características de velocidad de transmisión y cantidad de información. La selección del medio de transmisión depende también de las condiciones de trabajo en las que se desarrolla la aplicación. 2.3.1 Cable de par trenzado Este cable está compuesto por dos conductores trenzados entre sí con la finalidad de reducir el ruido y mantener constante las propiedades eléctricas del medio a lo largo de su longitud. Los hilos conductores son generalmente de cobre, pudiendo estar blindado.

Fig. 4 Cable par trenzado

210

TECSUP - PFR


Características     

Se usa en topologías estrella, anillo y bus. Su constitución física desprotegida la hace vulnerable a ruidos eléctricos. Son los más baratos con respecto a los otros medios de transmisión. Buena fiabilidad. No son adecuados para altas velocidades a largas distancias, siendo apropiados para una comunicación punto a punto.

2.3.2 Cable Coaxial Este tipo de cable está constituido por dos conductores concéntricos y separados por un dieléctrico, donde el conductor externo va conectado a tierra. El cable coaxial permite una mayor velocidad de transmisión con la ventaja adicional que este puede “transportar” varios mensajes

simultáneamente. El ancho de banda puede ser de hasta 10 Mhz. El costo del cable coaxial es mayor al cable de par trenzado.

Fig. 5 Cable coaxial Características  

    

Se usa frecuentemente en redes con topología en bus. Ofrece mayor resistencia a las interferencias y un mejor rendimiento que el cable de par trenzado, pero sensible a ruidos eléctricos. Costo ligeramente mayor al cable de par trenzado. Ofrece a la red buena fiabilidad. Físicamente es fuerte y resistente. Son sensibles a la temperatura y maltrato. Soporta velocidades de transmisión alta, banda muy ancha y altas frecuencias.

211


TECSUP - PFR

2.3.3 Fibra Óptica Está compuesto por un haz de finos hilos de fibra de vidrio, cuya transmisión se efectúa a través de la señal de luz codificada emitidos por diodos emisores (LED) o láser de semiconductores. La capacidad de transmisión de la fibra óptica es mucho mayor que la del cable coaxial (5 a 8 veces). Durante la transmisión, las señales eléctricas son convertidas en señales de luz. Esto evita que la interferencia electromagnética influya en la información a transmitir.

Fig. 6 Fibra óptica Características     



Recomendable en configuración estrella o en anillo. Inmune a interferencias electromagnéticas y ruidos. De costo elevado. Buena fiabilidad. Necesitan ser tratados con mucho cuidado ya que si son doblados o presionados excesivamente pueden sufrir daño y perjudicar la comunicación. Pueden transmitir a velocidades muy altas aproximadamente hasta 1 Gigabits/s y distancias mayores que cualquier otro medio.

2.4 MODO DE COMUNICACIÓN El modo de comunicación es la manera en que dialogan los diversos elementos conectados en una red. Existen tres modos posibles de comunicación. 2.4.1 Comunicación simplex La información fluye en un solo sentido. No es posible confirmar la recepción de un mensaje. Ejemplos de comunicación simplex son la radio y la televisión.

212

TECSUP - PFR


Fig. 7 Comunicación simplex

2.4.2

COMUNICACIÓN HALF DÚPLEX La información fluye en ambas direcciones. Primero transmite un elemento y, después que este ha finalizado, transmite el elemento que responde. Un ejemplo simple de esta comunicación es el telefax. Este es el modo de comunicación preferida para los elementos de campo en una red industrial.

Fig. 8 Comunicación half dúplex

2.4.3

COMUNICACIÓN DÚPLEX La información puede ser transmitida y recibida simultáneamente. Un ejemplo es la conversación telefónica entre dos personas. Sin embargo, para comunicaciones entre máquinas se requieren líneas separadas para transmisión y recepción debido a que de otra manera la información no podría ser decodificada.

Fig. 9 Comunicación dúplex

213


TECSUP - PFR

Sin embargo hemos hablado de enviar y recibir datos, pero ¿cómo son esos datos?... 2.5 CONCEPTO DE BIT, BYTE Y PALABRA Analicemos las siguientes definiciones en conjunto con el diagrama adjunto.

BIT

Estado de señal “0” ó “1”

BYTE

Longitud = 8 bits 15 14 13 12 11 10 9 8

7 6 5 4 3 2 1 0

WORD

Longitud = 16 bits Byte alto (MSB)

2.5.1

Byte bajo (LSB)

BIT El bit es la unidad de información más pequeña. Sólo puede tomar los valores “0” y “1”. Un bit es suficiente para representar una señal binaria.

2.5.2

BYTE El byte es una unidad compuesta de 8 bits. Los bits se agrupan de derecha a izquierda tomando como número de bit de 0 al 7. En un byte se puede representar el estado de hasta 8 señales binarias (1 por cada bit).

2.5.3

PALABRA La palabra es una unidad mayor, compuesta de 16 bits = 2 bytes. Los bits se agrupan de derecha a izquierda tomando un número de bit del 0 al 15. En una palabra se pueden representar hasta 16 señales binarias.

2.6 VELOCIDAD DE TRANSMISIÓN (transmission rate or baudrate) Indica cuántos bits por segundo pueden ser transmitidos entre el transmisor y receptor. Todos los elementos en la red deben operar a la misma velocidad. La velocidad máxima es limitada por el tipo de interfase y el medio de transmisión usado.

