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1. Comunicaciones Industriales
Introducción
En este tema vamos a estudiar los diferentes métodos de cableado que han existido para interconectar los elementos de un sistema automatizado. Se incidirá más en los buses de comunicación, que son los más utilizados en la actualidad.
Existen diferentes tipos de buses de comunicación de los que podemos ver en la siguiente figura
los anagramas que los distinguen
Comunicaciones industriales
Las comunicaciones industriales son aquellas que permiten el flujo de información del controlador a los diferentes dispositivos a lo largo del proceso de producción: detectores, actuadores, otros controladores, etc. Los procesos a automatizar acostumbran a tener un tamaño importante y este hecho provoca que exista una gran cantidad de cables entre el autómata y los sensores y actuadores.
Existen diferentes maneras de comunicar los diferentes dispositivos dependiendo de la complejidad de la red creada y/o el presupuesto destinado a su creación. A continuación se muestras los métodos de cableado más usuales.
Sistemas de cableado
Los primeros autómatas se cableaban hilo a hilo directamente a los borneros de los módulos de entrada y salida (cableado clásico). Este método presentaba numerosos inconvenientes que se expondrán a continuación. Actualmente existen diferentes alternativas, debidas principalmente a los avances tecnológicos conseguidos:
- Cableado mediante bases de precableado
- Entradas y salidas distribuidas
- Buses de campo
Cableado clásico
Los captadores se cablean hilo a hilo a las entradas del autómata por borneros de tornillos y las salidas se cablean a los preactuadores, normalmente en el propio armario del autómata. De este armario saldrá también el cableado de potencia para los diversos actuadores.
Este método presenta diferentes problemas debido a: la longitud excesiva del cableado (con las consiguientes caídas de tensión que provoca) y el ruido producido entre los cables de potencia y de señal.
Los cables de sensores y captadores se llevan a cajas de campo donde se cablean en borneros, de donde salen mangueras de cables hacia el armario.
Sistemas de precableado
Existen autómatas de pequeño tamaño que admiten módulos de entrada y salida de alta densidad. Estos módulos tienen una serie de conectores (diferentes a los borneros) donde se enchufan unos cables de conexión que en el otro extremo se conectan a unas bases de precableado a tornillo, donde se pueden conectar los cables de captadores y preaccionadores. Los cables que unen las bases de precableado con los módulos del autómata son
De todas maneras el cableado de captadores y accionadores a nivel local sigue siendo igual de
complicado que en el cableado clásico.
Buses de campo
A finales de los 80 y sobre todo en los 90 aparecen en el mercado nuevas opciones de comunicación, los buses de campo. Estos buses permiten conectar los captadores y accionadores al autómata con un solo cable de comunicación. Las modificaciones y ampliaciones de las instalaciones se pueden realizar fácilmente sólo con ampliar el cable del bus y conectar los nuevos componentes.
Este tipo de comunicación permite ir más allá que la simple conexión con actuadores o captadores de tipo "todo o nada" o de tipo analógico, además permite conectar los dispositivos llamados inteligentes. Estos dispositivos pueden ser variadores de velocidad, controladores de robot, arrancadores, reguladores PID, terminales de visualización, ordenadores industriales, etc. El intercambio de información requerido es del orden de Kbytes. o Mbytes. Un envío de información de este tipo se realiza en pequeños paquetes por medio de las funciones suministradas por el protocolo de comunicación usado.
Los buses de campo han favorecido las comunicaciones industriales como las conocemos hoy en día. Gracias a estos avances es posible la fabricación flexible y los sistemas de producción integrados como los llamados CIM (Computer Integrated Manufacturing), mediante la cual todo el proceso de fabricación está controlado por sistemas informáticos.
A continuación se presentan las características propias de los buses de campo, así como sus ventajas respectos los otros sistemas mencionados.
Servicios que debe proporcionar Ventajas respecto otros sistemas de comunicación
- Respuesta rápida a mensajes cortos.
- Alta fiabilidad del método de señalización y del medio.
