PROYECTO DE INGENIERIA - dsi.fceia.unr.edu.ar · PDF fileConfiguración HMI ......

Universidad Nacional de Rosario

Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura

Escuela de Ingeniería Electrónica

PROYECTO DE INGENIERIA

PLANTA INDUSTRIAL A ESCALA ACADÉMICA PARA EL

ESTUDIO DE CONCEPTOS Y APLICACIONES EN REDES

DE CONTROLADORES (PLCs) Y REDES DE CAMPO

INDUSTRIAL

Autores: Ardoli Fernando, A-2197/1, [email protected]

Aresi Aníbal, A-2223/3, [email protected]

Director: Ing. Sosa José Ignacio, [email protected]

Asesor: Ing. Recanzone Rodolfo, [email protected]

Noviembre 2015

mailto:[email protected]




Proyecto Final de Ingeniería -U.N.R.-

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INDICE

RESUMEN ............................................................................................................................................................................ 4

1. INTRODUCIÓN ........................................................................................................................................................... 5

1.1. PROCESO DE COMUNICACIÓN ....................................................................................................................................... 5 1.1.1. Red de Comunicaciones ............................................................................................................................ 5

1.2. COMUNICACIONES EN LOS PROCESO INDUSTRIALES ........................................................................................................... 5 1.2.1. Modelo de Automatización CIM ............................................................................................................... 6 1.2.2. Objetivos del Modelo CIM ........................................................................................................................ 6 1.2.3. Concepto del Modelo CIM ........................................................................................................................ 6 1.2.3.1. Niveles del modelo CIM: ......................................................................................................................... 7

1.2.4. Jerarquía de las redes de comunicación según el Modelo CIM ................................................................ 8 1.2.4.1. Redes de Información ............................................................................................................................. 8 1.2.4.2. Redes de Campo ..................................................................................................................................... 8

1.3. MODELO OSI ........................................................................................................................................................... 9 1.3.1. Flujo de información entre capas en el modelo OSI ............................................................................... 10

1.4. MODELO OSI PARA LAS COMUNICACIONES INDUSTRIALES ................................................................................................ 11 1.5. TOPOLOGÍA DE REDES ............................................................................................................................................... 12

1.5.1. Punto a punto ......................................................................................................................................... 12 1.5.2. Bus .......................................................................................................................................................... 12 1.5.3. Árbol ....................................................................................................................................................... 13 1.5.4. Anillo ....................................................................................................................................................... 13 1.5.5. Estrella .................................................................................................................................................... 14

1.6. MÉTODOS DE ACCESO AL MEDIO ................................................................................................................................. 15 1.6.1. Método de acceso a la red con control. ................................................................................................. 15 1.6.1.1. Método de sondeo y selección. ............................................................................................................ 15 1.6.1.2. Método de paso de testigo. .................................................................................................................. 15

1.6.2. Método de acceso a la red aleatorios. .................................................................................................... 17 1.6.3. Sistemas determinista y probabilístico. .................................................................................................. 18

1.7. REDES INDUSTRIALES “COMERCIALES” ......................................................................................................................... 18 1.7.1. AS-i (Actuator/Sensor Interface) ............................................................................................................. 19 1.7.2. P-Net ....................................................................................................................................................... 19 1.7.3. PROFIBUS (PROcess FIeld BUS) ............................................................................................................... 19 1.7.4. HART (Highway Addressable Remote Transducer) ................................................................................. 19 1.7.5. Modbus ................................................................................................................................................... 20 1.7.6. Interbus ................................................................................................................................................... 20 1.7.7. CAN (Controller Area Network) .............................................................................................................. 21 1.7.8. DeviceNet ................................................................................................................................................ 21 1.7.9. Ethernet Industrial .................................................................................................................................. 21

2. REDES DE COMUNICACIÓN INDUSTRIALES UTILIZADAS EN EL PROYECTO ........................................................... 22

2.1. AS-I (INTERFACE ACTUADOR/SENSOR) ........................................................................................................................ 22 2.1.1. Introducción ............................................................................................................................................ 22 2.1.2. Características fundamentales................................................................................................................ 23 2.1.3. Principales datos técnicos ....................................................................................................................... 23 2.1.4. Ciclo de lectura y escritura en los esclavos ............................................................................................. 25 2.1.5. Transmisión de datos .............................................................................................................................. 27 2.1.6. Las fases operativas ................................................................................................................................ 28 2.1.6.1. Modo de inicialización .......................................................................................................................... 29 2.1.6.2. Fase de arranque .................................................................................................................................. 29 2.1.6.3. Modo normal ........................................................................................................................................ 29

2.1.7. Formato de los mensajes AS-i ................................................................................................................. 30 2.2. PROFIBUS (PROCESS FIELD BUS) ............................................................................................................................... 31

2.2.1. Introducción ............................................................................................................................................ 31 2.2.2. Características generales ........................................................................................................................ 31 2.2.3. Características principales ...................................................................................................................... 31


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2.2.4. Perfiles Profibus ...................................................................................................................................... 32 2.2.4.1. Profibus-DP (Descentralized Periphery – Periferia Descentralizada) .................................................... 32 2.2.4.2. Profibus-PA (Processs Automation – Automatización de Procesos) .................................................... 32 2.2.4.3. Profibus-FMS (Field Message Specification - Especificación de los mensajes en el bus de campo) ..... 32

2.2.5. Profibus y el Modelo ISO OSI .................................................................................................................. 32 2.2.6. Medios físicos de trasmisión de datos .................................................................................................... 33 2.2.6.1. RS-485 ................................................................................................................................................... 33 2.2.6.2. Fibra óptica ........................................................................................................................................... 36

2.2.7. Coordinación de datos ............................................................................................................................ 36 2.2.8. Control de Acceso al Medio (MAC) en Profibus ...................................................................................... 36 2.2.9. Trama de datos ....................................................................................................................................... 38 2.2.10. Profibus-DP (Perifería Desentralizada) ............................................................................................... 39 2.2.10.1. Funciones básicas ................................................................................................................................. 40 2.2.10.2. Configuración del sistema. .................................................................................................................... 40

2.3. ETHERNET INDUSTRIAL .............................................................................................................................................. 42 2.3.1. Introducción ............................................................................................................................................ 42 2.3.1.1. Estructura fundamental de Ethernet .................................................................................................... 42 2.3.1.2. Formato de trama Ethernet .................................................................................................................. 42 2.3.1.3. Dirección MAC (Control de Acceso al Medio) ....................................................................................... 43 2.3.1.4. TCP/IP (Protocolo de Control de Transmisión / Protocolo Internet) .................................................... 43 2.3.1.5. UDP/IP (Protocolo de Datagrama de Usuario) ...................................................................................... 46

2.3.2. PROFINET IO (PROcess Field NET) ........................................................................................................... 47 2.3.2.1. Clases de dispositivos en Profinet IO .................................................................................................... 47 2.3.2.2. Performance ......................................................................................................................................... 48 2.3.2.3. Modelos de Dispositivos ....................................................................................................................... 49 2.3.2.4. Direccionamiento .................................................................................................................................. 50 2.3.2.5. Intercambio cíclico de datos ................................................................................................................. 50 2.3.2.6. Intercambio acíclico de datos ............................................................................................................... 50 2.3.2.7. Comunicación Isocrónica en tiempo real (IRT) ..................................................................................... 51

3. SOLUCIÓN DEL PROBLEMA/IMPLEMENTACIÓN PRÁCTICA ................................................................................... 54

3.1. DESCRIPCIÓN DE FUNCIONAMIENTO DE LAS PARTES OPERATIVAS ....................................................................................... 54 3.1.1. Control de Nivel de Área S7-300 ............................................................................................................. 55 3.1.2. Celda de Cintas ....................................................................................................................................... 56 3.1.3. Celda de Tanques .................................................................................................................................... 57

3.2. IMPLEMENTACIÓN.................................................................................................................................................... 58 3.2.1. Configuración de dispositivos y comunicaciones .................................................................................... 58 3.2.1.1. Configuración del Módulo AS-i ............................................................................................................. 58 3.2.1.2. Configuración de comunicación Profibus-DP ........................................................................................ 65 3.2.1.3. Configuración módulo Ethernet............................................................................................................ 73 3.2.1.4. Configuración HMI ................................................................................................................................ 74

3.2.2. Herramientas para el desarrollo del automatismo ................................................................................. 80 3.2.2.1. Modelo Grafcet ..................................................................................................................................... 80 3.2.2.2. Guía GEMMA ........................................................................................................................................ 82

3.2.3. Solución del automatismo ...................................................................................................................... 85 3.2.3.1. Operación con recetas .......................................................................................................................... 86 3.2.3.2. Solución propuesta para el Automatismo a nivel de Área .................................................................... 87 3.2.3.3. Solución propuesta para el Proceso de Cintas ...................................................................................... 90 3.2.3.4. Solución propuesta para el Proceso de Tanques .................................................................................. 94

4. CONCLUSIONES ....................................................................................................................................................... 97

5. BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS ............................................................................................................................... 98


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RESUMEN

El presente trabajo incluye el desarrollo e implementación de una red industrial de monitoreo y control de proceso de una planta industrial a escala académica, conformada por dos estaciones ejecutando procesos de tecnologías primarias independientes, las que, además de resolver su funcionamiento particular, envían información de estado a un nivel de control superior (Nivel de Supervisión), recibiendo del mismo órdenes que determinan diferentes modos de funcionamiento (“recetas”).

La estructuración del proyecto se basó en el modelo CIM (Manufactura Integrada por Computadora), el cual abarca todas las etapas de un proceso productivo: fabricación, supervisión y gestión. Para la resolución de los automatismos de cada estación de trabajo se utilizaron las potencialidades de las herramientas de modelado Grafcet y Guía GEMMA.

Se realizó un estudio detallado de tres redes de campo de diferentes niveles de gran difusión en la industria: para la conexión de sensores y actuadores se utilizó el protocolo AS-i, en tanto que los controladores del sistema se comunican utilizando el protocolo industrial PROFIBUS-DP, dejando el protocolo Ethernet para programación y supervisión.

La infraestructura resultante se utilizará en las actividades que el Departamento de Sistemas e Informática desarrolle vinculadas a la temática de la Informática Industrial, para la elaboración práctica de desarrollos sobre la temática, teniendo la ventaja de poseer todo el hardware de la red de comunicación resuelto. Así se podrán implementar prácticas muy cercanas a problemas reales de ingeniería y de mediana envergadura.


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1. INTRODUCIÓN

1.1. Proceso de comunicación

La comunicación es un proceso de intercambio de información, en el que un emisor transmite a un receptor un mensaje a través de un canal esperando que posteriormente, se produzca una respuesta de dicho receptor.

Figura 1.1 – Proceso básico de comunicación

En un modelo de proceso de comunicación intervienen los siguientes componentes:

Emisor: La fuente del mensaje, la que codifica y emite el mismo.

Receptor: El destinatario del mensaje, al cual decodifica e interpreta.

Mensaje: La información que se desea transmitir.

Canal: El medio a través del cual se transmite el mensaje.

Código: Conjunto de signos y reglas que forman un lenguaje, permitiendo realizar la codificación del mensaje.

El objetivo principal de todo sistema de comunicaciones intercambiar información entre dos entidades.

1.1.1. Red de Comunicaciones

Una red de comunicación está formada por un conjunto de dispositivos que tienen la habilidad de comunicarse entre sí, conectados por medio de dispositivos físicos, entre ciertas distancias, que pueden ser pequeñas o considerablemente largas. El principal objetivo de una red de comunicación es el de compartir recursos, información y servicios entre los integrantes de la misma. En general a cada dispositivo conectado a la red se lo denomina nodo o estación.

1.2. Comunicaciones en los proceso industriales

En la industria moderna, las comunicaciones de datos entre diferentes sistemas, procesos e instalaciones constituyen uno de los pilares fundamentales para que pueda operar en el nivel de competitividad exigida en los procesos productivos actuales.

Un sistema de comunicación de datos industrial es tanto más exigente cuanto más cerca del proceso nos encontramos. Las tres principales características que determinan la aplicación de las diferentes redes de comunicación, son:

Volumen de datos: cantidad de datos que viajan por la red en cada transmisión.

Velocidad de transmisión: velocidad a la que viajan los datos por la red.

Velocidad de respuesta: Relacionada con el tiempo transcurrido entre el momento de emitir un mensaje y el momento de recibir la respuesta al mismo.


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En la siguiente tabla se pueden observar sus relaciones:

Tabla 1.1 – Comparación entre principales características de una red de comunicación

1.2.1. Modelo de Automatización CIM

En la industria moderna se utilizan diferentes redes de comunicación de acuerdo a los diferentes niveles de automatización. Estos niveles están definidos por el modelo denominado CIM (Computer Integrated Manufacturing: Manufactura Integrada por Computadora), el cual determina una jerarquización de las redes de datos según el propósito para el que han sido diseñadas y aplicadas.

Dadas las exigencias de los procesos productivos, se ha buscado la manera de estructurarlos para hacerlos más eficientes. De este modo, se utilizan modelos jerárquicos para la implantación de sistemas automatizados, siendo CIM uno de los más difundidos en la actualidad.

1.2.2. Objetivos del Modelo CIM

CIM es un modelo de automatización jerárquico que busca incrementar la eficiencia de todos los componentes de la empresa relacionados con la producción, definiendo los siguientes objetivos:

Aumentar la flexibilidad.

Mejorar la calidad del producto.

Reducir los costos.

Reducir el tiempo y el número de pasos empleados en la fabricación.

Aumentar la confiabilidad del sistema.

Integración de todos los niveles de la Empresa.

1.2.3. Concepto del Modelo CIM

CIM se refiere a la manufactura automatizada, usando las tecnologías computalizadas en todas las etapas de producción de un producto, desde el diseño, la fabricación, el control de calidad y la gerencia de la empresa.

El modelo CIM considera el sistema de manufactura como un todo, tomando la automatización de cada una de las actividades y relacionándolas entre sí, formando un bloque único. Además, se estructuran las aplicaciones de un modo jerárquico, dividiendo las tareas de control en distintos niveles funcionales.

En la figura siguiente se muestra el modelo CIM de cinco niveles definido por el NBS (National Bureau of Standards de Estados Unidos).

Volumen de datos

Velocidad de transmisión

Velocidad de respuesta

Red de computadoras

Elevado Elevado Bajo

Red de sensores

Muy bajo Bajo Instantánea


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Figura 1.2 – Modelo CIM de cinco niveles

Cada nivel de la pirámide se caracteriza por llevar a cabo labores específicas, asociando a las mismas diferentes tipos de información y procesamiento, determinando al mismo tiempo la jerarquía a la cual pertenece una red. La información fluye tanto en sentido horizontal (dentro del nivel propio) como en sentido vertical (a un nivel superior o inferior).

1.2.3.1. Niveles del modelo CIM:

Nivel de Empresa (Nivel 5): es el nivel superior y en él se realizan funciones de gestión de la empresa. Se establecen las políticas de producción del conjunto de la empresa en función de los recursos y variables del mercado.