214

TECSUP - PFR


La velocidad de transmisión es también función de la 11001111011111……10011 longitud de la línea. Esto debido a que la probabilidad de interferencia electromagnética se incrementa con el incremento de la longitud, pero decrece con la disminución de la velocidad de transmisión. Velocidades de transmisión entre 1 200 bit/s y 37,5 Kbit/s pueden ser alcanzados por medios simples. Para velocidades mayores a 1 Mbit/s se requieren cables de cobre especial o cables de fibra óptica. 2.7 INTERFASES Las interfases de comunicación serial son elementos que permiten la transmisión de información de un equipo de datos (DTE) hacia un MÓDEM o hacia el medio de transmisión por el cual va a comunicarse con otro equipo de datos (DTE). La transmisión de datos vía este medio, están sujetos a estándares internacionales para asegurar la compatibilidad entre equipos de diferentes fabricantes. Una consideración primaria a nivel de campo es que las líneas de transmisión de datos son económicas y sencillas. El tipo de interfase estándar en el nivel de campo industrial es serial. Los bajos costos de instalación (cables y conectores), grandes longitudes de los cables y la seguridad de la información compensan las bajas velocidades transmisión que la caracterizan. Las siguientes interfases seriales son las de mayor aplicación industrial: 2.7.1

Interfase RS 232-C Es una interfase muy común en la actualidad, sobre todo, en aplicaciones informáticas. La interfase RS-232C es una interfase de tensión ± 12V definida para las transmisiones seriales. Esta interfase es usada cuando se desea conectar a dos equipos mediante cable multipar, usualmente una computadora a un servicio periférico o módem.

215


TECSUP - PFR

Características  La

distancia entre estaciones a transmitir deberá ser menor a 15m.  La velocidad de transmisión puede ser menor o igual a 19 200 bps.  Usando MÓDEM permite la comunicación mediante línea telefónica.  El conector utilizado consta de 9 ó 25 pines.  Sólo permite tener un transmisor y un receptor.  El

modo de comunicación permitida es “dúplex”.

 Existe

dos hilos para la comunicación de datos (pin 2) para la transmisión y (pin 3) para la recepción. El retorno, tanto para las señales de datos como para el control, se da a través del hilo conectado al pin 7.  Los niveles de tensión para las señales de datos y control se establecen según la figura: +15V +3V 0V

Estado lógico 1

transición

-3V Estado lógico 0 -15V

2.7.2

Interfase RS-422 La interfase RS-422 cubre solamente los requerimientos físicos y eléctricos para la transmisión. Emplea señales diferenciales que permiten elevadas velocidades de transmisión de hasta 10 Mbit/s. Características  La

velocidad de transmisión puede ser menor o igual a 10 Mbps.  En el terminal de recepción la diferencia entre los niveles de voltaje es utilizada para descodificación de señales, lo que permite que la transmisión de información sea inmune a las señales de ruido o campos externos a las líneas de transmisión  De esta manera es posible emplear línea de mayor longitud que para la interfase RS-232C, es decir hasta 1 220 metros.  Es posible que un transmisor pueda operar sobre un máximo de 16 receptores. 216

TECSUP - PFR


 El

2.7.3

modo de comunicación permitida es dúplex.

Interfase RS-485 Esta interfase a diferencia de la RS232C se define como interfases del tipo balanceada y con transmisión diferencial. Una interfase balanceada consiste en que la transmisión de cada señal se realiza a través de un circuito exclusivo de dos hilos. Una transmisión diferencial consiste en que la información está representada por la diferencia de potencial existente entre los dos hilos del circuito comprendido desde la salida del transmisor hasta la entrada al receptor. Características

Con cable de par trenzado se puede transmitir a velocidades de hasta 100 Kbps a una distancia de 1 000 m.  Son interfases de tensión con corriente elevada: - Tensión de señal <6V - Estado lógico 1 = diferencia de potencial <200 mV - Estado lógico 0 = diferencia de potencial >200 mV  Alta calidad en la transmisión.  Permiten enlaces multipunto.  Hasta un máximo de 32 servicios actuando como transmisores o receptores pueden ser conectados a un cable de dos hilos (en operación tipo bus).  La longitud máxima de la línea de transmisión varia desde 1,2 Km. (a 93,75 Kbit/s) hasta 200 m (a 500 Kbit/s).  Utiliza el modo de comunicación half-dúplex.  Esta interfase goza de gran popularidad en aplicaciones industriales. Principalmente emplea cables de par trenzado y apantallados de bajo costo. 

2.7.4

TTY (Lazo de corriente de 20 mA) El lazo de 20 mA es usado como alternativa a la interfase RS-232C. Su principal ventaja radica en su insensibilidad a la interferencia de modo que se puede cubrir grandes distancias. TTY también es utilizado cuando existen grandes fuentes de campo electromagnético cerca de las líneas de transmisión. Esta interfase tiene sus orígenes en aplicaciones de telegrafía, donde son importantes las comunicaciones a grandes distancias. Trabaja con una corriente de 20 mA que es activada y desactivada („1” y “0”) en el tiempo durante la transmisión. Así, cada terminal

tiene dos lazos; uno para transmisión y otro para recepción.

217


TECSUP - PFR

Características   

El tipo de transmisión es por corriente, permitiendo solamente la conexión de un transmisor y un receptor. Permite líneas de conexión de hasta 100 m con velocidades de transmisión de 19 200 bps. El modo de comunicación utilizado es dúplex.