- Una red mantenible y ampliable por el personal de la planta.
- Una red que pueda ser conectada al sistema de comunicaciones principal de la empresa.
- Conectabilidad a diferentes componentes de distintas marcas.
- Reducción del cableado.
- Mayor precisión.
- Diagnosis de instrumentos de campo.
- Transmisión digital.
- Calibración remota.
- Mecanismos fiables de certificación.
- Reducción del ciclo de puesta en marcha de un sistema.
- Operación en tiempo real.
Pirámide CIM
En una red industrial las comunicaciones se suelen agrupar jerárquicamente en función de la información tratada. Cada subsistema debe tener comunicación directa con los subsistemas del mismo nivel y con los niveles inmediatamente superior e inferior. Así aparecen cinco niveles, representados a continuación por medio de la pirámide CIM:
Nivel de Proceso: en este nivel se realiza el control directo de las máquinas y sistemas de producción. Los dispositivos conectados son sensores, actuadores, instrumentos de medida, máquinas de control numérico, etc. Se suele utilizar cableado tradicional o buses de campo: AS-i.
Nivel de Campo: se realiza el control individual de cada recurso. Los dispositivos conectados son autómatas de gama baja y media, sistemas de control numérico, transporte automatizado, etc. Se utilizan las medidas proporcionadas por el nivel 0 y se dan las consignas a los actuadores y máquinas de dicho nivel. Se usan buses de campo del tipo: AS-i, Device Net, Profibus DP o Interbus S.
Los niveles de proceso y campo utilizan paquetes de información del orden de los bits o bytes.
- Nivel de Célula: incluye los sistemas que controlan la secuencia de fabricación y/o producción (dan las consignas al nivel de campo). Se emplean autómatas de gama media y alta, ordenadores industriales, etc. Se usan buses de campo y redes LAN* (Local Area Network) del tipo: Profibus FMS, Profibus PA, Ethernet, CAN, etc.
- Capa 6 (Presentación). Facilita la comunicación a nivel de lenguaje y formato de
presentación entre el usuario y la máquina que da acceso a la red (traductor). Interpretación y
normalización de datos, encriptación, transformación de códigos y formatos, etc.
- Capa 5 (Sesión). Control de la comunicación. Control del inicio y fin de la misma, arbitrando
quién transmite y quién recibe información en cada instante (moderador).
- Capa 4 (Transporte). Establece y garantiza un medio de comunicación sin errores en ambos
sentidos. Si es necesario fracciona el mensaje (mensajero)
- Capa 3 (Red). Responsable del encaminamiento del mensaje, conmutación de paquetes,
subredes de comunicación, control de flujo y congestión de red, recuperación de errores
(servicio de mensajería).
- Capa 2 (Enlace). Mantiene la comunicación entre cada par de nodos de la red, apoyándose
en el medio físico (centralita)
- Capa 1 (Físico). Medios materiales que garantizan el enlace entre nodos (cable, fibra óptica,
drivers, etc.). Transmisión de bits entre nodos de la subred de comunicación, control eléctrico,
mecánico y funcional del circuito de datos, etc.
Pese a OSI continúan los problemas de interconexión entre fabricantes y se procede a
estandarizar los buses con carácter abierto. Se crean organizaciones independientes para
mantener y revisar los estándares, incorporando las nuevas tecnologías a la mayor brevedad. Por
ejemplo: AS-i trade organization, Profibus trade organization, etc.
Tipos de buses de campo
A continuación se expondrán algunos de los tipos de buses de campo más utilizados actualmente en el mercado.
Para unir redes con otras de un nivel superior se usan las llamadas pasarelas.
AS-i (Actuator-Sensor Interface)
AS-i es un bus muy simple para conectar sensores y actuadores binarios con un PLC de manera económica. Típicamente se habla de un ahorro de entre el 15 y 40 % respecto al cableado tradicional. Usa un sistema de comunicación maestro/esclavo y la configuración de los nodos esclavos se realiza desde el maestro, usando el mismo bus, que es de topología libre.