Nivel de Control de Fábrica (Nivel 4): a este nivel corresponden las funciones de planificación de la producción del conjunto de la fábrica. También se encuentran los elementos de oficina técnica que mediante herramientas como CAD (Diseño Asistido por Computadora) permiten el diseño de productos y elaboración automática de programas para los elementos de fabricación (ingeniería). También en este nivel se efectúan funciones de control de materiales y recursos. Se generan órdenes de ejecución hacia el nivel de célula en base a las indicaciones del presente nivel, y las funciones de elaboración de secuencias de producción, secuenciamiento de tareas y coordinación de recursos en la planta.

Nivel de Control de Célula o Nivel de Área (Nivel 3): se realizan funciones de coordinación de máquinas y operaciones. En él se sitúa el sistema de control que secuencia y controla una tarea específica. Gestiona los recursos y materiales dentro de la propia célula.

Nivel de Control de Máquina (Nivel 2): en este nivel se efectúa el control de operaciones de los dispositivos de fabricación. Se encuentra aquí el controlador de cada recurso individual, por ejemplo: PLC, Robots, sistemas de medición, sistemas de transporte, etc..

Nivel de Sensor y Actuador (Nivel 1): es el nivel inferior de la jerarquía CIM. En este nivel se ubican los dispositivos de campo que interactúan con el proceso tales como sensores y actuadores.


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1.2.4. Jerarquía de las redes de comunicación según el Modelo CIM

Debido a los distintos requerimientos que poseen cada uno de los niveles del modelo CIM, cada red de comunicación está optimizada para operar dentro de un determinado rango en el modelo. Al trabajar fuera del nivel para la cual están diseñadas, disminuye su rendimiento y aumenta la relación costo/prestación.

A cada nivel le corresponde una red con determinadas propiedades y limitaciones. De esta forma aparece la jerarquización de las redes de comunicación en la industria, las que pueden definirse en dos grandes grupos:

Redes de Información

Redes de Campo

Las primeras se ubican en la parte superior de la jerarquía CIM y las últimas en la parte baja, como muestra la siguiente figura.

Figura 1.3 – Posicionamiento de las redes de información y de campo en el Modelo CIM

1.2.4.1. Redes de Información

En sentido ascendente, estas redes se encuentran en los niveles de célula, factoría y empresa del modelo CIM, enlazando los niveles superiores de la pirámide. Son redes orientadas al transporte de grandes paquetes de datos, que aparecen en forma esporádica (baja carga), y con un amplio ancho de banda para permitir el envío rápido de una gran cantidad de datos.

Permiten a los diversos sistemas y archivos el acceso a los datos de la planta, relativos a los costos, calidad, fabricación y desarrollo. Por lo general, las redes utilizadas en estos niveles jerárquicos están basadas en tecnología IP.

1.2.4.2. Redes de Campo

En sentido ascendente, las redes de campo se ubican en los niveles de sensor/actuador, campo y célula dentro del modelo CIM, ocupando los niveles bajos de la pirámide. Se las utiliza para conectar distintos procesos de aplicación con el propósito de asegurar la explotación de la instalación (comando, supervisión, mantenimiento y gestión). Proveen servicios sujetos a restricciones temporales (tiempo real) y emplean protocolos capaces de gestionar estas


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restricciones (garantizando que las restricciones de tiempo serán respetadas con cierta probabilidad). A diferencia de las redes de información, están diseñadas para enfrentar un tráfico formado por un gran número de pequeños paquetes, intercambiados con frecuencia entre un alto número de estaciones que forman la red y que muchas veces trabajan en tiempo real.

Los requerimientos de las redes son diferentes de acuerdo al nivel de automatización para el cual operan. Mientras que los tiempos de transmisión entre un paquete y otro en una red del nivel de empresa, puede alcanzar minutos u horas, en el caso de las redes del nivel de sensor/actuador, son del orden de los microsegundos a milisegundos. Asimismo, el volumen de datos transmitidos es muy elevado en las redes del nivel de factoría y empresa (del orden de los megabytes), mientras que en las redes de más bajo nivel es de unos cuantos bytes, o incluso bits.

A continuación se muestra una imagen que muestra dicha clasificación.

Figura 1.4 – Clasificación de sistemas de comunicación según modelo CIM

1.3. Modelo OSI

El modelo de interconexión de sistemas abiertos, también llamado OSI (Open System Interconnection) es un modelo de red descriptivo, creado por la Organización Internacional para la Estandarización (ISO). Es un marco de referencia para la definición de arquitecturas en la interconexión de los sistemas de comunicaciones.

Se trata de una normativa estandarizada debido a la existencia de distintas tecnologías y fabricantes dentro del mundo de las comunicaciones.

El modelo define una estructura de 7 capas, en donde cada una es independiente del resto y resuelve un aspecto particular de la comunicación.


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Tabla 1.2 – Capas del modelo OSI y sus funciones

1.3.1. Flujo de información entre capas en el modelo OSI

Refiriéndonos a la figura siguiente, cuando se envía un mensaje desde la Estación 1 hacia la Estación 2 el mensaje se interpreta como una unidad de datos, que comienza su viaje en la Capa de Aplicación de la Estación 1. Este dato irá “descendiendo” por cada capa del modelo OSI, y cada una de ellas agregará una codificación al inicio (ingl. header = encabezado) con información útil al protocolo de dicha capa antes de pasarlo a la capa inferior. La capa de enlace agrega, además, una codificación al final (ingl. tail = cola).

Número Nivel Objetivo

1 Físico

Se encarga de la transmisión física de los bits por un medio. Entre otras cosas, define: los niveles de tensión en los cuales se representan los unos y ceros, los conectores, la velocidad de transmisión, el material (si el medio es guiado) o las características de la onda electromagnética (de ser inalámbrico), como así también otros aspectos físicos para transportar los bits de información.

2 Enlace de

datos Se ocupa del direccionamiento físico, de la topología de red, del acceso al medio y la detección de errores.

3 Red Su función es encaminar y enviar los paquetes de información entre las distintas redes. Define el camino por donde viajarán los datos para llegar a destino. También se encarga de analizar la congestión y el estado de la red.

4 Transporte

Obra como nexo entre las 3 capas inferiores orientadas a la comunicación y las 3 superiores orientadas a la aplicación. Garantiza la integridad de la información y hace el control de flujo, para lo cual realiza el seguimiento e identificación de las aplicaciones origen y destino, y también la segmentación y re-ensamblaje de los datos.

5 Sesión Se encarga del control de inicio y finalización de las conexiones.

6 Presentación

Se encarga de la representación de la información, de manera que aunque distintos equipos puedan tener diferentes representaciones internas los datos lleguen de manera reconocible. Permite, además, la encriptación y compresión de los datos.

7 Aplicación Se ocupa de brindar servicios a las aplicaciones de los usuarios, por lo que define los protocolos que éstas utilizan.


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Figura 1.5 – Flujo de información en el modelo OSI

Al final, la Capa Física envía esta secuencia de bits hacia la Estación 2 a través de un medio físico. Una vez recepcionada dicha secuencia en la Estación 2, la misma se extrae y es enviada al nivel superior: de esta forma la información comienza a “ascender” por cada capa, cada una de las cuales se encarga de quitarle el encabezado correspondiente, hasta que finalmente llega a la Capa de Aplicación de la Estación 2 y los datos se vuelven útiles para la aplicación del usuario.

1.4. Modelo OSI para las comunicaciones industriales

A nivel de las comunicaciones industriales no se utilizan todas las capas del modelo OSI. Por lo general sólo se utilizan 3 de las 7 capas del modelo:

Capa Física: especifica el tipo de conexión, naturaleza de la señal, tipo de medio de transmisión, velocidad de transmisión. Generalmente las especificaciones de un bus determinado admiten más de un tipo de medio físico. Los más comunes son del tipo RS485 o con conexiones de bucles de corriente.

Capa de Enlace: especifica los protocolos de acceso al medio (MAC) y de enlace (LLC). Esta capa se encarga de establecer una comunicación libre de errores entre dos puntos.

Capa de Aplicación: es la capa más próxima al usuario. Aquí se define el significado de los datos. Las aplicaciones suelen ser propias de cada fabricante: no hay un nivel de aplicación estándar para los buses de campo.


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1.5. Topología de redes

La topología de las redes es el aspecto físico que adoptan los equipos y el cableado entre los mismos. Se pueden hallar sistemas industriales con las siguientes topologías:

1.5.1. Punto a punto

Es la conexión más sencilla, ya que se basa en la conexión directa de dos equipos. El sistema de cableado utilizado es sencillo y en muchas ocasiones no es necesario utilizar adaptadores de red.

Figura 1.6 – Topología punto a punto

Ventajas:

Topología simple en su instalación

Control de acceso al medio sencillo

En caso de existir una falla en un nodo, el resto de los nodos puede seguir funcionando

Desventajas:

Topología válida para pocos nodos, debido a su complejidad en el cableado

Se requieren múltiples placas de comunicación

1.5.2. Bus

La topología de tipo Bus consta de una única línea, compartida por todos los nodos de la red. Al ser un bus compartido, antes de enviar un mensaje, cada nodo ha de asegurarse que el bus esté libre (ningún otro nodo está transmitiendo un mensaje en ese momento).

Solo es posible que un mensaje pueda circular por el canal en cada momento. En caso de que un dispositivo envíe un mensaje en el mismo momento en que lo esté haciendo otro dispositivo, se produce una colisión.

Figura 1.7 – Topología de bus


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Ventajas:

Bajo costo de instalación

En caso de existir una falla en un nodo, el resto puede seguir funcionando

Control de flujo sencillo

Todos los nodos pueden comunicarse entre sí directamente

El agregado de nuevos nodos o la eliminación de nodos existentes es sencillo

Desventajas:

En caso de redes abarcando grandes distancias, será necesario el uso de repetidores de red

Existe gran probabilidad de colisiones en la red

Dependencia total del canal: si éste falla la red no puede funcionar

1.5.3. Árbol

Este tipo de red está formado por un grupo de buses conectados entre sí, dando lugar a una estructura arbórea. Con este sistema se consigue mayor alcance que el proporcionado por un bus simple, aunque se incrementa el problema de la atenuación.

Este tipo de red puede aplicarse para realizar una red por departamentos o zonas independientes.

Figura 1.8 – Topología árbol

1.5.4. Anillo

La topología de anillo es un caso particular de la conexión en bus, donde los dos extremos se unen para formar una estructura cerrada en forma de anillo.

Dentro del anillo la información fluye en un único sentido. El mecanismo de transmisión es dejar que el mensaje circule por el anillo hasta llegar a su receptor.

La inserción de un nuevo equipo en el anillo es fácil: se necesita tan solo abrir el anillo, añadir el nuevo equipo, y cerrar el anillo.

La velocidad de la red está dada por el equipo más lento en la misma.


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Figura 1.9 – Topología anillo

Ventajas:

No existen problemas de enrutamiento de mensajes, ya que todos los mensajes circulan por el mismo camino

Facilidad para la inserción de un nuevo nodo o remoción de uno existente

No se producen colisiones

Se reducen los problemas de atenuación, ya que cada nodo actúa como repetidor de señal

Desventajas:

En caso de existir una falla en alguno de los equipos del anillo, éste queda fuera de servicio, por lo que la red deja de funcionar

Este tipo de topología es válida para distancias cortas

1.5.5. Estrella

En este tipo de topologías cada dispositivo tiene un enlace punto a punto con un controlador central, generalmente llamado concentrador o hub. Los distintos nodos de la red no están directamente conectados entre sí. El concentrador actúa como un intercambiador de datos entre los nodos de la red.

Figura 1.10 – Topología estrella


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Ventajas:

No existen problemas de encaminamiento: todos los mensajes circulan por el mismo camino.

En caso de que un equipo de la red presente un problema, la red sigue en funcionamiento.

Desventajas:

En caso de existir una falla en el equipo concentrador quedando fuera de servicio, toda la red deja de funcionar.

1.6. Métodos de acceso al medio

En el diseño de una red de comunicaciones se debe tener en cuenta que puede darse el caso de que varias estaciones puedan transmitir de forma simultánea a través del mismo canal de comunicaciones: esto provocaría colisiones que producirían errores en la información o pérdida de la misma.

Para asegurar el acceso al medio, se han desarrollado diferentes técnicas o métodos, los cuales están basados en dos sistemas: métodos centralizados de acceso a la red, o métodos de acceso aleatorio a la red.

1.6.1. Método de acceso a la red con control.

Se aplican en sistemas en los que un equipo realiza la función de centro de control. Estos sistemas pueden clasificarse en dos grupos:

Métodos de sondeo y selección

Métodos de paso de testigo

1.6.1.1. Método de sondeo y selección.

Sondeo (Polling): la estación maestra interroga al resto de las estaciones de la red en forma secuencial, una tras otra (poll). Que una estación esclava tenga el “poll” significa que se le permite transferir información, si tiene alguna disponible.

Selección: la estación maestra envía un “Select” a la estación esclava para comunicarle que tiene información para enviarle. La estación esclava contesta si está o no preparada para recibir la información.

El inconveniente de este método de acceso al medio radica en la velocidad de las transferencias, por lo que se lo utiliza en sistemas con poco volumen de información en las transmisiones.

1.6.1.2. Método de paso de testigo.

Estos métodos se utilizan en redes en donde todas las estaciones disponen de la misma prioridad. Dependiendo de la topología de red, se pueden encontrar dos tipos de métodos:

Paso de testigo en bus (Token-Bus)

Paso de testigo en anillo o (Token-Ring)


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1.6.1.2.1 Método de paso de testigo en bus o Token-Bus.

Este método requiere la configuración de la red antes de su puesta en marcha, ya que para cada una de las estaciones se debe determinar cuál será la estación anterior y posterior para la circulación del testigo.

Es totalmente independiente la configuración o disposición física de las estaciones dentro de la red para asignar la configuración de direccionamiento lógico de cada estación.

Una estación será la encargada de poner en circulación una “trama testigo”, la cual irá recorriendo cada una de las estaciones de acuerdo con la lista de direcciones.

La trama de información se compone de los siguientes campos:

Figura 1.11 – Campos de la trama de paso de testigo

Preámbulo: utilizado para sincronizar el emisor con el receptor.

Control: indica el tipo de trama: testigo, datos.

Dirección de Destino: dirección física del receptor.

Dirección de Origen: dirección física del emisor.

Datos: información que se desea transmitir.

CRC: control de errores.

Fin de Trama: indica la finalización de la trama de mensaje.

En el momento en que una estación envía una trama testigo pueden darse las siguientes situaciones:

Si la trama no está destinada a ella misma, retransmite la misma trama a la siguiente estación.

Si la trama es el testigo, la estación está en condiciones de enviar información a otras estaciones de la red.

Si el testigo vuelve a la estación emisora con un ACK en los datos, quiere decir que la información ha sido recibida correctamente por la estación de destino. En ese momento se libera el testigo y se pasa a la siguiente estación.

Existe un límite para la posesión del testigo por las estaciones. Si este tiempo se supera, el testigo debe enviarse a la estación siguiente. Este tiempo puede ser igual o diferente para cada una de las estaciones o conjunto de estaciones: de esta manera se pueden asignar diferentes prioridades a cada una de ellas.