Fig. 10 Características de las interfases seriales

2.8 PROTOCOLOS El protocolo es el lenguaje con que se comunican los dispositivos en la red. Es la forma en la que los dispositivos de una red intercambian información.

Entonces podríamos definirlo como... Es un conjunto de convenciones relacionadas al formato de datos, métodos de transmisión, topología de red, accesos de bus y procedimientos de control en general necesarios para la comunicación entre dos o más equipos o servicios.

218

TECSUP - PFR


LA CONEXIÓN DE EQUIPOS DE DIVERSOS FABRICANTES MEDIANTE UN PROTOCOLO COMÚN ES POSIBLE GRACIAS A LA DEFINICIÓN DE “LOS 7 NIVELES DEL MODELO OSI”. 2.9 MODELO OSI Historia En los años 70s, La Organización Internacional de Estandarización (ISO) inició un trabajo sobre un modelo para un Sistema Abierto de Interconexión (OSI).

El modelo fue diseñado originalmente para la comunicación entre computadoras, pero hoy en día su uso es más común en los sistemas de comunicación de datos. Su intención es de proveer un protocolo único para la interconexión de computadoras de diferentes marcas y proveedores. El objetivo original NO fue cumplido, sin embargo el modelo OSI fue utilizado por los vendedores para diseñar sus propios sistemas de comunicaciones de datos. En la actualidad, gracias a este modelo, los principales fabricantes de tecnología a nivel mundial han desarrollado protocolos de gran aceptación entre la mayoría de usuarios. Concepto El modelo OSI describe las funciones de comunicación entre aplicaciones por medio de siete capas de funciones estructuradas jerárquicamente. Forma el marco para la clasificación de estándares y las bases para la creación de nuevos estándares de comunicación. El principio está basado en separar el proceso de comunicación en siete tareas definidas por niveles:

219


Nivel

Función

TECSUP - PFR

Descripción

7

Aplicación

El contenido actual, la idea o instrucción en forma de mensaje es enviado al recipiente.

6

Presentación

Conversión del formato, compresión de datos, encripción y autentificación.

5

Sesión

Sesión de control, mensajes simples y mensajes de sincronismo.

Transporte

Control de flujo de datos punto a punto, secuencias de los paquetes, aceptación de los datos, multiples canales lógicos.

3

Red

Ruta de los datos, manejo de las fallas de comunicación.

2

Enlace

Secuencia de paquetes, reconocimientos de destino y fuente de paquetes y sincronismo de paquetes.

1

Físico

Codificación y decodificación o nivel de bit/byte, CRC, acceso al canal, canales de interfaz (Radio, RS 232, RS 48S LAN etc.).

4

Tabla 1

Los protocolos en forma de niveles separan la comunicación de datos, de la aplicación. No hay que preocuparse por la comunicación de los datos; el sistema se hace cargo de esa función. Su interés será sólo en la aplicación. El nivel de aplicación es solamente uno. Todos los otros niveles operan independientemente a la aplicación. Los protocolos en forma de niveles permiten también futuras migraciones y mejoras de los productos sin perder la inversión en su hardware inicial. Las mejoras pueden ser implementadas dentro de un nivel. La mayoría de los protocolos implementan sólo tres niveles: físico, enlace, y aplicación. Estos protocolos no incluyen una de las más importantes funciones de los datos de comunicación, RED (Networking) . Sin un protocolo de comunicación de siete niveles, no es posible enviar mensajes entre varios medios de comunicación de una forma fácil o económica. Los protocolos de siete niveles soportan entornos de tareas múltiples, debido a los niveles de transporte y sesión. Sin estos niveles de transporte y sesión las computadoras de tareas múltiples, sólo pueden hacer tareas individuales. La siguiente Tabla muestra un Resumen de las tareas realizadas en cada uno de los niveles OSI.

220

TECSUP - PFR


Tabla 2

NIVEL

FUNCIÓN

7

Aplicación



6

Presentación



5

Sesión



4

Transporte

3

Red



2

Enlace



1

Físico





TAREA Ofrece al usuario aplicaciones de funciones específicas. Convierte la codificación de dato local en un código comprendido por el otro terminal. Sincroniza las sesiones de comunicación entre dos aplicaciones. Asegura la correcta transferencia de la información. Controla el intercambio de datos entre sistemas terminales. Asegura que el dato pueda ser intercambiado entre dos sistemas. Responsable de la transmisión de datos en el medio físico.

CON ESTOS CONCEPTOS ESTOY LISTO PARA INTEGRAR LOS DISPOSITIVOS EN LOS DIFERENTES NIVELES DE RED EXISTENTES 3. RESUMEN 















Existen tres tipos de configuraciones (topologías) bien definidas que son: estrella, anillo y bus. Los medios de comunicación más utilizados en comunicaciones son: cable de par trenzado, cable coaxial y fibra óptica. La dirección y sentido con que viajan los datos queda definida por una comunicación: simplex, half dúplex y dúplex. Los tipos de interfases de comunicación entre equipos pueden ser: RS-232C, RS-422, RS-485 y TTY. La velocidad de transmisión indica cuántos bits por segundos pueden ser transmitidos entre el transmisor y receptor. El protocolo es el lenguaje con que se comunican los dispositivos en la red. Es la forma en la que los dispositivos de una red intercambian información. El modelo OSI describe las funciones de comunicación entre aplicaciones por medio de siete capas de funciones estructuradas jerárquicamente. Protocolos de siete niveles soportan entornos de tareas múltiples, debido a los niveles de transporte y sesión. Sin estos niveles de transporte y sesión las computadoras de tareas múltiples, sólo pueden hacer tareas individuales.