Fue creado por el AS-i Consortium en 1993. Una de sus características principales es el tipo de cableado que utiliza llamado Flat Yellow Cable. Este cable incluye dos hilos que incorpora conjuntamente la señal de alimentación (+30 V.) y la señal de control.
Características principales:
- Longitud máxima 100 m (300 m. con repetidores)
- Comunicaciones maestro-esclavo, con un máximo de 31 esclavos y un solo maestro.
- La velocidad de transferencia (Baudrate) es de 167 Kbit/s.
definir la gramática, el idioma, las palabras y el vocabulario para comunicar (que son los otros protocolos).
Para la transmisión de datos no se direccionan los nodos, sino que el contenido del mensaje incorpora un identificador que es único en la red. Los mensajes tienen un formato broadcast (productor/consumidor). El identificador define el contenido y la prioridad del mensaje. Así la competición por el acceso al bus se basa en la prioridad dada en el identificador.
Las velocidades de transmisión van de 50 Kbit/s. (distancia 1m.) a 1Mbit/s. (distancia 40m.) con un volumen de información de 64 bits de datos de usuario.
DeviceNet
Impulsado por Allen Bradley en 1994 se implementa un protocolo de la capa 7 (aplicación) orientada a la conexión, sobre un protocolo CAN. Se trata de un link de comunicaciones de bajo coste que conecta dispositivos industriales a la red y elimina los caros cableados a mano.
Características principales:
- Permite escoger velocidades de transmisión: 125 Kbit/s. (500 m.), 250 Kbit/s. (250 m.) y 500 Kbit/s. (100m.).
- Puede tener hasta 64 nodos
- Tamaño máximo del mensaje: 8 bytes de información por nodo y por mensaje.
- Formato de mensaje: polling, strobing, change-of-state, cyclic, productor/consumidor
- Topología lineal, con datos y alimentación proporcionada para el mismo bus
Ventajas: bajo coste, gran aceptación, alta fiabilidad y uso eficiente del ancho de banda, alimentación disponible en la red. [11]
Inconvenientes: Ancho de banda limitado, así como el tamaño de los mensajes y la longitud de la red. [11]
La asociación que se encarga de dar soporte a este protocolo es la Open Devicenet Vendor Association (ODVA), http://www.odva.org.
CANopen
Se originó en el 1993 para el mundo de la automoción. Es un concepto de red basado en un sistema de bus serie CAN (Controller Area Network) y la capa de aplicación CAL (CAN Application Layer). Sus ventajas principales son su simplicidad, alta fiabilidad de transmisión y tiempos de reacción extremadamente cortos.
Características principales:
- Distancia: 100 a 500 m.
- Puede tener hasta 64 nodos
- Velocidades de transmisión: 125, 250, 500 y 1000 Kbit/s.
- Puede enviar mensajes de 8 bytes como máximo por nodo y por mensaje.
- Formato de los mensajes: polling, strobing, change-of-state, cyclic y otros.
para ambientes peligrosos y con riesgo de explosión. También actúa a nivel de campo.
- PROFIBUS FMS (Fieldbus Messages Specifications). De propósito general, supervisión y configuración. Es multi-maestro (paso de testimonio entre maestros, maestro-esclavo con los demás dispositivos). Se usa a nivel de planta o célula.
Características principales:
- Longitud máxima: 9 Km. con medio eléctrico, 150 Km. con fibra óptica de vidrio, 150 m. con infrarrojo.
- Puede tener hasta 126 nodos
- Velocidad de transmisión entre 9.6 Kbit/s. y 12 Mbit/s.
- Puede transferir un máximo de 244 bytes de información por nodo y ciclo.
- Topología: estrella, árbol, anillo y anillo redundante
- Formato de los mensajes: polling, peer-to-peer
Ventajas: Es el estándar más aceptado a nivel mundial, sobretodo en Europa pero también utilizado en Norteamérica, Sudamérica, partes de África y Asia. Con las tres versiones DP, FMS y PA quedan cubiertas la casi totalidad de las aplicaciones de la automática.