1.6.1.2.2 Método de paso de testigo en anillo o Token-Ring.

Este tipo de acceso al medio se utiliza en redes en donde no existen estaciones con diferentes rangos de prioridad.


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Existen dos tipos de tramas:

Trama de control, llamada “testigo”.

Trama de datos.

Estas tramas tienen las estructuras mostradas a continuación:

Figura 1.12 – Campos de la trama testigo

Figura 1.13 – Campos de la trama de datos

Cuando una estación recibe el testigo, puede realizar dos acciones:

a) Si la estación tiene que emitir un mensaje, toma el testigo y envía el mensaje a través de la red. Este mensaje llegará a su destinatario, el cual replicará enviando a su vez un mensaje de reconocimiento para indicar una recepción correcta. Cuando el emisor lo recibe, da por finalizada su tarea y vuelve a colocar el testigo en la red, hasta que otra estación lo tome para emitir mensajes.

b) Si la estación no tiene mensajes para emitir, simplemente reenvía la trama testigo a la siguiente estación.

1.6.2. Método de acceso a la red aleatorios.

En contraposición a las técnicas en donde el control de la transmisión es realizado por una sola estación (maestra o esclava), existen técnicas sin prioridad en ninguna estación: cada estación controla su comunicación, pudiendo iniciar una transmisión de información sin tener que esperar a que otra estación le conceda permiso. Según la norma IEEE 802.3, esta técnica se conoce con el nombre de CSMA/CD (ingl. Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection = Acceso Múltiple por Detección de Portadora con Detección de Colisión).

El acceso a la red se lleva a cabo ejecutando los siguientes pasos:

1. La estación verifica (“escucha”) el estado del canal de comunicación, comprobando los niveles de la señal.

2. En caso de no detectar señal de datos, inicia la transmisión.

3. En este momento puede ocurrir que dos estaciones hayan comenzado su transmisión en forma simultánea. Cada estación, después de colocar los datos en el canal de comunicación, comprueba que los datos existentes en el canal son los mismos que se han enviado. Si no es así, quiere decir que se ha producido una colisión y detiene la transmisión.

4. Si se detecta una colisión, la estación espera un tiempo aleatorio y comienza nuevamente la transmisión. El tiempo de espera es aleatorio para evitar colisiones sucesivas.


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1.6.3. Sistemas determinista y probabilístico.

El hecho de que un sistema de comunicación sea del tipo determinista o no determinista (probabilístico) depende únicamente del tiempo en la transmisión/recepción.

Sistema Determinista: Es aquel en que el tiempo de transmisión/recepción de datos es fijo y conocido. Si el sistema de comunicaciones satisface los requisitos temporales de una aplicación específica, se considera que las comunicaciones son en tiempo real (desde el punto de vista de dicha aplicación). En ese caso, se entiende que los mensajes llegarán en una ventana de tiempo específica y, por lo tanto, que la aplicación puede controlarse con una precisión adecuada (tiempo real “flexible”). Por otro lado, si se requiere que las comunicaciones estén obligatoriamente garantizadas y que se realicen en un instante específico preciso, se habla de tiempo real “estricto”.

Sistema Probabilístico: cuando el tiempo de transmisión/recepción es aleatorio (no siempre es el mismo) y por lo tanto no es conocido.

En las redes de comunicación industrial, que en su mayoría deben ser del tipo determinista, es muy importante tener en cuenta este concepto, ya que se ha de asegurar un tiempo máximo conocido desde que se produce una acción y la información llega al controlador.

1.7. Redes Industriales “Comerciales”

A continuación se muestra una tabla comparativa entre alguno de los buses de campo más utilizados en la industria, haciendo referencia a sus características técnicas más importantes.

BUS DE CAMPO

TOPOLOGÍA MEDIO FÍSICO VELOCIDAD DISTANCIA SEGMENTO

NODOS POR SEGMENTO

ACCESO AL MEDIO

P-NET Anillo Par trenzado apantallado

76,8 Kbps 1.200 m 125 Paso de testigo Maestro/esclavo

Profibus

Bus lineal

Anillo

Estrella

Árbol

Par trenzado apantallado

Fibra óptica

Hasta 12 Mbps

Hasta 9,6 / 90 Km

125 Paso de testigo Maestro/esclavo

HART Bus lineal Cable 2 hilos 1,2 Kbps 3.000 m 30 Maestro/esclavo

Modbus Bus lineal Par trenzado Hasta 19,2 Kbps

Km 248 Maestro/esclavo

Interbus-S Anillo Par trenzado 500 Kbps 400 m 256 Paso de testigo

CAN Bus lineal Par trenzado Hasta 1 Mbps

Hasta 1.000 m

127-64 CSMA/CD con arbitraje de bit

DeviceNet Bus lineal Par trenzado Hasta 500 Kbps

Hasta 500m 64 CSMA/CDBA

AS-i

Bus lineal

Árbol

Estrella

Cable 2 hilos 167 Kbps Hasta 200m 32-62 Maestro/esclavo

Tabla 1.3 – Tabla comparativa de los principales buses de comunicaciones industriales


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1.7.1. AS-i (Actuator/Sensor Interface)

Este protocolo ha sido desarrollado por la firma Siemens y define la comunicación entre un dispositivo de control con los sensores y actuadores correspondientes. Se basa en un bus de dos hilos sin apantallar que puede tener una longitud máxima de 100 metros y que interconecta a una estación activa (maestro) y un máximo de 31 estaciones pasivas (esclavos), con un máximo de 124 actuadores/sensores binarios (máximo de 4 unidades binarias o 1 unidad digital más compleja por estación pasiva). La estación activa interroga a todas las estaciones pasivas sucesivamente y espera la respuesta. AS-i usa mensajes de longitud constante, evitando así el uso de complejos procedimientos para el control de la transmisión y cálculo de las longitudes de los mensajes y formato de los datos, consiguiendo de esta forma que una estación activa consulte a todas sus estaciones pasivas, y actualice los datos en un tiempo máximo de 5 milisegundos.

Los dispositivos necesarios para la puesta en marcha de este protocolo se encuentran disponibles en el Laboratorio de Tecnologías Industriales e Informática Industrial, por lo tanto es uno de los bus de campo utilizados en el proyecto.

1.7.2. P-Net

P-NET utiliza para la conexión física el estándar RS-485 con transmisión asíncrona a 76.800 bps. Es una norma multimaestro y multired, es decir, varios maestros pueden conectarse al mismo bus y varios buses pueden interconectarse formando una red mayor mediante pasarelas (gateways). La segmentación hace posible que cada segmento de bus tenga un tráfico local independiente, con lo que se incrementa el ancho de banda del sistema global. Hay 3 tipos de dispositivos que pueden ser conectados a una red P-NET: maestros, esclavos y pasarelas (gateways). Todas las comunicaciones están basadas en el principio de que un maestro envía una petición y la estación esclava devuelve una respuesta. Es un sistema muy robusto con respecto a los errores, realizándose continuamente un control de los mismos por parte de las estaciones esclavas, notificando al nodo principal si se produce un error.

1.7.3. PROFIBUS (PROcess FIeld BUS)

Es un bus a nivel de campo que está basado en el intercambio a gran velocidad de un volumen medio de información entre un controlador (que realiza las funciones de maestro) y diferentes controladores o periféricos, por lo general PLCs, módulos de E/S, variadores de velocidad, los cuales actúan como dispositivos esclavos. Todos estos dispositivos se encuentran distribuidos en el proceso conectados en una misma red.


1.7.4. HART (Highway Addressable Remote Transducer)

HART es un protocolo de comunicación digital que opera sobre un bucle de corriente convencional de 4-20 mA. Utiliza una onda senoidal de baja frecuencia como portadora analógica de la información digital, mediante modulación por desplazamiento de frecuencia (ingl. FSK: Frequency Shift Keying). Utiliza una frecuencia de 1.200 Hz para codificar un “1" y una frecuencia de 2.200 Hz para codificar un "0". Al tener su valor medio nulo, la señal modulada no afecta a la corriente del


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bucle. La velocidad de transferencia de este protocolo es de 1.200 bps y puede alcanzar distancias de 3.000 metros con el uso de cable de par trenzado apantallado.

El método de acceso al medio es un método de sondeo y selección principal-subordinado. Pueden existir hasta dos estaciones principales (primaria y secundaria).

1.7.5. Modbus

El bus se compone de una estación activa (maestra) y de varias estaciones pasivas (esclavas). La estación principal es la única que puede tomar la iniciativa de intercambio de información, no pudiendo las estaciones subordinadas comunicarse directamente. Existen dos mecanismos de intercambio:

Pregunta/respuesta: La estación principal transmite preguntas a una subordinada determinada, la que a su vez transmite una respuesta a la principal.

Difusión: La estación principal transmite un mensaje a todas las estaciones subordinadas del bus, que ejecutan la orden sin transmitir ninguna respuesta.

En una red Modbus existen una única estación principal y hasta 247 estaciones subordinadas (direcciones en el rango 1 a 247). Sólo la principal puede iniciar una transacción. Para comunicarse con las estaciones subordinadas, la principal envía unas tramas que llevan: la dirección del receptor, la función a realizar, los datos necesarios para realizar dicha función y un código de comprobación de errores. Cuando la trama llega a la estación subordinada direccionada, ésta lee el mensaje, y si no ha ocurrido ningún error realiza la tarea indicada. Entonces la subordinada envía una trama respuesta formada por: la dirección de la subordinada, la acción realizada, los datos adquiridos como resultado de la acción y un código de comprobación de errores. Si el mensaje enviado por la principal es de tipo difusión (broadcast), o sea, para todas las estaciones subordinadas (se indica con dirección 0), no se transmite ninguna respuesta. Si la estación receptora recibe un mensaje con algún error, contesta a la principal con un código de error.

1.7.6. Interbus

Interbus trabaja con un sistema de acceso Maestro-Esclavo, siendo topológicamente un sistema en anillo donde el conductor de datos de ida y de retorno dentro de un cable que pasa por todos los nodos. En el anillo que parte del principal pueden conectarse subsistemas en anillo subordinados para estructurar el sistema completo. Un sistema subordinado puede tener carácter local (bus periférico) que sirve para formar grupos de estradas/salidas locales dentro de un armario, o puede ser un sistema que acople participantes descentralizados a lo largo de distancias grandes. El nivel físico se realiza con el estándar RS-485, utilizando cables de par trenzado y que utilizan 5 hilos, debido a la estructura del anillo y a la conducción adicional de una tierra lógica. El empleo de la estructura en anillo aporta dos ventajas determinantes para el sistema: por un lado, ofrece la posibilidad de emisión y recepción simultánea de datos (full dúplex) y, por otro lado, en un sistema en anillo se puede conseguir un mejoramiento del diagnóstico propio del sistema, ya que un sistema en anillo con acoplamiento activo de nodos permite una segmentación de la instalación en sistemas parciales eléctricamente independientes, pudiendo así detectar el punto de un fallo.

La transferencia de datos a los nodos individuales no se efectúa a través de una dirección de bus como sucede en otros sistemas, sino a través de la posición física que tiene en el sistema en anillo.


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Adicionalmente a este direccionamiento automático físico de los participantes en el bus, puede efectuarse en el principal del bus un direccionamiento lógico de elección libre mediante la elaboración de una lista de asignación de direcciones. Así, las direcciones de estaciones utilizadas por el programa de aplicación son independientes de su posición física, y es posible retirar y añadir nodos en el anillo sin problemas y sin modificar el direccionamiento.

1.7.7. CAN (Controller Area Network)

Es un protocolo serie de comunicaciones que soporta control distribuido en tiempo real con un gran nivel de seguridad. Fue desarrollado por la firma Bosch en 1985, y soportado desde 1992 por la organización CiA (CAN in Automation). Se recoge como norma en la ISO 11898/11519 y su principal aplicación reside en la industria del automóvil, donde las unidades de control, sensores, sistemas antideslizamiento y otros sistemas a bordo de los automóviles se conectan usando un bus CAN a velocidades de hasta 1 Mbps. También se lo usa en la electrónica del automóvil, como por ejemplo en los grupos de luces y en las ventanas eléctricas, evitando así un aumento innecesario del cableado.

1.7.8. DeviceNet

El protocolo DeviceNet es un estándar abierto que permite una solución de red económica al nivel de dispositivo. Está basado en la experimentada tecnología de red CAN.

El protocolo DeviceNet contempla comunicaciones entre estaciones con la misma funcionalidad (peer-to-peer) y comunicaciones activa-pasiva (maestro-esclavo). Puede funcionar a tres velocidades distintas: 125 Kbps (longitud máxima: 500 metros), 250 Kbps (longitud máxima 250: metros), y 500 Kbps (longitud máxima 100: metros). La topología es la de un bus lineal, transportando por el mismo cable de red los datos y la alimentación de los dispositivos. La longitud máxima de datos en una trama es de 8 octetos. El máximo número de nodos permitidos es de 64.

1.7.9. Ethernet Industrial

Ethernet es el estándar de comunicación más utilizado en el mundo informático, las tendencias actuales a nivel industrial es usar Ethernet y los beneficios de las tecnologías informáticas que este ofrece en todos los niveles de la automatización industrial.

Con la finalidad de aprovechar y unificar la infraestructura de la red Ethernet ya existente, se ha desarrollado una nueva generación de buses de campo. Estos buses se basan en la red Ethernet, sobre la que se implementan comunicaciones en tiempo real.

Profinet es un estándar abierto y no propietario basado en Ethernet que combina los estrictos requerimientos de las aplicaciones industriales para control de movimiento con las ventajas que se tiene en la comunicación del mundo de oficina. Profinet permite automatización en tiempo real al mismo tiempo que proporciona una interface directa al nivel de gerencia u oficina.



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2. REDES DE COMUNICACIÓN INDUSTRIALES UTILIZADAS EN EL PROYECTO

2.1. AS-i (Interface Actuador/Sensor)

2.1.1. Introducción

El bus AS-i (AS-Interface o Interfaz de Actuador/Sensor) fue creado en el año 1994 como una alternativa económica al cableado tradicional, para la sustitución de la gran cantidad de señales provenientes de los sensores y dirigidos hacia los actuadores desde el controlador.

El objetivo fundamental fue determinar un sistema de comunicación único para todos los fabricantes de sensores y actuadores.

La idea original fue crear una red simple para sensores y actuadores binarios, capaz de transmitir datos y alimentación a través del mismo bus, manteniendo una gran variedad de topologías que faciliten la instalación de los sensores y actuadores en cualquier punto del proceso con el menor esfuerzo posible y que cumpliera con las normativas de seguridad. Desde entonces, el concepto AS-i se ha extendido considerablemente y las especificaciones iniciales se han revisado para adaptar el bus a las nuevas circunstancias y necesidades del mercado.

El bus AS-i es un sistema de enlace para el nivel más bajo de procesos en instalaciones de automatización.