221


TECSUP - PFR

4. GLOSARIO DE TÉRMINOS Bit Bus Byte Comunicación serie Comunicación paralela Control

Unidad mínima de información. Puede tener dos estados: 0 ó 1. Conjunto de conductores compartidos por dos o más terminales. Conjunto de ocho bits. La información se transmite por unos conductores bit a bit. Emplea más conductores que la comunicación serie para poder transmitir simultáneamente dos o más bits de información. Información adicional necesaria para facilitar la comunicación y/o la interpretación de mensajes.

Datos

Información útil que se pretende intercambiar entre sistemas (por ejemplo: texto, datos numéricos, etc.).

DTE

Equipo terminal de datos.

Interfase

Elementos que permiten la transmisión de información de un equipo de datos (DTE) hacia un MÓDEM o hacia el medio de transmisión por el cual va a comunicarse con otro equipo de datos (DTE).

Mensaje

Conjunto de bits que engloban datos y control emitidos desde un sistema a otro.

Nodo

Terminal de enlace en una red o punto de enlace entre redes de distinto rango.

OSI

Sistema abierto de interconexión.

Palabra

Conjunto de dieciséis bits (02 bytes).

Protocolo

Lenguaje con que se comunican los dispositivos en la red. Conjunto de computadoras, PLCs u otros dispositivos conectados para compartir recursos.

Red Terminal

Equipo que dispone, al menos, de un canal para transmitir y/o recibir información adicional.

Topología

Describe la forma en que varios equipos son conectados a la red. Parámetro que indica la calidad de un producto o las condiciones de operación de un proceso.

Variable controlada Variable manipulada

Incluyen la posición de una válvula, la posición de un dámper o la velocidad de un motor.

222

TECSUP - PFR


5. REDES MÁS UTILIZADAS EN LA INDUSTRIA 5.1 INTRODUCCIÓN Actualmente existe una gran cantidad de fabricantes y organizaciones que ofrecen productos para redes de comunicaciones. Lamentablemente no existe una norma única que describa o parametrice a los protocolos. Cada proveedor clama ser la mejor solución a los problemas de comunicación; sin embargo, siempre surgen problemas de integración ya que muchas veces los protocolos se excluyen mutuamente creando la necesidad de utilizar convertidores de protocolos o comprar solamente productos de un determinado proveedor. Para poder comprender y solucionar estos problemas de integración es necesario conocer las principales características, ventajas y desventajas de los productos de los proveedores más representativos. 5.2 OBJETIVOS El objetivo de esta unidad es mostrar un panorama general de las principales redes de comunicación utilizadas en la industria para tareas de automatización y control, indicando sus principales características y ventajas; esto permitirá seleccionar la red adecuada para una determinada aplicación o sugerir los equipos necesarios para la integración de redes con diferentes protocolos. 5.3 ASI: ACTUATOR SENSOR INTERFACE En muchas máquinas de procedencia europea, principalmente, hemos visto que hay un cable amarillo de perfil muy particular que recorre toda la máquina y al cual se conectan los diversos sensores inductivos o fotoeléctricos del sistema de control, actuadores, etc.

Fig. 11

Pero... ¿qué tiene de especial esta peculiar configuración? La Interfaz Actuador-Sensor (AS Interface), con su característico cable amarillo, es una de las soluciones en redes más innovadoras en la moderna tecnología de la automatización. La AS Interface fue desarrollada en 1990 como una alternativa de bajo 223

Fig. 12


TECSUP - PFR

costo al cableado típico de actuadores y sensores a dispositivos I/O (cableado ramificado) y ha demostrado ser extremadamente confiable después de varios años de uso en numerosos sectores de la industria. La idea original fue colocar en red simples sensores y actuadores binarios con un cable simple que sea capaz de transmitir información y energía (alimentación) al mismo tiempo. Es así, que AS Interface permite que sensores y actuadores puedan ser unidos y configurados a través de una red. El espectro para transmisión en la red o como energía auxiliar se ha extendido. Los diferentes perfiles soportan simples intercambios de información entre productos de diferentes fabricantes. Muy buena idea, pero... ¿a qué nivel de la pirámide de automatización se encuentra AS-Interface?

Fig. 13

5.3.1 características técnicas Norma

AS-Interfaz según IEC TG 178.

Método de acceso

Maestro-esclavo.

Índice de transmisión

167 Kbps.

Medio de transmisión

Dos hilos sin pantalla.

Máximo número estaciones

62 esclavos.

224

TECSUP - PFR


Amplitud de la red

100 m, extendible con repetidores hasta 500 m.

Topología

Bus, árbol, estrella.

Protocolo

AS-Interface.

Aplicaciones

Actuadores y sensores.

¿Datos y energía en un mismo cable? AS Interface utiliza un cable plano de dos hilos (2x1,5 mm 2) sin pantalla para transmitir datos y energía. Hasta un máximo de 8 A pueden ser transmitidos a través del cable amarillo. La máxima longitud de cable es 100 m pero puede ser extendida utilizando repetidores. Carcasa

Conector Cable plano mecánicamente

Fig. 14 Conectores

La estructura del cable permite una única y muy simple técnica de instalación; cuchillas de contacto penetran el material de aislamiento, no son necesarios cables de empalme ni aislamiento adicional.