Inconvenientes: para mensajes cortos es poco efectivo ya que el mensaje lleva una parte muy importante de direccionamiento, no lleva la alimentación incorporada, ligeramente más caro que otros buses.
Interbus
Se originó en Phoenix Contact en 1984. Usa una estructura maestro-esclavo para acceder al medio, más un sistema de "suma de tramas" (summation-frame) que envía todas las respuestas en un solo telegrama. El medio más usado es un anillo sobre cableado RS-485 utilizado para hacer conexiones punto a punto. Interbus tiene el estándar DIN
Características principales:
- Distancia: 400 m. por segmento y 12.8 Km. en total.
- Número máximo de nodos: 256
- Velocidad de transmisión: 500 Kbit/s.
- Tamaño del mensaje: 512 bytes de información por nodo.
Ventajas: es el estándar de red más reconocido internacionalmente. Puede tratar con grandes
cantidades de información a una velocidad muy rápida sirviendo para instalaciones muy grandes.
Inconvenientes: Para mensajes con poca información no es eficiente, no lleva la alimentación incorporada, los conectores (RJ45) son vulnerables físicamente. No tiene la propiedad de determinismo por el que los buses de campo pueden asegurar la respuesta de la red para cada carga.
Ethernet y TCP/IP (Transmisión Control Protocol/Internet Protocol) son dos conceptos distintos
pero que se suelen utilizar conjuntamente, Internet es una aplicación de TCP/IP, pero es solo un
caso y existen muchas otras muy diferentes.
- TCP/IP se desarrollo en la Universidad de Stanford en 1970 y consiste en un conjunto de
protocolos que pueden funcionar sobre diversos medios físicos, cubrirían entre el nivel 3
y 7 de la torre OSI (pero no son OSI). Por ejemplo si estamos bajando un documento en
formato pdf podemos ver como la velocidad de transmisión va variando dependiendo de
los niveles de tráfico de la red. TCP/IP es el que se encarga de dividir la información en
diferentes paquetes durante la transmisión y luego los reúne.
- Ethernet es un estándar de comunicaciones que incluye los niveles OSI 1 y 2. La red
Ethernet tiene como aplicación básica la gestión e información global de un sistema
automatizado. Se situaría en el nivel más alto y sirve de lazo de comunicación entre los
dispositivos de gestión central ("sala de control") con los autómatas principales, que a su
vez se conectarán con otros autómatas de más bajo nivel, con lo que se puede obtener
datos de la planta.
Montando TCP/IP sobre Ethernet se obtiene un sistema de comunicaciones completo.
Ethernet industrial es la aplicación de la tecnología LANs al campo de la automatización. El
objetivo es sustituir los existentes buses de campo por dispositivos de comunicaciones
compatibles con Ethernet. De esta manera la misma LAN de la oficina se puede aplicar en otros
niveles de la jerarquía de control.
Introducción a las comunicaciones inalámbricas
Las tendencias para el futuro en el campo de las comunicaciones industriales son las tecnologías inalámbricas (Wireless), es decir aquellas tecnologías que no utilizan el cableado físico y se comunican por ondas a través del aire.
Este tipo de tecnologías se van introduciendo en nuestras vidas de manera muy visible en los últimos años. Desde la telefonía móvil, los router wifi de nuestras casas, hasta la información vía wifi de los aeropuertos españoles. Por tanto era de esperar que la industria adoptara este sistema de comunicación, aunque de momento no existe una uniformidad entre los diferentes sistemas existentes, hay muchos estándares que están en continua evolución.