Figura 2.1 – Pirámide de niveles de automatización

Los lazos de cables utilizados hasta ahora en este nivel son reemplazados por un único cable eléctrico: el cable AS-i. Por medio del cable AS-i y del maestro AS-i se acoplan sensores y actuadores binarios de la categoría más simple a las unidades de control a través de módulos AS-i en el nivel de campo.

El bus AS-i es una red estándar de mercado, robusta y suficientemente flexible, que cumple con todos los requerimientos para un bus de comunicación industrial.


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2.1.2. Características fundamentales

AS-i es apropiado para la conexión de actuadores y sensores binarios. A través del cable AS-i tienen lugar tanto el intercambio de datos entre sensores/actuadores (esclavos AS-i) y el maestro AS-i como la alimentación eléctrica de los sensores y los actuadores.

Cableado sencillo y económico; montaje fácil con técnica de perforación de aislamiento (tipo vampiro); posee gran flexibilidad gracias al cableado tipo árbol.

Reacción rápida: el maestro AS-i necesita como máximo 5 ms para el intercambio de datos cíclico con hasta 31 estaciones conectadas.

Las estaciones (esclavos AS-i) conectadas al cable AS-i pueden ser sensores/actuadores con conexión AS-i integrada o módulos AS-i, a cada uno de los cuales se pueden conectar hasta ocho sensores/actuadores binarios convencionales.

Con módulos AS-i estándar pueden funcionar hasta 124 actuadores y 124 sensores conectados al cable AS-i.

Si se utilizan módulos AS-i con un espacio de direcciones ampliado, es posible la operación de hasta 186 actuadores y 248 sensores con un maestro extendido.

Maestros AS-i de SIMATIC NET extendidos soportan una posibilidad de acceso especialmente sencilla a sensores/actuadores analógicos.

2.1.3. Principales datos técnicos

A continuación se muestra una tabla con los principales datos técnicos de este tipo de red de comunicación

Método de acceso Maestro-Esclavo

Tiempo de ciclo Máximo 5/10 ms (31/62 esclavos)

Medio de transmisión Cable a 2 hilos sin pantalla y con protección contra cambio de polaridad. Datos y energía por el mismo cable.

Número máximo de esclavos 62 esclavos (248 bits de Entradas, 186 bits de Salida con 62 esclavos)

Extensión de la red Máximo 300 metros de red (Con repetidor)

Topología Línea, árbol y estrella

Protocolo Según AS-Interface

Aplicación Comunicación a nivel de proceso o campo

Tabla 2.1 – Principales características del protocolo AS-i

Básicamente se conocen dos versiones operativas de AS-i, que son las versiones 2.0 y 2.1. Existen algunas diferencias entre ellas, aunque son totalmente compatibles. La principal diferencia es la ampliación de 31 a 62 esclavos que puede controlar un maestro AS-i.

En la versión 2.0 tan solo existe un tipo de esclavo con una cantidad de direcciones unívocas, y cada esclavo puede contener como máximo 4 entradas + 4 salidas. Esto significa que un maestro AS-i versión 2.0 puede controlar una red formada como máximo por 31 esclavos (direcciones 1 a


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31), con un total de 124 señales de entrada + 124 señales de salidas. A estos esclavos se los denomina esclavos “únicos”.

Figura 2.2 – Esquema esclavo AS-i versión 2.0

En la versión 2.1 pueden existir dos tipos de esclavos con las mismas direcciones, que se diferencian porque uno será esclavo “A” y otro que será esclavo “B”. Cada esclavo puede contener como máximo 4 señales de entrada + 3 señales de salida.

Por lo tanto, un maestro AS-i versión 2.1 podrá controlar una red formada como máximo por 62 esclavos (dirección 1A a 31A y 1B a 31B) con un total de 248 señales de entrada + 186 señales de salida.

Figura 2.3 – Esquema esclavo AS-i versión 2.1

Ambas versiones son compatibles entre sí: esclavos versión 2.0 se pueden conectar a una red en donde el maestro es versión 2.1; ó bien, puede haber esclavos versión 2.1 conectados a una red controlado por un maestro versión 2.0. En el segundo último caso el maestro no entiende de esclavos “A” ni “B”, por lo que esta ventaja se pierde.

En cualquier caso no puede haber en una misma red un esclavo único con la dirección “X” y otro esclavo A o B con la misma dirección “X”.


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En la tabla siguiente se comparan las dos versiones de AS-i.

Versión 2.0 Versión 2.1

N° de esclavos Máximo: 31 esclavos Máximo: 62 esclavos

N° máximo de E/S 124E + 124S 248E + 186S

Tipo de transmisión Datos + energía hasta 8 A Datos + energía hasta 8 A

Medio físico Doble cable sin apantallar 2 x 1.5 mm2 Doble cable sin apantallar 2 x 1.5 mm2

Máx. tiempo de ciclo AS-i 5 ms 10 ms

Gestión datos analógicos Con bloques de función FC’s Integrada en la CP Maestra

N° de datos analógicos 16 bytes para datos digitales y analógicos

124 datos analógico posibles

Método de acceso Maestro / esclavo Maestro / esclavo

Máxima longitud de cable 100 m, extensión con repetidores hasta 300 m

100 m, extensión con repetidores hasta 300 m

Tabla 2.2 – Comparación de ambas versiones de AS-i

2.1.4. Ciclo de lectura y escritura en los esclavos

El sistema de acceso al medio está basado en un sistema maestro-esclavo, en el que el ciclo lectura/escritura sobre los esclavos en una red AS-i está basada en un sistema conocido como “polling”, donde el maestro en primer lugar realiza una llamada a todos y cada uno de los esclavos tipo “A” o únicos, en donde copia el estado de sus entradas y les fuerza las salidas al estado indicado por el programa en cada momento, desde el esclavo 1 o 1A hasta el esclavo 31 o 31A uno tras otro y en ese orden. Una vez finalizado, inicia el mismo proceso pero con los esclavos tipo “B”, desde el 1B al 31B.

Figura 2.4 – Esquema Polling esclavos AS-i

Por ser determinista, el sistema nos asegura que en 5 ms ha realizado la actualización de datos en los 31 esclavos tipo “A” y únicos, y en otros 5 ms asegura la actualización de datos en los 31 esclavos tipo “B”, lo que indica que si tenemos los 62 esclavos conectados en la misma red, el maestro AS-i habrá actualizado los datos en un tiempo máximo de 10ms.


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La estructura del sistema está formada por un autómata programable que integra la CPU y el maestro AS-i. De éste parte la red AS-i donde se conectan los diferentes esclavos.

El maestro AS-i dispone de su propio procesador: éste realiza la función de actualizar todos los datos de los esclavos conectados en la red y guardarlos en su propia memoria no volátil. Por tanto, leerá el estado de la señal de entrada de cada esclavo y las copiará en su memoria, como así también asignará a cada salida de cada esclavo el estado que esté registrado en su memoria.

Figura 2.5 – Esquema básico PLC, maestro AS-i y sus esclavos

La CPU deberá realizar el traslado de los datos del estado actual de las entradas, así como del estado en que se deseen poner las salidas de cada uno de los esclavos conectados en la red.

Para ello se deberá asignar un espacio en la memoria de datos del PLC. Puede ser el área de marcas (M), aunque lo más común es reservar un área de bloque de datos (DB). Por tanto, el programa del PLC, en primer lugar copiará los datos registrados en la memoria no volátil del maestro AS-i que corresponden al estado de las entradas de cada uno de los esclavos, y a continuación ya podrá hacer uso de estos datos realizando el programa correspondiente a la aplicación, y por último enviará los datos que corresponden al estado en que se desea que estén las salidas de los esclavos al maestro AS-i.

Mientras la CPU del PLC realiza su scan, la CPU maestra de AS-i realiza su propio scan sobre los esclavos configurados y conectados al bus. De esta forma los datos del estado en el que se encuentran las señales de entrada y salida de cada uno de los esclavos estarán totalmente actualizados para que la CPU, cuando lo crea necesario, haga uso de los mismos.


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2.1.5. Transmisión de datos

En la ilustración siguiente se representan los campos de datos y las listas en la estructura del sistema.

Figura 2.6 – Esquema de estructuras de Maestro AS-i

En el maestro AS-i deben distinguirse las siguientes estructuras:

a) Representadores de datos: se trata de información almacenada en forma volátil:

Datos de E/S: son los datos de entrada y salida de los procesos.

Parámetros reales: son una representación de los parámetros que se encuentran actualmente en el esclavo AS-i.

Datos de configuración reales: se registran las configuraciones de E/S y los códigos de identificación de todos los esclavos AS-i conectados, una vez que tales datos han sido leídos de los esclavos AS-i.

Lista de los esclavos AS-i identificados (LDS): indica qué esclavos AS-i se han identificado en el bus AS-i.

Lista de los esclavos AS-i activados (LAS): indica qué esclavos AS-i han sido activados por el maestro AS-i. El intercambio de datos de E/S sólo tiene lugar con los esclavos AS-i activados.

b) Datos de configuración proyectables: se trata de datos almacenados en forma no volátil (por ejemplo en EEPROM) que están disponibles sin alteración, incluso después de un fallo del suministro eléctrico:

Datos de configuración nominales: son valores comparativos proyectables que permiten verificar los datos de configuración de los esclavos AS-i reconocidos.

Lista de esclavos AS-i configurados (LPS): con esta lista se especifican los esclavos AS-i que el maestro AS-i espera encontrar en el cable AS-i. El maestro AS-i comprueba continuamente si existen todos los esclavos AS-i indicados en la lista LPS y si sus datos de configuración coinciden con los prescritos como nominales.


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En el esclavo AS-i deben distinguirse:

Datos de E/S

Datos de configuración: contienen la configuración de E/S y los códigos de identificación (ID-codes) del esclavo AS-i.

Dirección: los esclavos AS-i se suministran con la dirección ‘0’. Para que sea posible el intercambio de datos se tienen que programar los esclavos AS-i con una dirección distinta de ‘0’. La dirección ‘0’ queda reservada para funciones especiales.

2.1.6. Las fases operativas

En el siguiente diagrama se presentan las distintas fases operativas.

Figura 2.7 – Diagrama de fases dispositivo AS-i.


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2.1.6.1. Modo de inicialización

La inicialización, denominada también “fase off line”, establece el estado básico del maestro. Este estado tiene lugar tras la conexión de la tensión de alimentación, o en caso de re-arranque durante el funcionamiento. Durante la inicialización se ponen a valor “0” (inactivo) los lugares de memoria interna de todas las entradas de esclavos y los datos de salida desde el punto de vista de la aplicación.

Tras la conexión de la tensión de alimentación se copian los parámetros configurados al campo de parámetros, de manera que la siguiente activación se pueda efectuar con los parámetros preajustados. Si el maestro AS-i se reinicializa durante su funcionamiento, se conservan los datos del campo de parámetros, que eventualmente pueden haber cambiado durante su operación normal.

2.1.6.2. Fase de arranque

Fase de identificación: identificación de esclavos AS-i en la fase de arranque. Durante el arranque o después de un reset, el maestro AS-i pasa por una fase en la que se reconoce qué esclavos AS-i están conectados al cable AS-i y de qué ”clase” son estos esclavos. La “clase” de los esclavos está fijada por los datos de configuración, que se graban en forma permanente en el esclavo AS-i durante su fabricación y que pueden ser consultados por el maestro. Los archivos de configuración contienen el mapeo de E/S de un esclavo AS-i y el tipo del esclavo (ID-Codes). Los esclavos identificados son inscritos por el maestro en la lista de esclavos identificados (LDS).

Fase de activación: durante esta fase se realiza la activación de los esclavos AS-i. Tras su identificación, los esclavos AS-i se activan, para lo cual el maestro les envía una llamada especial. En la activación de los distintos esclavos se distinguen dos modos del maestro AS-i:

– Maestro en el modo de configuración: se activan todos los esclavos identificados (a excepción del esclavo con la dirección”0”). En este modo se tiene la posibilidad de leer valores reales y archivarlos para una configuración.

– Maestro en el modo protegido: sólo se activan los esclavos que se ajustan a la configuración nominal (”proyectada”) almacenada en el maestro AS-i. Si la configuración real encontrada en el cable AS difiere de esta configuración nominal, esto es indicado por el maestro AS-i.

El maestro inscribe los esclavos AS-i activados en la lista de esclavos activados (LAS).

2.1.6.3. Modo normal

Una vez terminada la fase de arranque, el maestro AS-i conmuta al modo normal.

Fase de intercambio de datos: en el modo normal, el maestro envía cíclicamente datos (datos de salida o S) a los distintos esclavos AS-i y recibe sus telegramas de confirmación (datos de entrada o E). Si se detecta un error durante la transmisión, el maestro repite la llamada correspondiente.

Fase de gestión: en esta fase se procesan y envían eventuales peticiones de la aplicación de control supervisora. Por ejemplo, son posibles las siguientes peticiones:


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– Transmisión de parámetros: se transmiten a un esclavo cuatro bits de parámetros (tres bits en caso de esclavos AS-i con direcciones extendidas), utilizables por ejemplo para un ajuste de valor de umbral.

– Modificación de direcciones de esclavos: esta función permite modificar la dirección del esclavo AS-i desde el maestro, en caso de que dicha función sea soportada por el esclavo.

Fase de registro: en esta fase se incluyen en la lista de esclavos AS-i identificados nuevos esclavos AS-i agregados. Si el maestro se encuentra en la fase de configuración, se activan también estos esclavos (a excepción del esclavo con la dirección “0”). Si el maestro se encuentra en el modo protegido, sólo se activan los esclavos que se ajustan a la configuración nominal almacenada (”proyectada”) en el maestro AS-i. Con este mecanismo se registran también de nuevo esclavos que hayan fallado temporalmente.

2.1.7. Formato de los mensajes AS-i

El proceso de comunicación se lleva a cabo mediante el intercambio de información entre el procesador de comunicaciones principal y cada uno de los subordinados a través de mensajes con la siguiente estructura:

Figura 2.8 – Trama de mensaje enviado por maestro AS-i

La unidad de tiempo para el envío de un bit de información es de 6 µs. Por lo tanto, el tiempo dedicado por lo general a una transacción de información con un módulo subordinado del sistema es de:

En caso de que el maestro posea el máximo de 32 esclavos, nos da un tiempo promedio para escanear a todos los esclavos de la red de aproximadamente 5 ms.

A continuación se listan las diferentes órdenes que cumplen este tipo de formato dentro del protocolo AS-i:

Intercambio de datos (“Data Exchange”)

Escritura de parámetros (“Write Parameter”)

Asignación de dirección (“Assign Address”)

Supresión de dirección (“Delete Address” )

Inicialización (“Reset”)

Lectura de la configuración de E/S (“Read I/O Configuration”)

Lectura del código de identificación (“Read ID Code”)

Lectura de estado (“Read Status”)

Lectura y puesta a cero del estado (“Read and Reset Status”)


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2.2. Profibus (PROcess Field BUS)


Es un bus a nivel de campo que está basado en el intercambio a gran velocidad de un volumen medio de información entre un controlador, que realiza las funciones de maestro y diferentes controladores o periféricos, por lo general PLCs, módulos de E/S, variadores de velocidad, que actúan como dispositivos esclavos. Todos estos dispositivos se encuentran distribuidos en el proceso conectados en una misma red.