225


TECSUP - PFR

Fig. 15 Conexiones

Estructura o topología árbol Prácticamente cualquier topología es posible, particularmente la más flexible de todas ellas es la estructura árbol. Cada esclavo puede ser conectado en su punto óptimo y las conexiones de una nueva línea pueden ser realizadas también en cualquier lugar.

Fig. 16 Red ASI

226

TECSUP - PFR


Conexión sencilla de esclavos analógicos, AS Interface Versión 2.1 ha sido optimizada para dispositivos binarios y analógicos en el nivel más bajo de automatización. La transmisión de señales analógicas es tan simple como la transmisión de señales binarias. Toda la información es reconocida e intercambiada automáticamente. No hay necesidad de una configuración mediante programa. Diagnóstico más detallado, adicionalmente a la comunicación de errores, AS Interface Versión 2.1 puede también reconocer errores de periferia como: cortocircuitos, sobrecarga o ausencia de voltaje auxiliar. Puede también localizar estos errores exactamente. 5.3.2 Beneficios AS Interface tiene muchas ventajas comparada con las soluciones tradicionales:          

No son necesarias tarjetas o módulos de entrada/salida. Simple y fácil configuración e instalación de la red. Menos cables, menores dimensiones de los tableros de control, menor cantidad de bandejas, canaletas y cajas de paso. Comparativamente menor trabajo de planeamiento necesitado. Documentación simple. Fácil adición de periferia comparada con sistemas más complejos. Fácil verificación de la instalación. Rápida puesta en marcha. Alta confiabilidad por el diagnóstico continuo de los sensores y actuadores conectados. Disminución de los tiempos de parada.

Utilizar AS Interface® implica un ahorro potencial de hasta 40%

5.4 DEVICENET DeviceNet es una red de control inteligente de bajo costo que conecta una amplia gama de dispositivos inteligentes como sensores, válvulas, lectores de código de barras, actuadores, variadores de frecuencia, PCs, controladores lógicos programables, etc.

227


TECSUP - PFR

Fig. 17 DeviceNet

DeviceNet permite que los dispositivos industriales puedan ser fácilmente interconectados en una red y ser manejados remotamente. Por tratarse de una red estándar, DeviceNet es ideal para aplicaciones que se benefician de una estrecha integración entre dispositivos. 5.4.1 Especificaciones técnicas RENDIMIENTO Sistema de comunicación

Productor/consumidor.

Arquitectura de control

Polled I/O, Cambio de estado I/O o intervalo cíclico I/O.

Ejemplo de velocidad

Por debajo de un milisegundo para 8 controladores de lazo cerrado.

Máxima longitud de la red y velocidad del bus

Velocidad 125 Kbps 250 Kbps 500 Kbps

Distancia 500 metros 250 metros 100 metros

CAPA FÍSICA Topología

Bus, alimentación y señal en el mismo cable.


1 par trenzado para alimentación, 1 par trenzado apantallado para señal.

Alimentación

24 VDC, 8 A.

Número de nodos

Hasta 64. CAPA DE ENLACE DE DATOS

Norma utilizada

CAN (ISO 11898).

Método de acceso

Multicasting, todos los nodos reciben todos los mensajes.

228

TECSUP - PFR


Tamaño del paquete de datos

Variable, 0 a 8 bytes. Los mensajes más largos son enviados en paquetes de 8 bytes. CAPA DE APLICACIÓN

Perfil de los dispositivos

Perfiles normalizados disponibles de la especificación ODVA (Open DeviceNet Vendor Association). Los usuarios pueden expandir la funcionabilidad más allá de las definiciones del perfil normalizado.

Tipo de mensajes

I/O mensajes maestro/esclavo, I/O mensajes par-a-par, mensajes explícitos.

5.4.2 ventajas 

  

 

Norma abierta que garantiza la interoperatividad de diversos dispositivos: intercambiabilidad de dispositivos similares de diferentes fabricantes. Rápida y fácil instalación resultando en un ahorro de tiempo y espacio: se elimina el conexionado eléctrico estándar. Lista para el futuro, para fáciles adiciones de acuerdo al aumento de necesidades y cambios. Tiempo de reposición mejorado a través de la inteligencia dentro de los dispositivos: DeviceNet alerta sobre los eventos de la red permitiendo un accionar rápido. Eficiente uso del ancho de banda a través de la comunicación productor/consumidor. Configuración en línea y adiciones sin necesidad de desconectar el sistema.

5.5 FOUNDATION FIELDBUS 5.5.1 Definición Es un sistema de comunicación serial bidireccional completamente digital que trabaja a una velocidad de 31,25 kbits/s que interconecta dispositivos de campo como sensores, actuadores y controladores. Fig. 18 FF

Fieldbus es una red de area local (LAN) de instrumentos usados en automatización de procesos y manufactura con la capacidad de distribuir las aplicaciones de control a través de la red.

229


TECSUP - PFR

Este bus de campo retiene las características del sistema analógico 4 a 20 mA tales como:   

Interfaz física normalizada de dos hilos. Dispositivos alimentados a través del bus. Operación intrínsicamente segura.

Adicionalmente Foundation Fieldbus permite:    



Mayor capacidad debido a la comunicación completamente digital. Reducción del costo de cableado y terminaciones debido a la conexión de los dispostivos a un único bus. Selección de proveedores de equipos debido a la interoperabilidad. Reducción de la cantidad de equipos enla sala de control debido a la capacidad de distribuir ciertas tareas de regulación y de I/O en los dispositivos de la red. Conexión a Ethernet de alta velocidad en sistemas más grandes.