Algunos ejemplos de esta tecnología son: Bluetooth, Wi-fi, UWB, etc. Se pueden revisar sus estándares en:
- http://www.bluetooth.org o http://www.bluetooth.com
- http://www.uwb.org
Esta tecnología permite llegar a velocidades mucho más importantes, con un transporte mucho mayor de información y sin los problemas de espacio ni interferencias.
teórico es de 54Mbps, con una transferencia real de unos 27Mbps. 802.11a trabaja entre los rangos de
frecuencias 5.745 y 5.805GHz, también entre 5.170 y 5.320GHz. Esto hace que no sea compatible con los
estándares anteriormente mencionados el 802.11b y el 802.11g. Esta porción del espectro, está menos
usada que la de 2,4Ghz, sería una ventaja ante interferencias pero los equipos que trabajan con este
estándar no pueden atravesar tan lejos como los del estándar 802.11b dado que sus ondas son más
fácilmente absorbidas.
Canales
Como hemos visto antes las frecuencias vienen comprendidas entre 2.412 y 2.484GHz y alrededor de
5Ghz. Estas son divididas en canales (puede variar según legislación de cada país).
Canal 01: 2.412 GHz Canal 02: 2.417 GHz Canal 03: 2.422 GHz Canal 04: 2.427 GHz Canal 05: 2.
GHz Canal 06: 2.437 GHz Canal 07: 2.442 GHz Canal 08: 2.447 GHz Canal 09: 2.452 GHz Canal 10:
2.457 GHz Canal 11: 2.462 GHz Canal 12: 2.467 GHz Canal 13: 2.472 GHz Canal 14: 2.484 GHz
Para cada canal es necesario un ancho de banda de unos 22 MHz para poder transmitir la información,
por lo que se produce un inevitable solapamiento de los canales próximos Si tenemos que poner algunos
puntos de acceso cercanos inevitablemente, deberíamos separarlos lo suficiente siendo recomendable
usar canales que no se solapen. 2, 7 y 12 otra posibilidad sería 3, 8 y 13 otra 4, 9 y 14 por último 1, 8 y 14.
Dispositivos inalámbricos
Punto de Acceso: Dispositivo por el cual pueden conectar clientes u otros puntos de acceso por
radiofrecuencia, este generalmente también ofrece servicios de red como DHCP o sistemas de
encriptación y regulación del acceso. Funciona en el modo máster.
Cliente: Generalmente unidos a un punto de acceso, son las comúnmente llamadas tarjetas wireless,
aunque pueden ser dispositivos que soporte el modo Managed en general. Estos clientes pueden también
conectarse entre sí sin necesidad de unirse mediante un 'access point' usando el modo Adhoc. En modo
monitor la tarjeta actúa como sniffer de red capturando todo el tráfico de paquetes que circula por el aire.
Otros: En este grupo acotamos a los repetidores y potenciadores, generalmente no son indispensables en
la infraestructura de una red inalámbrica
Modos y estructura de red
Managed: Modo usado por los clientes inalámbricos de una red para conectar a un punto de acceso. Este
es el más usado en redes domésticas, ya que es como usualmente configuramos una red pequeña tipo
Cliente-Punto de acceso.
Ad-hoc: Una red "Ad Hoc" consiste en un grupo de ordenadores que se comunican cada uno
directamente con los otros a través de las señales de radio sin usar un punto de acceso. Las
configuraciones "AdHoc" son comunicaciones de tipo punto-a-punto o cliente-cliente. Los ordenadores de
la red inalámbrica que quieren comunicarse entre ellos necesitan configurar el mismo canal y ESSID en
modo "Ad Hoc".
Master: Esta es la forma de trabajar de los puntos de acceso. Si queremos conectar nuestra tarjeta a uno
de ellos, debemos configurar nuestra tarjeta en este modo de trabajo. Sólo decir que esta forma de
funcionamiento es bastante más eficaz que AD HOC, en las que los paquetes "se lanzan al aire, con la
esperanza de que lleguen al destino”, mientras que Infrastructure gestiona y se encarga de llevar cada
paquete a su sitio. Se nota además el incremento de velocidad con respecto a AD HOC.
Monitor: Modo usado en tarjetas de red para snnifar y capturar el tráfico de paquetes que circula por el
aire. Se dan en tarjetas con el chip prism y atheros.