2.2.2. Características generales

Este bus se basa en la comunicación controlada entre dispositivos maestros y esclavos distribuidos en una red. De manera particular, estos dispositivos se definen como:

Dispositivos maestros (Master Devices): son estaciones activas entre las cuales rota un permiso de acceso y control (token) que les permite enviar mensajes sin necesidad de petición.

Dispositivos esclavos (Slave Devices): son los periféricos asignados a los maestros. Consisten en una serie de dispositivos lo suficientemente inteligentes como para seguir las normas del protocolo, entre los que podemos encontrar: sensores, actuadores tipo relé, convertidores de frecuencia, electroválvulas, etc. Su papel es pasivo, pudiendo sólo transmitir cuando se les ha realizado una petición previa. Suelen ocupar poco tiempo de comunicación, pero pueden ser muy numerosos.

Los datos que se desplazan por el canal físico son de 5 tipos diferentes:

Datos de entrada y de salida al proceso

Datos funciones de diagnóstico y verificación

Datos de configuración de dispositivos

Datos de programas entre los controladores

Datos de parámetros de control

2.2.3. Características principales

Las principales características de Profibus son:

Bus Abierto: Profibus no pertenece a ninguna compañía. Está controlado por un comité de estandarización, por lo que permite la comunicación entre equipos de diferentes marcas sin la necesidad de una pasarela de protocolo.

Independiente de fabricantes: los equipos para Profibus son ofrecidos por muchos vendedores, los cuales deben estar certificados.

Transmisión digital: la comunicación bidireccional entre sistemas de control de procesos y dispositivos de campo se soporta a través de un par trenzado, de forma habitual.

Exactitud: gracias al reconocimiento de comandos y mensajes, Profibus es un sistema de comunicación altamente seguro puesto que los mensajes defectuosos son repetidos hasta que se envía la confirmación de recepción.

Multi-funcional: Profibus se adapta a todas las tareas de automatización, permitiendo el intercambio de datos tanto entre controladores como entre elementos de campo.


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Capacidad de diagnóstico: el estándar Profibus define múltiples formas de diagnósticos entre el sistema de control de procesos y los dispositivos de campo.

Expansión del sistema: se puede incorporar un equipo adicional al bus en cualquier momento, sin necesidad de reformar la estructura existente, incluso sin interferir la comunicación existente.

Bajo costo: reduce el cableado y simplifica en consecuencia los planos de los mismos.

2.2.4. Perfiles Profibus

A continuación se describen los tres perfiles compatibles que ofrece Profibus.

2.2.4.1. Profibus-DP (Descentralized Periphery – Periferia Descentralizada)

Utilizado en control distribuido. Diseñado para la comunicación entre sistemas de control automático, entradas y salidas distribuidas o remotas en campo. Ofrece la funcionalidad de intercambiar datos de forma rápida y cíclica. Su principal ventaja es que es plug-and-play, en cuanto a que se permite la identificación automática de los dispositivos.

2.2.4.2. Profibus-PA (Processs Automation – Automatización de Procesos)

Permite que tanto sensores como actuadores sean conectados directamente en una línea de bus. Su aplicación está definida en procesos situados en áreas de seguridad intrínseca, denominadas “Ex”, por lo tanto todos los sus componentes deben estar bajo estándares internacionales (IEC 1158-2), especialmente indicado para las industrias petroleras y químicas (ambientes con riesgo de explosión).

2.2.4.3. Profibus-FMS (Field Message Specification - Especificación de los mensajes en el bus de campo)

Se trata de una serie de tareas de comunicación, de propósito general, en el nivel de comunicaciones de célula. Es el más alto nivel de comunicaciones que aborda este bus, y permite la coordinación de gran cantidad de aplicaciones de comunicación: buses de ordenadores industriales, robots, etc.. En FMS se realiza la comunicación entre los dispositivos principales.

2.2.5. Profibus y el Modelo ISO OSI

En este buse de campo los tres niveles imprescindibles son:

Nivel Físico (Nivel 1), donde se especifican las condiciones físicas de la red o bus: niveles de tensión y de corriente, tipo de cable y conectores, codificación de tramas de datos. En DP y FMS se utiliza la interfaz RS-485 y/o dispositivos de fibra óptica, mientras que en Profibus PA se utilizan elementos especiales bajo norma IEC 1158-2, debido a que los mismos son diseñados para entornos de seguridad intrínsecas.

Nivel de enlace de datos (Nivel 2), en el que se definen los mecanismos de acceso y turnos al medio de transmisión, el direccionamiento de las estaciones de origen y destino de datos, verificación de errores de datos, y verificación de las tramas. En este nivel FMS utiliza el protocolo FDL (Fieldbus Data Link = nivel de interfaz del bus de campo).


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Nivel de aplicación (Nivel 3), en donde se realizan las aplicaciones que permiten a los usuarios entrar en los sistemas de comunicaciones. Así se definen las funciones de las aplicaciones que utilizarán para realizar los mensajes entre los dispositivos del bus, la comunicación entre sistemas de automatización y dispositivos de campo. Así FMS contiene el protocolo de aplicaciones, y ofrece al usuario de un grupo de servicios de comunicación amplio y potente. Mediante el protocolo LLI (Lower Layer Interface = interfaz para el nivel inferior), permite a las aplicaciones acceder al nivel de enlace FDL (Fieldbus Data Link) del nivel de enlace de datos.

En Profibus-DP, el acceso al nivel 2 (enlace de datos) se realiza desde el nivel de usuario por medio de DDLM (Direct Data Link Mapper = enlace de datos por direccionamiento inmediato). Además, utiliza el protocolo Fieldbus Data Link (FDL). En este nivel, los PLCs utilizan las instrucciones SEND (envío de datos) y RECEIVE (lectura de datos recibidos).

2.2.6. Medios físicos de trasmisión de datos

2.2.6.1. RS-485

La transmisión RS-485 es la tecnología de transmisión más utilizada en Profibus. Sobre una línea de transmisión equilibrada, se utiliza codificación NRZ (Non Return to Zero).

Se utilizan acopladores de línea de bajo costo, que pueden aislar galvánicamente, o no, la estación de la línea. Igualmente se requieren terminadores de línea, sobre todo para las velocidades de transmisión más elevadas.

Principales características:

Topología: bus lineal, con distintos segmentos y terminadores activos en ambos extremos. La red también se puede configurar en árbol: las ramas derivadas sólo se permiten para velocidades de transmisión menores a 1.5 Mbps. Por medio de repetidores se pueden conseguir diferentes segmentos del bus.

Cable: par trenzado apantallado, de cobre con diferentes recubrimientos según el ambiente.

Cantidad de estaciones: máximo de 32 estaciones sin repetidores; mediante el uso de repetidores, el número máximo de estaciones puede extenderse a 127.

Velocidad de transmisión: entre 9,6 Kbps y 12 Mbps, según la longitud de la red. Dado que la velocidad es única en el bus, la suele marcar un dispositivo principal, y el resto se debe configurar a la misma.

Distancia de transmisión sin repetidor: hasta 1200 m @ 9,6 Kbps, y sólo 400 m @ 500 Kbps (velocidad usual).

2.2.6.1.1 Conector de Bus

Cada estación está conectada con el medio a través de un conector del tipo DB9. La hembra del conector se encuentra en la estación, mientras que el macho del conector se encuentra montado en el cable del bus.

La conexión entre varias estaciones se realiza mediante conectores en T, los cuales poseen tres conectores D-Sub, dos de ellos machos y uno hembra. Estos tipos de conectores permiten la desconexión de la red o el reemplazo de estaciones sin necesidad de cortar el cable e interrumpir el funcionamiento del bus.


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Tabla 2.3 – Pin-out conector Profibus

La tensión de salida de 24v permite la conexión de paneles de operador o de dispositivos de servicio sin fuente de alimentación integrada

2.2.6.1.2 Cable de bus

Es un cable de par trenzado blindado: el blindaje ayuda a mejorar la compatibilidad electromagnética. Un cable compuesto de un par trenzado sin blindaje sólo puede utilizarse en un medio con muy bajas interferencias electromagnéticas, cosa poco frecuente en los ambientes industriales.

La impedancia característica del cable está comprendida en el rango de 100 a 220 la capacidad del cable (conductor - conductor) debe ser < 60 pF/m, y la sección transversal del cable debe ser mayor o igual a 0,22 mm2 (24 AWG). Dichas características se encuentran bajo el estándar RS-485.

Existen dos tipos de cables con las siguientes características:

Tabla 2.4 – Especificaciones según el tipo de cables

N° Pin Nombre de la señal Significado

1 Blindaje Conexión a tierra

2 M24 Conexión a tierra para alimentación de 24 V

3 Rxd/TxD-P Línea de Datos (+) (B-Line)

4 CNTR-P Control de dirección de repetidor

5 DGND Conexión a tierra de datos

6 VP Alimentación +5 V para terminación de red

7 P24 Alimentación de +24 V

8 RxD/TxD-N Línea de Datos (-) (A-Line)

9 CNTR-N Control de dirección de repetidor

Carcasa Blindaje Conexión a tierra

Parámetro de cable Cable Tipo A Cable Tipo B

Impedancia característica 135 a 165

(frecuencia: de 3 a 20 MHz)

100 a 130

(frecuencia: > 100 KHz)

Capacidad < 30 pF/m < 60 pF/m

Resistencia de conductor < 110 /Km < 110 /Km

Área de conductor > 0,34 mm2 (22 AWG) > 0,22 mm2 (24 AWG)


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La siguiente tabla muestra la longitud máxima de los cables de tipo A y B para las diferentes velocidades de transmisión.

Tabla 2.5 – Longitudes máximas de cables para diferentes velocidades de transmisión

2.2.6.1.3 Puesta a tierra, blindaje

Si se utiliza un cable de par trenzado, es recomendable conectar el blindaje de protección a tierra en ambos extremos del cable con una conexión de baja impedancia. Esto es necesario para lograr una buena compatibilidad electromagnética.

Preferentemente, la conexión entre el blindaje del cable y la conexión de tierra debes realizarse mediante las carcasas de los conectores sub-D. Si no es posible realizar dicha conexión, puede establecerse a través del pin 1 del conector sub-D.

2.2.6.1.4 Terminador de bus

En ambos tipos de cables, se necesita una resistencia de terminación: la misma está definida bajo los estándares de RS-485, y debe complementarse con una resistencia de pull-down (Rd), conectada a la tierra de datos (DGND) y una resistencia de pull-up (Ru), conectada al terminal VP.

Dichas resistencias fuerzan la tensión a modo diferencial cuando ninguna de las estaciones de la red está transmitiendo, es decir, durante los períodos de inactividad de la red.

Cada estación destinada a terminar la línea del bus, generará la tensión VP de +5 V, disponible en el pin 6 de los conectores del bus.

Figura 2.9 – Resistencia de terminación de red

Velocidad de transmisión (Kbit/seg) 9.6 19,2 93,75 187,5 500 1500

Cable tipo A (longitud en m) 1200 1200 1200 1000 400 200

Cable tipo B (longitud en m) 1200 1200 1200 600 200 70


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Los valores de las resistencias de terminación con los siguientes:

Rt = 220 ± 2%, 1/4 W (mín.)

Ru = Rd = 390 ± 2%, 1/4 W (mín.)

2.2.6.2. Fibra óptica

La solución a través de fibra óptica responde a la necesidad de utilizar una red Profibus en ambientes industriales muy afectados por interferencias electromagnéticas, importantes diferencias de potenciales, largas distancias entre nodos, redundancia física y altas velocidades de transmisión. Las características generales de las redes ópticas en Profibus-DP son:

Topología: bus lineal, anillo y estrella.

Cable: fibra óptica de plástico, para la longitud de onda de 660 nm. Para fibras de vidrio pueden emplearse para longitudes de onda de 800 a 1500 nm.

Distancia de transmisión: puede alcanzar hasta 10 y 15 Km.

Número de estaciones: máximo = 127.

Por lo general, los dispositivos de enlace óptico incorporan funcionalidades como la detección del estado de enlace, sincronización a la velocidad de transmisión del enlace, funciones de repetidor de señal óptica, etc. Dispositivos de este tipo permiten salvar distancia de hasta 300 m, sin repetidores y a velocidades de transmisión superiores a 1 Mbps.

2.2.7. Coordinación de datos

El intercambio de información se lleva a cabo en el nivel 2 del modelo ISO OSI, por medio del enlace de datos del bus de campo. A continuación se definen diferentes protocolos y funcionalidades:

2.2.8. Control de Acceso al Medio (MAC) en Profibus

Cada estación principal tiene la misma oportunidad de acceso al medio, en lo que respecta a turno y tiempo de posesión del mismo. De esta manera podrá ejecutar todas las tareas que se le asignan. El acceso al medio se efectúa por medio de un testigo, asignándose a cada estación maestra un turno para el acceso: dicho acceso tiene un tiempo máximo para cada estación.

La transmisión entre las estaciones activas y estaciones pasivas (ó secundarias) se realiza de forma cíclica o en tiempo real, tan rápido como sea posible.

Todos los elementos conectados al bus, ya sean esclavos o maestros, tendrán una dirección de estación que los identifica, necesaria para el envío y recepción de mensajes.

Sobre un mismo cable se realizan dos tipos de coordinación de la información:

1) El primer tipo es la coordinación por medio de un token ó testigo: se trata de un bus por el que circula el testigo, el mismo está compuesto básicamente por los siguientes campos de forma general:

Figura 2.10 – Trama general de testigo


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Este método de solicitud de acceso al bus necesita que cada estación conozca la dirección de las estaciones anterior y posterior, respecto al sentido de circulación del testigo. La dirección de la estación de la que se recibe y la dirección de la estación a la que se transmite se debe establecer al configurar la red. De esta forma se independiza la topología física de la lógica. La disposición física de las estaciones conectadas al bus es independiente del orden lógico en el que se transmite el testigo. Una estación está encargada de iniciar el testigo, y el orden o secuencia de posesión del mismo está dado por la configuración lógica de las estaciones. Así, aunque las estaciones estén conectadas en bus, la posesión del medio se pasa de una a otra según una lista predeterminada.

Como muestra la figura precedente, el testigo se compone de diversos campos. Cada estación maestra recepciona los mensajes testigos, observa el campo de dirección y actúa en consecuencia:

Si no está destinado a ella misma, retransmite el testigo a la siguiente estación.

Si el testigo está libre, significa que se puede transmitir y enviar datos. Como el testigo incluye el campo de dirección de destino, los datos tienen un destinatario explícito. Así, las estaciones no destinatarias actúan como repetidoras al observar que el mensaje no va enviado a ellas.

Si el testigo vuelve con la dirección de la propia estación y con el campo de aceptación modificado, el dato ha sido recibido sin errores en la estación de destino. En este caso el testigo debe ser liberado, ya que el mismo fue modificado por la estación de destino. Es la estación transmisora la que libera el testigo, cuando éste ha realizado una rotación, pasando por el destinatario.