Fig. 19 Aplicación de FF

5.5.2 Beneficios de fieldbus 

Mayor disponibilidad de la información Fieldbus permite que múltiples variables de un dispositivo puedan ser llevadas al sistema de control para ser archivadas, análisis de tendencias, estudios de optimización del proceso y generación de reportes. Las características de alta resolución y libre de errores de la comunicación digital permite mejorar la capacidad de control.

230

TECSUP - PFR


Fig. 20 Tradicional vs. Fieldbus 

Visión expandida del proceso Las capacidades de autodiagnóstico y comunicación de los dispositivos de campo basados en microprocesador ayudan a reducir los tiempos de parada y mejorar la seguridad de la planta. Ante la detección de condiciones anormales o necesidad de mantenimiento preventivo, personal de operaciones y mantenimiento pueden ser notificados. Esto permite iniciar las acciones correctivas de una manera rápida y segura.

Fig. 21 Visión expandida

231




TECSUP - PFR

Reducción de la cantidad de equipos Foundation

fieldbus

utiliza

“Bloques

de

Funciones”

para

implementar la estrategia de control. Estos bloques son funciones de automatización normalizadas. Muchas funciones del sistema de control como entrada analógica (AI), salida analógica (AO) y control Proporcional / Integral / Derivativo (PID) pueden ser ejecutados por el propio dispositivo de campo.

La distribución del control en los dispositivos de campo reduce la cantidad de equipos de entrada/salida y control necesitados, incluyendo gabinetes y fuentes de alimentación. 

Reducción del cableado Fieldbus permite que muchos dispositivos se conecten a un único par de hilos. Esto resulta en un menor cableado, menor cantidad de barreras intrínsecas y gabinetes.

Fig. 22 Medición de cableado

232

TECSUP - PFR


Fig. 23 Barren IS

5.5.3 Algunas características técnicas de la capa física de “foundation fieldbus” VELOCIDAD DE TRANSMISIÓN 31,25 kbit/s (H1) Tipo

Voltaje

Voltaje

Voltaje

Topología

Bus/árbol

Bus/árbol

Bus/árbol

Clasificación del bus

-

DC DC intrínsicamente seguro

Número de dispositivos

2 a 32

2 a 32

2 a 32

Longitud del cable

1 900 m

1 900 m

1 900 m

VELOCIDAD DE TRANSMISIÓN 100 Mbit/s (HSE) Tipo

Voltaje

Corriente

Voltaje

Topología

Bus

Bus

Bus

Clasificación del bus

-

AC intrínsicamente seguro

Número de dispositivos

2 a 32

2 a 32

2 a 32

Longitud del cable

750 m

750 m

750 m

233


TECSUP - PFR

5.6 PROFIBUS A nivel de campo los periféricos distribuidos, como módulos I/O, transductores de medición, variadores de velocidad, servo actuadores, válvulas y terminales de operación se comunican con los sistemas de automatización a través de un sistema eficiente de comunicación en tiempo real. La transmisión de la información del proceso es efectuada cíclicamente, mientras las alarmas, parámetros e información de diagnóstico también tienen que ser transmitidas cíclicamente en caso de ser necesarias. PROFIBUS cumple con estos requerimientos y ofrece una solución transparente para la manufactura lo mismo que para procesos de automatización. PROFIBUS es un bus estándar de campo abierto e independiente del vendedor para un amplio rango de aplicaciones en manufactura y automatización de procesos. PROFIBUS permite la comunicación entre dispositivos de diferentes fabricantes sin la necesidad de una interfaz especial. PROFIBUS puede ser usado tanto en aplicaciones de tiempo crítico y alta velocidad como en tareas complejas de comunicación.

L a

Fig. 14 Ubicación de Profibus

234

TECSUP - PFR


PROFIBUS ofrece diferentes perfiles del protocolo dependiendo de la aplicación: 





PROFIBUS DP (Periferia Distribuida): comunicación de alta velocidad para transferencia de poca información. Permite la conexión de dispositivos de campo, accionamientos paneles de operador, PLCs y PCs. PROFIBUS PA (Automatización de Procesos): comunicación en la industria de procesos. Alimentación y datos a través del mismo cable. Puede ser utilizado en aplicaciones en atmósferas potencialmente explosivas (EExi-protección intrínseca). PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification): utilizada a nivel de célula en tareas complejas de comunicación. Sin embargo, el uso de TCP/IP en este nivel hará que disminuya su significancia en el futuro.

Tabla 3

5.6.1 Características técnicas Norma Método de acceso Índice de transmisión Medio de transmisión Máximo número estaciones Amplitud de la red

Topología

PROFIBUS, EN 50 170. Híbrido: paso de testigo con maestroesclavo en las capas inferiores (determinístico). 9,6 kbps a 12 Mbps. Eléctrica: par trenzado apantallado. Óptica: FO (vidrio o plástico). 127. Eléctrica: máx. 9,6 Km (depende de la velocidad). Óptica: más de 100 Km (depende de la velocidad). Bus, anillo, estrella, árbol.