Las estaciones que no precisan transmitir quedan a la escucha, permitiendo que circule el testigo. Existe un tiempo límite de posesión del testigo para las estaciones. Así, si se supera dicho tiempo, el testigo es liberado por la siguiente estación a la que llega. Este tiempo puede ser un campo de la trama que se modifica cada vez que se retransmite por una estación. Además permite la implantación de esquemas de prioridades.

Figura 2.11 – Acceso al medio Profibus-DP


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2) El otro mecanismo de coordinación de información es el que se establece entre estaciones maestras y esclavas. El procedimiento de comunicación permite a las estaciones maestras enviar mensajes y leer mensajes de las estaciones esclavas. Sólo la estación maestra que tenga el acceso (posesión del token) podrá comunicarse con sus estaciones esclavas. El bus DP puede estar compuesto de uno o varios maestros, así como de uno a varios esclavos.

Los servicios con seguridad en los datos se listan a continuación:

SDA: envía datos con reconocimiento (ACK)

SRD: envía y solicita datos con respuesta.

SDN: envía datos sin reconocimiento (NACK)

CSRD: envío y petición de ciclos de datos con respuesta

2.2.9. Trama de datos

Como organización de la trama, se utiliza transmisión con delimitadores de comienzo y final, sincronización para cada octeto, con un bit de paridad. En la siguiente imagen vemos el datagrama básico de la comunicación:

Figura 2.12 – Formato trama general Profibus

Detalle de los campos de la trama:

SYN: período de sincronización

SD2: indicador de inicio

LE: cantidad de octetos

LEr: repetidor de cantidad de octetos

DA: dirección de destino


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SA: dirección fuente

FC: trama (frame) de control

DATA_UNIT: campo de datos

FCS: trama de chequeo de secuencia

ED: fin de trama

La comunicación es orientada a la conexión, ofreciendo:

Mensajes de difusión: mensajes a todas las estaciones activas, que no requieren reconocimiento.

Mensajes multicast: mensajes de estaciones activas a un grupo determinado de estaciones activas y pasivas.

Los tipos de comunicación que se pueden obtener son:

Punto a punto: transmisión de datos desde el nivel de usuario

Multicast: mensajes desde estaciones maestras

Transmisión de datos entre estaciones maestras

Transmisión de datos cíclica entre estaciones maestras y estaciones esclavas

Con respecto a la velocidad del bus, éste requiere cumplir con un tiempo mínimo para realizar la comunicación entre estaciones maestras y estaciones esclavas.

En caso de tener una configuración de red, en la cual solo existe un maestro y hasta 30 estaciones esclavas, se presenta una tabla comparativa de los tiempos de ciclo de bus medidos sobre 2 bytes de entrada y otros 2 bytes de salida en cada estación esclava.

Tabla 2.6 – Tiempos (ms) de ciclo en función de la velocidad de transmisión y número de estaciones

2.2.10. Profibus-DP (Perifería Desentralizada)

Profibus-DP es el perfil más utilizado para solucionar las necesidades de interconexión de los perfiles Profibus posibles. Está optimizado en velocidad, eficiencia y bajos costos de conexión, orientado especialmente para la comunicación entre sistemas automáticos y los periféricos distribuidos en el nivel de campo.

Cuando se selecciona un medio de transmisión se debe considerar la distancia entre estaciones, la velocidad de transmisión y los requerimientos del sistema a automatizar, tales como la operatividad en áreas peligrosas y la transmisión en un único cable de los datos y la energía.

Velocidad de transmisión Número de estaciones esclavos

5 10 15 20 25

500Kbps 4 6 9 12 14

1,5MBps < 1 2 2,5 4 5

12MBps < 1 < 1 < 1 < 1 1


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El intercambio de datos es principalmente cíclico, aunque Profibus-DP también ofrece servicio en comunicaciones acíclicas más complejas para la parametrización, la monitorización y el manejo de alarmas en los dispositivos de campos inteligentes.

2.2.10.1. Funciones básicas

El controlador central, maestro, lee cíclicamente la información de las entradas de los esclavos y actualiza acíclicamente la información de salida de los esclavos. El tiempo de ciclo del bus debe ser menor que el tiempo de ciclo de programa del sistema central de automatización: si se usa un PLC se trata del ciclo de scan, cuya duración suele ser del orden de los 10 ms (aprox.). Aparte de la transmisión cíclica de datos de los esclavos, Profibus-DP proporciona otras poderosas funciones para el diagnóstico y para poner a los dispositivos en servicio activo.

Las funciones básicas de Profibus DP se presentan a continuación:

Acceso al bus:

– Procedimiento de pasaje de testigo (token) entre dispositivos maestros y comunicación maestro-esclavo entre dispositivos maestros y esclavos.

– Sistema nomo-maestro y multi-maestro.

– Número máximo dispositivos: 126.

Comunicación:

– Comunicación para obtención de información uno a uno (peer-to-peer) o multicast con comandos de control.

– Comunicación maestro-esclavo cíclica.

Estado de operación:

– Funcionamiento (Operate): transmisión cíclica de datos de entrada y salida.

– Borrado (Clear): se leen las entradas, y las salidas se pasan al estado de seguridad.

– Parado (Stop): diagnóstico y parametrización. No se transmiten datos de E/S.

Sincronización:

– Modo de sincronización (sync): se sincronizan las salidas.

– Modo de congelamiento (freeze): se sincronizan las entradas.

2.2.10.2. Configuración del sistema.

Profibus-DP permite sistemas mono-maestro y multi-maestro. Esto proporciona un alto grado de flexibilidad durante la configuración del sistema. Un máximo de 126 dispositivos, maestros o esclavos, pueden conectarse a un bus con repetidores. Las especificaciones de la configuración del sistema definen el número de estaciones, asignan direcciones a cada estación de entradas/salidas, dan consistencia a los datos, forman el sistema de mensajes de diagnóstico y establecen los parámetros a utilizar por el bus. Cada sistema DP puede constituirse mediante tres tipos de dispositivos:


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Maestro clase 1 (DPM1): es un controlador principal que intercambia datos cíclicamente con los esclavos. Los controladores lógicos programables (PLC) son un ejemplo de este tipo de dispositivos.

Maestro clase 2 (DPM2): son estaciones de ingeniería utilizadas para configuración, monitoreo o sistemas de supervisión.

Esclavo: es un dispositivo periférico que realiza la lectura de entradas (normalmente dispositivos de mando y de detección) y envía información a las salidas que a él se encuentran conectadas (normalmente dispositivos de accionamiento). Entre los esclavos se encuentran dispositivos tales como: dispositivos de entrada/salida, convertidores de frecuencia de motores, válvulas, y transductores. La información de entrada/salida que pueden proporcionar depende del tipo de dispositivo, pudiendo proveer un máximo de 246 bytes de entrada y 246 bytes de salida.


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2.3. Ethernet Industrial


Ethernet es el estándar de comunicación más utilizado en el mundo informático: la tendencia actual a nivel industrial es el uso de Ethernet y los beneficios de las tecnologías informáticas que ofrece en todos los niveles de la automatización industrial.

Con la finalidad de aprovechar y unificar la infraestructura de la red Ethernet ya existente, se ha desarrollado una nueva generación de buses de campo. Estos buses se basan en la red Ethernet, sobre la que se implementa la comunicación en tiempo real.

A continuación se presentará la información más destacada de Ethernet y los protocolos básicos necesarios para el correcto entendimiento de Profinet.

2.3.1.1. Estructura fundamental de Ethernet

En Ethernet, todas las estaciones tienen los mismos privilegios, de modo que cada estación puede intercambiar cualquier cantidad de datos con otra estación en cualquier momento. Una estación que está enviando un mensaje es escuchada por las demás estaciones. Cada estación filtra los paquetes de datos que significan algo para ella e ignora los demás paquetes. Todas las estaciones comparten de esta manera el medio de transmisión, y tienen el mismo dominio de colisión. El acceso a la red está controlado por el procedimiento CSMA/CD. Como resultado de este procedimiento, el tiempo de transmisión para paquetes de datos grandes depende de la carga de la red, y no puede ser determinado. La red entera se vuelve lenta a medida que el número de colisiones aumenta.

Por ello, usar una red Ethernet compartida la cual presenta colisiones en el envío de sus

mensajes está condicionado para aplicaciones industriales. Para estos entornos, se la usa segmentando la red (división de dominios de colisión), con anchos de banda mayor.

2.3.1.2. Formato de trama Ethernet

Ethernet es también llamada “red de conmutación de paquetes”: los datos a transmitir se dividen en pequeñas unidades, llamados “paquetes” o “tramas”. Cada uno de estos paquetes contiene toda la información requerida, como por ejemplo dirección del transmisor y del receptor, datos e información de verificación de errores, etc.. El paquete se envía como una unidad y puede tener una longitud de entre 64 y 1526 bytes. A continuación se presenta una trama de datos según el estándar IEEE 802.3:

Figura 2.13 – Trama de datos Ethernet

Preámbulo: este campo señala el comienzo de la trama. Consta de 7 bytes con unos y ceros alternados que permiten sincronizar las estaciones.

SFD (Start Frame Delimiter): este campo indica el comienzo de la trama Ethernet IEEE 802.3. Su valor es: 10101011.


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DA (dirección de destino) y SA (dirección de origen): contienen las direcciones de destino y de origen de la trama de datos.

Longitud del campo de Datos/Tipo: indica la longitud del campo de datos.

User Data: 46-1500 bytes de datos de usuario. Contiene los datos y el encabezado que ha sido transmitido por las capas superiores. Se sub-divide en los siguientes campos:

– DSAP: punto de acceso de servicio de destino (1 byte)

– SSAP: punto de acceso de servicio de origen (1 byte)

– Info: bloque de control (1 byte)

– Datos: datos de usuario (variable)

CRC (Cyclic Redundancy Check): este campo contiene un valor calculado por el emisor. El receptor realiza el mismo cálculo para ver si coincide con el valor del campo CRC. Si no es así, se considera que la trama se ha corrompido y se retransmite de nuevo.

2.3.1.3. Dirección MAC (Control de Acceso al Medio)

El direccionamiento específico de una red significa que cada estación debe tener su propia dirección con la cual se la pueda alcanzar. Cada interfaz Ethernet tiene asignada una dirección, la cual es invariable y única en el mundo. A esta dirección se le llama “dirección MAC” (Control de Acceso al Medio), también conocida como “dirección física” o “dirección de tarjeta de red”. La dirección MAC tiene una longitud de 48 bits (6 bytes). Las direcciones MAC son generalmente codificadas en el hardware por los fabricantes y no pueden ser cambiadas.

2.3.1.4. TCP/IP (Protocolo de Control de Transmisión / Protocolo Internet)

TCP/IP es un conjunto completo de protocolos y consta de dos partes:

a) TCP (Transmission Control Protocol): representa al Protocolo de Control de Transmisión. En esta parte del conjunto de protocolos se controla la transmisión y por tanto la transferencia actual de datos

b) IP (Internet Protocol): representa al Protocolo de Internet, necesario para poder alcanzar una estación en una red mediante un direccionamiento.

2.3.1.4.1 Protocolo IP (Protocolo de Internet)

El protocolo IP permite el direccionamiento y el enrutamiento de paquetes de datos desde el transmisor hasta el receptor sobre varias redes, realizando el direccionamiento de TCP/IP. Cada estación que desea comunicarse con otra, está identificada por una dirección IP.

Los paquetes de datos con IP se conocen como “datagramas”. Constan de un encabezado de paquete o cabecera, seguido por un bloque de datos, luego, este datagrama a su vez es empaquetado en una trama Ethernet.


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La figura siguiente muestra la estructura de un datagrama IP:

Figura 2.14 – Estructura de paquete o datagrama IP

Los campos en el datagrama contienen la siguiente información:

Versión: describe el formato de la cabecera utilizada, pudiendo ser IPv4 o IPv6. Tiene una longitud de 4 bits.

Long: tamaño de la cabecera. Su longitud puede variar entre 20 a 60 bytes.

Servicio: determina la prioridad del mensaje dentro de la red. Longitud = 8 bits.

Longitud total: tamaño total (octetos) del datagrama, incluyendo el tamaño de la cabecera y el de los datos. En caso de fragmentación, este campo contiene el tamaño del fragmento (no el del datagrama original).

Identificador: se utiliza solamente en los casos en que el datagrama se deba fragmentar, para poder distinguir cada uno de los fragmentos del mismo.

Flags: utilizado sólo para especificar valores relativos a la fragmentación de paquetes. La indicación de que un paquete es indivisible debe ser tenida en cuenta bajo cualquier circunstancia. Si el paquete necesita ser fragmentado, el mismo no se enviará.

Offset: indica la posición que ocupa el paquete actual dentro del datagrama original. El primer paquete de una serie de fragmentos contendrá en este campo el valor 0.

TTL (Tiempo De Vida): indica el número máximo de encaminadores (routers) que un paquete puede atravesar. Cada vez que algún nodo procesa este paquete disminuye su valor: cuando llegue a ser 0, el paquete será descartado.

Protocolo: indica el protocolo de nivel superior que encapsulará en su campo de datos.

Checksum (Suma de Control): verificación de cabecera: se recalcula cada vez que algún nodo cambia alguno de sus campos.

Dirección IP de origen

Dirección IP de destino

Opciones IP: campo opcional, de longitud variable.

Relleno: utilizado para ajustar el tamaño del datagrama complementando el campo Opciones IP, asegurando una longitud entera de bytes.

CABECERA

https://es.wikipedia.org/wiki/Bit


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El direccionamiento IP define direcciones lógicas de red para el conjunto de protocolos TCP/IP. La dirección IP es un componente fijo del protocolo de Internet (IP) e identifica la ubicación de un equipo en la red, siendo la misma independiente del hardware usado, del fabricante y del medio de transmisión. Estas direcciones IP se usan como direcciones de destino (receptor) y de origen (transmisor) en cada paquete de datos transmitido. Para asegurar siempre que el receptor de un paquete sea único, cada estación debe tener su propia dirección. Una dirección IP está formada por un conjunto de cuatro números, cada uno de los cuales puede oscilar entre 0 y 255.

2.3.1.4.2 Protocolo TCP (Protocolo de Control de Transmisión)

TCP es un protocolo de transmisión orientado a la conexión. Esto significa que, cuando se intercambian datos entre estaciones, los datos del transmisor son confirmados por el receptor. Por esta razón, se añaden mecanismos para verificación de errores, control de flujo y confirmación de la transmisión y recepción.

TCP permite que varios procesos de una misma máquina utilicen simultáneamente el servicio que ofrece TCP. Éstos se diferencian dentro de la misma máquina por el valor del puerto asignado. El protocolo proporciona una dirección o “puerto” a cada aplicación que lo usa. El conjunto formado por un número de puerto (que identifica una aplicación en una máquina) y una dirección IP (que identifica una máquina) recibe el nombre de socket.

La estructura del segmento de la trama TCP consta de los siguientes campos:

Figura 2.15 – Estructura del segmento TCP

Los campos de esta estructura contienen la siguiente información:

Puerto de origen (16 bits): identifica el puerto emisor.