235


TECSUP - PFR

Fig. 15 Comunicación

Método de acceso híbrido Paso de testigo, comunicación entre estaciones complejas, van habilitándose cíclicamente unas tras otras la posibilidad de recibir o enviar información. Maestro/esclavo, comunicación entre dispositivos simples y complejos, el maestro administra quién envía o recibe en un determinado momento.

5.6.2 Beneficios 

 



Es uno de los líderes en el mercado de los buses de campo: usado en todo el mundo. Soportado por importantes fabricantes de dispositivos. Transmisión de datos confiable. Flexible y optimizado: sistema con diversas interfaces para diferentes requerimientos. Diferentes topologías para cubrir grandes extensiones. Red abierta normalizada.

236

TECSUP - PFR


… ¿algo más?

Fig. 16 Beneficios

5.7 INDUSTRIAL ETHERNET La conexión en red de millones de PC´s en oficinas y la proliferación del Internet alrededor del mundo ha hecho de Ethernet una norma universal en las redes. Los dispositivos utilizados en Ethernet así como el software asociado han evolucionado hasta el punto que incluso los usuarios inexperimentados pueden configurar redes y conectar computadoras entre sí. Fig. 17 Industrial Ethernet

Los dispositivos Ethernet son relativamente baratos y pueden ser comprados en cualquier tienda de equipos para oficina, tiendas de computadoras y a través de Internet. En contraste con la percepción que los buses de campo son costosos, difíciles de usar y que hay varios disputándose el dominio del mercado, Ethernet aparece como la panacea. Además, un estudio realizado por uno de los grandes de la industria automovilística mostró que Ethernet puede potencialmente ser útil en el 100% de la automatización utilizando redes a nivel de campo.

237


TECSUP - PFR

5.7.1 ¿Qué es industrial ethernet? Industrial Ethernet es una red estándar basada en la norma IEEE802.3 especialmente diseñada para la industria: equipos robustos e instalaciones inmunes al ruido. Diseñada para trabajar a nivel de célula, pero con una enorme potencialidad para entrar al nivel de los buses de campo utilizando protocolos normalizados como ISO y TCP/IP. Ethernet es solamente una norma para la capa física, muy similar a RS-232, de la misma manera que lo es una línea telefónica. Tener una conexión física significa que los mensajes pueden ser transmitidos, pero no se garantiza que la comunicación (intercambio de información) sea exitosa. Solamente porque pueda hacer una llamada en Shangai no significa que pueda hablar Mandarín. Hay muchos protocolos de transmisión que pueden ser utilizados sobre Ethernet, el más popular y utilizado en World Wide Web, es TCP/IP, que significa Protocolo de Control de Transmisión/Protocolo Internet. Cuando uno descarga un archivo de la red, puede verse cómo la velocidad de transmisión disminuye conforme aumenta el tráfico. TCP/IP es el mecanismo que parte el archivo a descargar en paquetes de bits y lo reconstruye en el otro extremo. TCP/IP fue desarrollado con el objetivo de garantizar que los mensajes siempre lleguen a su destino. Para llevar el ejemplo de la Web un poco más allá, todos hemos experimentado que después de descargar un extenso archivo descubrimos que en nuestra PC no tenemos la aplicación asociada para abrirlo. Así que terminamos descargando también un RealAudio o un Winamp o Adobe Acrobat Reader de modo que podamos abrir el archivo. Exactamente el mismo problema se aplica a los controles industriales. Uno puede enviar un archivo o parte de la información que desea a través de Ehternet o Internet, pero el terminal receptor debe saber qué hacer con la información. TCP/IP no te garantiza que puedas abrir el archivo, solamente te garantiza que llegue a su destino.

238

TECSUP - PFR


Fig. 18 Red Profibus

5.7.2 Características técnicas Norma

IEEE802.3

Método de acceso

CSMA/ CD (Estocástico).

Índice de transmisión

10 a 100 Mbps.


Eléctrica: par trenzado apantallado o coaxial. Óptica: FO (vidrio o plástico).

Máximo número estaciones

1 024, ampliable con enrutadores (Routers).

Amplitud de la red

Eléctrica: máx. 1,5 Km. Óptica: más de 50 Km. LAN: hasta 150 Km con tecnología de conmutación. WAN: en todo el mundo.

Topología

Bus, anillo, anillo redundante, estrella, árbol.

5.7.3 Beneficios    

Ethernet es una norma internacional aceptada prácticamente en todo el mundo. Puede manejar gran cantidad de información a alta velocidad. Sirve a las necesidades de grandes instalaciones. Transmisión de datos confiable incluso en ambientes con gran interferencia.

239


TECSUP - PFR

Fig. 19 Beneficios

5.8 CONTROLNET ControlNet es una red de alta velocidad en tiempo real tanto para transmitir datos de I/O en un tiempo crítico como para transmitir mensajes. Incluye acciones de carga/descarga de programas, configuración de datos y mensajes punto a punto (peer-to-peer), en un solo medio físico. La velocidad de transmisión de ControlNet es de 5 Mbits/s tanto para el control como datos. ControlNet permite múltiples controladores para el control de I/O utilizando el mismo cable. Esta red permite una ventaja sobre otras redes, que consiste en permitir un solo master en una sola red, permitiendo también multicast tanto para las entradas como para los datos punto a punto (peer-to-peer), de esta forma reduce el tráfico en la red incrementando el rendimiento del sistema. ControlNet es una red determinística y cíclica. Determinística por la capacidad de predecir cuándo los datos son enviados y cíclico porque asegura que las veces en que se transmite es constante y no depende de los dispositivos conectados. El acceso a la red es controlado por un algoritmo de tiempo llamado Concurrent Time Domain Multiple Acess (CTDMA), las cuales regula la oportunidad de un nodo a transmitir en cada intervalo. 5.8.1 Características   

Velocidad de 5 Mbits/s. Permite 99 nodos de conexión. Cada segmento puede cubrir distancias de hasta 1 000 m.

240

TECSUP - PFR


  

El medio de transmisión utilizado puede ser cable coaxial o fibra óptica. La cantidad de información enviada es de 510 bytes. El tipo de comunicación es del tipo multimaestro.

Contr oln

Fig. 20 Control Net

5.9 MODBUS PLUS ... ¿Es una red abierta también? Por supuesto. Modbus fue desarrollado por MODICON, ahora como parte del grupo Schneider Electric. El protocolo fue ampliamente utilizado con algunas adaptaciones por muchas compañías. Hay una gran cantidad de sistemas instalados en U.S.A. como en Europa y muchas compañías aplican DCS (sistemas de control distribuido) usando Modbus como protocolo para su comunicación. Durante la comunicación en una red Modbus, el protocolo asigna una dirección a cada controlador, reconociendo el mensaje direccionado para él, determina la clase de acción a tomar y extrae cualquier dato de otra información contenido en un mensaje. Si una respuesta es requerida, el controlador debería construir el mensaje de respuesta y enviarlo usando el mismo protocolo. En otras redes, el mensaje contenido en el protocolo Modbus es etiquetados dentro de un paquete estructurado, que es usado en la red. Los puertos de los controladores Modbus son estándar y usan: la interfaz serial RS-232C, niveles de señal, valores de transmisión en baudios y chequeo de la paridad. Los controladores pueden conectarse directamente a la red o vía módems. 241


TECSUP - PFR

Los controladores se comunican usando la tecnología maestro-esclavo (master-slave), en las cuales solamente un dispositivo (master) puede iniciar la transacción (queries). Los otros dispositivos (slaves) responden a solicitud del master. Los masters típicos incluyen un procesador central y paneles de programación. Los slaves típicos incluyen controladores programables. Modbus Plus es una versión de alta velocidad de Modbus con soporte de multimáster. El master puede direccionar los slaves individuales o puede iniciar un broadcast de mensajes a todos los slaves. Los slaves retornan un mensaje de respuesta. 5.9.1 Características    

Velocidad de 1 Mbits/s. Permite 64 nodos de conexión. La distancia máxima permitida es 450 m. El tipo de comunicación utilizado es Multi-master.

6. RESUMEN 













AS-Interface es una red de bajo costo para sensores y actuadores binarios y analógico utilizado principalmente en las máquinas y control secuencial. PROFIBUS es el bus de campo para aplicaciones con tiempos de respuesta críticos. Uno de sus perfiles, el PROFIBUS PA, está especialmente diseñado para tareas de control de procesos en áreas con atmósferas potencialmente explosivas. Profibus DP es para uso de bus de campo a una velocidad de 12 Mbit/s. Profibus FMS es para el uso a nivel célula, facilitando el enlace de PLCs, paneles de operadores, PCs, etc. DeviceNet es una red de campo orientada principalmente a los procesos de manufactura. Foundation Fieldbus es un protocolo cuya principal característica es distribuir las funciones de control en la red. Industrial Ethernet es una red que permite transmitir gran cantidad de información a gran velocidad. Usada inicialmente en el nivel de célula pero con proyecciones muy grandes de convertirse en la solución en el nivel de campo.

242

TECSUP - PFR


7. GLOSARIO DE TÉRMINOS ASI

Interfaz sensor – actuador.

DP

Periferia Descentralizada.

CSMA/CD

Carrier Sense Multiple Access con Collision Detection.

DeviceNet

Red de bajo nivel, diseñada para conectar dispositivos industriales.

Esclavo o slave Estación

Dispositivo o sistema que está a las órdenes de un maestro y que sólo puede enviar datos o recibir si el sistema maestro lo indica. Terminal de enlace en una red o punto de enlace entre redes de distinto rango.

Ethernet

Red potente de célula conforme al estándar IEEE 802.3.

FMS

Fieldbus Message Specification: subnivel superior del nivel 7 de modelo de referencia ISO en Profibus.

FO

Fibra óptica: medio de transmisión.

LAN

Local Area Network: red de área local que comunica varios terminales independientes distribuidos en un área limitada geográficamente. Maestro Dispositivo o sistema que tiene el control de la línea de comunicación, estableciendo que sistemas deben responder. Método de acceso Modalidad de acceso al medio común que permite administrar eficientemente el medio de comunicación donde están conectadas las diferentes estaciones. Método de acceso Cuando se aplica el método acceso a la red mediante la técnica híbrido del polling y el token ring. Mensaje explícito Son algunos mensajes que de todas maneras lo realizan los dispositivos de la red como parte indispensable a la comunicación. Multicasting Cuando un maestro envía un mensaje a determinados dispositivos simultáneamente. ODVA Open DeviceNet Vendors Association. PA

Process Aplication: protocolo Profibus usado para seguridad intrínseca.

Paso de testigo

Método de acceso por ficha que consiste en pasar de una estación a otra un mensaje de habilitación para transmitir.

PID

Proporcional – Integral – Derivativo.

243

7. Redes industriales (Mecatrónica).pdf

Recommend Documents