Puerto de destino (16 bits): identifica el puerto receptor.

Número de secuencia (32 bits): Identifica el byte del flujo de datos enviado por el emisor TCP al receptor TCP que representa el primer byte de datos del segmento.

Número de ACK (ingl. acknowledgement = reconocimiento) (32 bits): indica el número de secuencia que se espera recibir.

Longitud de cabecera (4 bits): especifica el tamaño de la cabecera TCP en palabras de 32 bits.

Reservado (3 bits): reservados para uso futuro.

CABECERA


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Flags (6 bits): está formado por 6 banderas de 1 bit cada una. Cuando alguo de sus bits vale 1 significa que la bandera correspondiente está activa.

Tamaño de ventana o ventana de recepción (16 bits): tamaño de la ventana de transmisión = número máximo de octetos que se está dispuesto a aceptar en el buffer de recepción.

Código de redundancia (ingl. checksum = suma de verificación) (16 bits): verifica la integridad de los datos y la cabecera. Se calcula usando, además, una pseudocabecera que IP pasa a TCP y que incluye las direcciones IP de origen y destino (esto permite a TCP verificar que el destino es el correcto), el campo de protocolo y el campo de longitud del segmento.

Puntero urgente (16 bits): indica el desplazamiento necesario para determinar el último octeto de datos urgentes que éste transporta.

Opciones: permite añadir características no cubiertas por la cabecera fija.

Relleno: usado para ajustar el tamaño del segmento en una cantidad entera de bytes.

2.3.1.5. UDP/IP (Protocolo de Datagrama de Usuario)

El Protocolo de Datagrama de Usuario (ingl. UDP = User Datagram Protocol) es un protocolo que provee solamente funciones fundamentales para el transporte de datos, especificado bajo la norma RFC 768. UDP es un protocolo no-orientado a conexión, y comparado con TCP solo ofrece algunos puertos adicionales y un checksum (verifica que el paquete esté completo). Este protocolo no trabaja con una conexión continua entre emisor y receptor. Así, también se omite el establecimiento y la eliminación de la conexión y la confirmación de los paquetes recibidos. No todos los servicios de la capa de transporte requieren estar orientados a la conexión como con TCP.

Cualquier otro mecanismo para el manejo de errores como los que existen en TCP no se encuentran en UDP. Por lo tanto, la pérdida, duplicación o errores en la secuencia son posibles para los datos que van a transmitirse. Todos estos posibles errores deben manejarse en el nivel de aplicación (si se utiliza). Dejando a un lado esta deficiencia, UDP tiene la ventaja de la velocidad de transmisión.

A continuación se muestra la estructura de un paquete UDP:

Figura 2.16 – Estructura de un paquete UDP

Los campos de la estructura UDP contienen la siguiente información:

Puerto de origen (16 bits): identifica el puerto emisor.

Puerto de destino (16 bits): identifica el puerto receptor.

Longitud UDP (16 bits): indica el tamaño en bytes del datagrama, incluidos los datos.

Checksum (suma de verificación) (16 bits): verifica la integridad de los datos y la cabecera.

CABECERA


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2.3.2. PROFINET IO (PROcess Field NET)

Profinet es un protocolo abierto de comunicación de tiempo real (RT) basado en Ethernet, convertido en un estándar internacional bajo las normas IEC61158 y IEC 61784.

Profinet tiene un concepto modular que permite al usuario elegir la funcionalidad que requiera para una determinada aplicación. Generalmente, estas funcionalidades difieren principalmente en el tipo de dato de intercambio, o en que algunas aplicaciones requieren una gran velocidad de respuesta o alta velocidad de transmisión de datos mientras que otras pueden admitir tiempos de repuesta de decenas de milisegundos.

Profinet IO (Input Output) permite controlar un gran número de entradas y salidas distribuidas. Dicho protocolo satisface las necesidades de comunicaciones en tiempo real (RT) y la comunicación Isocrónica en Tiempo Real (IRT), la cual se basa en la reserva de un slot de tiempo para enviar un determinado mensaje.

2.3.2.1. Clases de dispositivos en Profinet IO

Para el intercambio de información, Profinet IO se basa en el modelo proveedor-consumidor. Usualmente, el dispositivo de campo a nivel de proceso provee información del proceso al consumidor (normalmente un PLC), el cual procesa esta información. Para facilitar la estructuración, Profinet IO define las siguientes clases de dispositivos:

Controlador IO: típicamente es un Controlador Lógico Programable (PLC), en donde se ejecuta el programa de automatización. Este dispositivo puede compararse con un dispositivo Maestro en una red Profibus.

Supervisor IO: dispositivo de programación, computadora personal o Interfaz Humano-Máquina (HMI). Por lo general es un dispositivo de ingeniería o para fines de diagnóstico.

Dispositivo IO: dispositivo de campo de entradas y salidas, conectado a la red de comunicaciones. Es similar a un esclavo en una red Profibus.

Figura 2.17 – Clases de dispositivos y sus relaciones

Una red Profinet IO contiene al menos un controlador IO y uno o más dispositivos IO. Cada dispositivo IO puede intercambiar datos con varios controladores IO. Usualmente los supervisores


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IO se utilizan durante la puesta en marcha del equipamiento, o se usan permanentemente como estaciones de monitoreo o diagnóstico.

2.3.2.2. Performance

La comunicación en tiempo real (ingl. RT = Real Time) constituye la base para el intercambio de datos en Profinet IO. Los datos transmitidos mediante RT se tratan con mayor prioridad, comparados con los datos bajo TCP/IP ó UDP/IP. Este método de transmisión permite alcanzar un intercambio de datos en un rango de tiempo de unas pocas decenas de milisegundos.

Por esta razón, Profinet IO adopta un enfoque escalable RT. Un sistema Profinet IO con RT puede realizarse mediante componentes estándares de red, como switches y controles Ethernet estándar. La comunicación RT se lleva a cabo sin la información de TCP / IP: la transmisión de datos RT se basa en el intercambio de datos cíclico, utilizando un modelo consumidor-productor. Los mecanismos de comunicación de capa 2, de acuerdo con el modelo ISO/OSI, son suficientes. Para el procesamiento óptimo de tramas RT dentro de un dispositivo IO, el tag correspondiente de VLAN de acuerdo con IEEE 802.1Q (priorización de tramas de datos) se complementa con un Ethertype especial que permite la canalización rápida de estas tramas PROFINET en el software de nivel superior del dispositivo de campo. Dichos Ethertypes, asignados por la IEEE, se utilizan para la diferenciación inequívoca entre los protocolos de Ethernet (por ejemplo, el valor 0x8892 de Ethertype se especifica en la IEEE para el intercambio rápido de datos en PROFINET IO).

El intercambio isócrono de datos con Profinet está definido bajo el concepto IRT. Los ciclos de intercambio de datos están normalmente en el rango que va desde unos cientos de microsegundos al milisegundo. Las comunicaciones IRT difieren de las comunicaciones RT principalmente en su comportamiento isócrono, lo que significa que los ciclos de bus se inician con máxima precisión.

Profinet IO distingue las siguientes clases para la comunicación RT, las mismas no se diferencian en cuanto al rendimiento pero si en lo que refiere al determinismo:

RT_CLASS_1: comunicación no sincronizada RT dentro de una subred. Para esta comunicación no se requiere información especial de direccionamiento. El nodo de destino se identifica utilizando solamente la dirección MAC del dispositivo. La comunicación no sincronizada RT dentro de una subred es el método de transmisión de datos habitual en Profinet IO. Esta forma de comunicación ha sido estandarizada en paralelo a la comunicación UDP/IP e implementada en cada dispositivo de campo IO. Las tramas RT se identifican mediante el Ethertype (0x8892). Para esta clase puede utilizarse cualquier switch estándar.

RT_CLASS_2: en esta clase pueden enviarse tramas a través de comunicación sincronizada o no-sincronizada. La comunicación no-sincronizada se trata exactamente de la misma manera que la comunicación dentro de la clase RT_CLASS_1. En la comunicación sincronizada, el inicio de un ciclo de comunicaciones se define para todos los nodos. Esto especifica exactamente la base de tiempo permitida para la transmisión de los dispositivos de campo. Para todos los dispositivos de campo que participan en la comunicación RT_CLASS_2, dicha base es siempre el inicio del ciclo de transmisión. Los switches utilizados para esta clase de comunicación deben soportar este tipo de mecanismo de sincronización: esto implica requisitos de hardware específicos.

RT_CLASS_3: comunicación sincronizada dentro de una subred. Durante la comunicación sincronizada RT_CLASS_3, los datos de proceso se transmiten con la máxima precisión, en un orden exacto, especificado durante el desarrollo de la ingeniería del sistema (desviación


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máxima permitida desde el inicio del ciclo de bus de 1s). En la comunicación RT_CLASS_3, no hay tiempos de espera. Con el fin de aprovechar las ventajas de la transmisión de datos diseñada para un máximo rendimiento, se requiere hardware específico para tal fin.

RT_CLASS_UDP: la comunicación no-sincronizada entre diferentes subredes requiere información de direccionamiento a través de la red de destino (dirección IP). En este tipo de comunicación pueden utilizarse elementos de red estándares.

2.3.2.3. Modelos de Dispositivos

El modelo de dispositivo describe a todos los dispositivos de campo en términos de sus posibilidades técnicas y características funcionales. Lo mismo se especifica por medio del DAP (Device Access Point) y los módulos definidos para una familia particular de dispositivos El DAP es el punto de acceso de comunicación entre la interface Ethernet y el programa de procesamiento.

Las siguientes estructuras están estandarizadas para un dispositivo IO:

Slot: designa el lugar donde se inserta un módulo de IO en un dispositivo de campo de entradas/salidas modular. Los módulos configurados contienen uno o más subslots para el intercambio de datos.

Subslot: representa la interfaz real con el proceso (entradas/salidas). La subdivisión de un subslot (bit a bit, byte a byte, o por palabras) la determina el fabricante del dispositivo. El contenido de datos de un subslot está siempre acompañado por información de estado (dentro de la cual puede estar incluida la validez de los datos).

Índice: especifica los datos dentro de un slot/subslot que pueden ser leídos o escritos mediante los servicios de lectura/escritura en forma acíclica.

La lectura y escritura cíclica de datos de entrada y salida, se direccionan especificando la combinación de slot/subslot. Esta combinación puede ser definida libremente por el fabricante. Para la utilización de servicios de lectura y escritura acíclicos, se deben direccionar utilizando slot, subslot e índice.

Figura 2.18 – Direccionamiento basado en slot y subslots


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2.3.2.4. Direccionamiento

Para los dispositivos de campo en Profinet IO, el direccionamiento se basa en el nombre simbólico del dispositivo, al cual se le asigna una dirección MAC única.

Una vez que el sistema se encuentra configurado, se carga toda la información requerida para el intercambio de datos en el controlador IO, la cual incluye la dirección IP de los dispositivos IO conectados. Basado en el nombre (y la dirección MAC asociada), un controlador IO puede reconocer los dispositivos de campo configurados y asignarles las direcciones IP especificadas utilizando el protocolo de detección y configuración (DCP) integrado en Profinet IO. En forma alternativa, el direccionamiento se puede realizar mediante el protocolo DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol).

2.3.2.5. Intercambio cíclico de datos

Los datos de entrada/salida son transmitidos mediante una comunicación RT sin reconocimiento mediante el modelo productor-consumidor durante un tiempo asignable. El tiempo de ciclo puede especificarse en forma individual para cada conexión con cada dispositivo. La conexión se monitorea utilizando un watchdog (cuyo tiempo de expiración está relacionado con el tiempo de ciclo). Si los datos configurados no llegan dentro del tiempo de monitoreo, el consumidor envía un mensaje de error a la aplicación. Durante la transmisión de datos, dentro de la trama se incluye información del estado del proveedor de datos. Esta información es evaluada por el consumidor de datos y puede utilizarse para determinar la validez de los mismos.

Figura 2.19 – Comunicación RT con monitoreo de tiempo

Para el intercambio de datos con múltiples parámetros, se define la relación de comunicación multicast (MCR). Esto permite el tráfico de datos en forma directa entre un proveedor a múltiples nodos (pueden ser todos los nodos), como si la misma se tratara de una comunicación directa.

2.3.2.6. Intercambio acíclico de datos

El intercambio de datos acíclico puede ser utilizado para parametrizar y configurar los dispositivos IO o para realizar la lectura de la información de estado de los dispositivos. Esto se logra utilizando servicios de escritura/lectura a través de servicios estándares utilizando UDP/IP.


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Además de los registros de datos disponibles para el uso de los fabricantes de dispositivos, también es posible acceder a registros de datos de sistema especialmente definidos: puede ser leída información de diagnóstico, registros de errores, información de identificación de los dispositivos.

En Profinet IO, la transmisión de eventos es modelada como parte del concepto de alarma. Esto incluye eventos definidos del sistema (conexión o desconexión de módulos de IO) y eventos definidos por el usuario, o que ocurren en el proceso que se está controlando. Cuando se produce un evento, es necesario asegurar un espacio de memoria suficiente para realizar la comunicación del mensaje de alarma del dispositivo IO.

2.3.2.7. Comunicación Isocrónica en tiempo real (IRT)

Profinet IO provee clases en Tiempo Real escalables para la transmisión cíclica de datos de proceso. Además de los requisitos de capacidad de tiempo real, existen procesos que requieren la transferencia de datos de entrada/salida en forma isocrónica, para lo cual se reserva tiempo de transmisión para determinados mensajes basado en TDMA (ingl. Time Division Multiple Access).

Para el intercambio de datos isócronos, Profinet ofrece un concepto escalable que, por un lado, proporciona un método muy flexible de comunicación que utiliza la comunicación sincronizada RT_CLASS_2. Por otro lado, ofrece una comunicación diseñada para un rendimiento máximo, lo que requiere una planificación precisa por adelantado de los ruteos de las comunicaciones entre los dispositivos. El ancho de banda disponible se utiliza de manera óptima en este caso, porque nunca ocurren tiempos de espera entre transmisiones de datos. Esta modalidad utiliza una comunicación RT_CLASS_3 sincronizada.

La comunicación se divide en un intervalo “reservado” y un intervalo “abierto”. Sólo los datos de entrada/salida de tiempo crítico se transfieren en el intervalo reservado, en tanto que todos los demás datos se envían en la fase abierta. Esta comunicación no requiere ningún protocolo de nivel inferior adicional. Todos los dispositivos de campo que participan en la comunicación IRT están sincronizados por el mismo reloj principal, por lo general dicho reloj está integrado en el controlador IO.

La comunicación IRT se basa en las siguientes condiciones:

La comunicación tiene lugar exclusivamente dentro de una subred.

El ciclo del bus se divide en dos fases. Una reservada (IRT), en la cual solo se procesan mensajes IRT, y una fase abierta en la cual se procesan mensajes según las normas IEEE802 atendiendo las prioridades de cada mensaje.

Todos los dispositivos de campo dentro del dominio IRT deben soportar el modo isócrono aunque el dispositivo no esté funcionando en modo isocrónico.

La figura siguiente muestra la división de ciclo utilizada en Profinet IO con IRT.


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Figura 2.20 – Ciclo de bus con comunicación RT

2.3.2.7.1 Intervalo RT_CLASS_3

Durante este intervalo solo pueden enviarse a través de los switch tramas de tipo RT_CLASS_3.

El comienzo de este intervalo está constantemente sincronizado con una desviación máxima de 1 μs; todos los dispositivos que participan en la comunicación sincrónica deben tener un reloj común. Un reloj maestro utiliza tramas de sincronización para sincronizar todos los generadores de pulsos de reloj locales en cada dispositivo bajo dominio IRT.

Figura 2.21 – Sincronización de relojes en dominio IRT mediante un reloj maestro

Para este propósito, todos los dispositivos involucrados deben estar conectados directamente entre sí sin atravesar ningún dispositivo que no requiera sincronización. Es posible definir múltiples sistemas de reloj independientes en una misma red.

La secuencia de todas las tramas RT_CLASS_3 se definen durante la etapa de desarrollo de ingeniería; en esta etapa de diseño se definen también todos los componentes de la red. Como resultado de esta planificación, el controlador Ethernet conoce exactamente qué trama llegará, a cuál puerto, y adónde debe enviarse la trama. Esto permite una utilización muy alta del ancho de banda disponible. Si un sistema requiere una comunicación RT_CLASS_3, el ciclo de bus debe dividirse en intervalos durante el desarrollo de ingeniería (como muestra la figura anterior); aquí se especifica la duración y el momento del envío de cada trama. La topología de la instalación, la longitud de la trama respectiva y las longitudes de los cables entre nodos son factores críticos para lograr un uso óptimo del sistema. Por lo expuesto, ante cualquier cambio del sistema, se debe repetir toda la configuración del mismo.


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Debido a que la comunicación RT_CLASS_3 se orienta solo en base a la sincronización de tiempo, el rendimiento de los switches para realizar la transmisión de datos debe ser muy alto, evitando tiempos de retardos. Del mismo modo, puede optimizarse el sistema mediante la programación de las rutas de transmisión de datos en la fase de ingeniería.

Si durante el intervalo se genera o recepciona una trama del tipo UDP/IP, dado que dicha aplicación no es IRT, la misma se almacena temporalmente en el switch IRT, y se re-envía una vez finalizado el intervalo reservado.

2.3.2.7.2 Intervalo RT_CLASS_2

El intervalo RT_CLASS_2 (en caso de estar presente) comienza inmediatamente después de la finalización del intervalo RT_CLASS_3. Las tramas RT_CLASS_2 no requieren una planificación previa. Como resultado, no se utiliza de manera óptima el ancho de banda disponible. La recepción de los datos cíclicos no tiene un tiempo de recepción exacto. Por lo tanto, es necesario incluir un tiempo de reserva de seguridad.

Durante la fase de puesta en marcha, todos los componentes de la red (switches) establecen las tablas de direcciones que deben utilizarse para reenviar las tramas recibidas a sus respectivos destinos. Para la comunicación durante este intervalo solo es necesaria la configuración de los nodos. Las tramas utilizadas en este intervalo se basan en el estándar IEEE 802.1D. Las tramas de datos se transmiten al nodo respectivo de destino basado en su dirección MAC: esto permite un método muy flexible de comunicación. Los cambios en la topología de la planta no requieren ningún tipo de tratamiento especial para el envío de este tipo de mensajes.


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3. SOLUCIÓN DEL PROBLEMA/IMPLEMENTACIÓN PRÁCTICA

3.1. Descripción de funcionamiento de las partes operativas

Para la aplicación de conceptos en redes industriales se propuso la construcción de una planta industrial a escala académica, conformada por dos estaciones ejecutando procesos de tecnologías primarias independientes, las que, además de resolver su funcionamiento particular, envían información de estado al Nivel de Supervisión, recibiendo del mismo órdenes que determinarán diferentes modos de funcionamiento (“recetas”). Desde el punto de vista de la Parte Operativa no se buscó coherencia mecánica entre las celdas, dado que el objetivo del trabajo es aplicar criterios en la forma de coordinar sus funcionamientos, y no pormenorizar en detalles tecnológicos que están más allá del alcance de este proyecto.

Frente a la amplia oferta de posibilidades para la interconexión entre los diferentes niveles en que se organizó la estrategia de control, se optó por elegir entre aquellas que podían implementarse con la infraestructura disponible: para la conexión de sensores y actuadores se utilizó el protocolo AS-i, mientras que los controladores se comunican utilizando el protocolo industrial PROFIBUS-DP, dejando el protocolo Ethernet para programación y supervisión.

S7 300(GEMMA_A)

PROFIBUS DP

S7 215(GEMMA_C)

S7 216(GEMMA_T)

AS-i

ETHERNET

HMI

Figura 3.1 – Esquema de aplicación

Acotada a una planta industrial a escala académica, nos propusimos el desarrollo y la implementación de celdas de trabajo que emulen dos partes de un proceso, una de ellas basada en un sistema de cintas transportadoras y otra conformada por un sistema de tanques, las cuales se describen a continuación.


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3.1.1. Control de Nivel de Área S7-300

El nivel de control de Área se encuentra conformado por los siguientes componentes

Tabla 3.1 – Componentes de Control de Área

Si bien el PLC cuenta con 16 entradas disponibles, para la aplicación propuesta se utilizaron solo 8 de ellas.

Las figuras siguientes muestran imágenes del PLC de Control de Área y del proceso completo.

Figura 3.2 – PLC de control de Área

Figura 3.3 – Sistema completo, Control de Área y células de trabajo

Componente Descripción

Fuente Alimentación

SITOP Power 5 Fuente de alimentación de 24V - corriente de salida 5A

CPU 313C-2DP PLC Siemens con 16 entradas y 16 salidas digitales incorporadas. Comunicación Profibus-DP incorporada.

CP 343-1 Lean Módulo de expansión que permite la comunicación Ethernet


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3.1.2. Celda de Cintas

Para realizar el control del proceso de Cintas, se utilizan los siguientes dispositivos.

Tabla 3.2 – Componentes de control de Proceso de Cintas

Esta estación consta de dos cintas transportadoras controladas con variadores de velocidades independientes, las cuales permiten el desplazamiento de piezas en ambos sentidos, pudiendo realizarse una secuencia de movimiento determinada.

Figura 3.4 – Sistema Control de Proceso Cintas


CPU 215-2 PLC Siemens con 14 entradas y 10 salidas digitales incorporadas. Comunicación Profibus-DP incorporada

EM 221 Módulo de expansión de 8 entradas digitales.

EM 222 Módulo de expansión de 8 salidas digitales.

EM 223 Módulo de expansión de 4 entradas y 4 salidas digitales.

ATV18U18M2 Variados de velocidad Telemecanique.

Motor 380v Motor Trifásico Eberle, Potencia 0.37W (0.5HP)


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3.1.3. Celda de Tanques

Para realizar el control del proceso de Tanques, se utilizan los siguientes dispositivos.

Tabla 3.3 – Componentes de Control de Área

Esta estación consta de un tanque principal que, a través de bombas y válvulas, puede alimentar a otros dos, cumpliendo una funcionalidad predeterminada. Una vez finalizada una secuencia, el producto almacenado en ambos tanques se puede enviar hacia una cisterna, para luego reingresarlo en el tanque principal y poder repetir el ciclo.

Figura 3.6 – Sistema Control de Proceso de Tanques


CPU 226XM PLC Siemens con 24 entradas y 16 salidas digitales incorporadas

EM 277 Módulo de expansión para comunicación Profibus-DP

CP 243-2 Módulo de expansión Maestro AS-i

Esclavo AS-i Módulo esclavo AS-i de 4 entradas y 4 salidas digitales (3RK1400-1CQ00-0AA3)


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3.2. Implementación

Evaluando la implementación a realizar desde un punto de vista global, podemos separarla en dos grandes partes, siendo la primera la configuración de dispositivos y módulos de comunicación involucrados y la segunda la solución del automatismo propiamente dicho.

3.2.1. Configuración de dispositivos y comunicaciones

3.2.1.1. Configuración del Módulo AS-i

El módulo utilizado para realizar la comunicación de protocolo AS-i fue el CP 243-2, el cual se conecta al PLC S7-226 (proceso de tanques).

El módulo maestro AS-i posee elementos de visualización y conexión como se muestran en la siguiente figura.

Figura 3.8 – Modulo Maestro AS-i CP 243-1

Una vez realizada la conexión del módulo a la CPU y a la respectiva fuente de alimentación AS-i, se debe proceder al reconocimiento del módulo. Este procedimiento se realiza a través del mismo software utilizado para la programación del PLC, el STEP7 MicroWin de Siemens.

El software posee un asistente para realizar dicha configuración.


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Figura 3.9 – Ingreso asistente de configuración AS-i

Al ser la primera vez que ingresamos al asistente, debemos mapear el módulo maestro AS-i mediante la siguiente opción:

Figura 3.10 – Ingreso asistente de configuración AS-i

Al hacer clic en la opción siguiente, accedemos a la pantalla de lectura o reconocimiento de los módulos maestros conectados al PLC.


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Figura 3.11 – Reconocimiento de módulos maestros conectados al PLC

En nuestro caso, solo tenemos un módulo maestro. Seleccionamos el módulo y hacemos clic en el botón Siguiente para continuar con la instalación del módulo. En la próxima pantalla realizaremos el mapeo de entradas y salidas del módulo. La CPU utilizada posee tres bytes de entradas (IB0, IB1 e IB2) y dos bytes de salidas (QB0 y QB1): por lo tanto, configuramos el byte de entradas del módulo AS-i en el IB3, y el byte de salida como QB2.

Nota: estos bytes de entradas y salidas se utilizan para realizar configuraciones del módulo maestro AS-i, no para el intercambio de datos de entradas y salidas.

Figura 3.12 – Mapeo de módulo AS-i maestro

A continuación debemos seleccionar el tipo de esclavos que van a estar presente en la red AS-i: en nuestro caso, tendremos presente solo un módulo de tipo estándar.


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Figura 3.13 – Selección de tipo de esclavo

Luego debemos seleccionar el tipo de esclavo que tenemos en la red. A continuación se configura un módulo de 4 entradas y 4 salidas.

Figura 3.14 – Configuración de esclavo

Una vez configurados los esclavos de la red, se debe seleccionar un espacio de memoria donde residirán las subrutinas reservadas para el intercambio de información bajo el protocolo AS-i, el cual debe ser de 33 bytes. Se debe indicar una dirección de inicio de este espacio: en nuestro caso elegimos VB50.


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Figura 3.15 – Selección de espacio reservado para subrutinas AS-i

Al hacer clic en Siguiente, se nos presenta la última ventana del asistente, en donde se muestran las subrutinas (reservadas) que se incorporarán al proyecto.

Figura 3.16 – Finalización de asistente AS-i

Una vez finalizado el asistente de configuración AS-i podemos observar las rutinas creadas. El contenido de las mismas no es accesible, ya que son de dominio exclusivo de Siemens.

Figura 3.17 – Subrutinas creadas para el intercambio de datos AS-i


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Finalizada la configuración de los módulos AS-i de nuestra red (maestro y esclavos), debemos proceder al mapeo en memoria de las entradas y salidas del esclavo, para poder utilizar sus señales en nuestro proyecto.

De acuerdo con la información brindada por Siemens (figura 3.18), nuestro esclavo de 4 I/O posee la dirección número 2:

Figura 3.18 – Direccionamiento de esclavos AS-i según su dirección de red

En nuestro caso, la dirección del módulo CP es la número 0.

La Figura 3.19 muestra el detalle del direccionamiento de cada esclavo dentro de la CPU del sistema de Tanques.

Figura 3.19 – Detalle de direccionamiento AS-i


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En esta aplicación, el intercambio de datos con esclavos AS-i se redujo a la lectura de entradas

digitales conectadas al esclavo N 2. Para acceder a esta información, se deben realizar dos operaciones básicas.

a) La primera es inicializar el maestro AS-i: para ello cada maestro posee un bit (PLC_RUN) que, al ser activado, permite que comience a funcionar, realizando cíclicamente la encuesta de los esclavos que integran su red.

Figura 3.20 – Byte de control de maestro AS-i

El bit PLC_RUN está direccionado en el espacio de memoria de salidas del PLC, dentro del espacio asignado para el módulo AS-i maestro (byte de salida n° 2). Para activarlo realizamos la siguiente operación dentro de la subrutina de inicialización del programa de control del proceso de Tanques.

Figura 3.21 – Arranque de módulo maestro AS-i

b) Una vez inicializado el maestro, para la lectura de datos del esclavo AS-i se transfieren sus datos de E/S a un sector en el espacio de memoria del PLC, comenzando en la palabra analógica AIW0. Esta operación es realizada en cada ciclo de scan por las rutinas reservadas de Siemens, en forma totalmente transparente para el usuario.

Desde el área de lectura a partir de AIW0, la aplicación copia (para su manipulación) los datos leídos en una tabla en el espacio de memoria V, comenzando en la dirección VW100. Recordemos que, según la tabla antes expuesta, el módulo esclavo en la dirección 2 se mapea en los 4 bits más significativos de la dirección V101.

Figura 3.22 – Volcado de datos desde esclavos AS-i a direcciones de memoria de PLC


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La correspondencia entre los sensores conectados al esclavo AS-i y la tabla en memoria V del PLC se estableció como muestra la siguiente tabla.

Sensores de niveles de tanques

Entrada esclavo AS-i

(Dir. 2)

Dirección de entrada en

PLC

T1_Niv_Inferior 1 V101.4

T1_Niv_Superior 2 V101.5

T2_Niv_Inferior 3 V101.6

T2_Niv_Superior 4 V101.7

Tabla 3.4 – Direccionamiento de sensores de niveles de tanques

3.2.1.2. Configuración de comunicación Profibus-DP

La configuración de la comunicación Profibus-DP, se realiza en dos niveles, uno a nivel del maestro del bus (S7-300) y otro a nivel de los esclavos (S7-226 y S7-215).

3.2.1.2.1 Configuración Maestro DP

Para la configuración del módulo maestro utilizamos el entorno de programación TIA Portal (Totally Integrated Automation) de Siemens.

En primer lugar se debe crear un proyecto haciendo click en la opción de Abrir la vista de Proyecto:

Figura 3.23 – Creación de nuevo proyecto en TIA Portal


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Luego se define la CPU del PLC que actuará como Maestro: en nuestro caso, la CPU 313C-2DP.

Figura 2.24 – Incorporación de CPU al proyecto

Una vez incorporada la CPU, se agregan los dispositivos esclavos de la red Profibus-DP. Para ello se seleccionan del catálogo de dispositivos esclavos mediante la operación de “arrastrar y soltar” dentro del entorno de trabajo.

En nuestra red tenemos dos esclavos: un PLC S7-215 y un PLC S7-226, el último conectado con un módulo de expansión esclavo Profibus-DP EM-277. La configuración de los esclavos se detalla en el apartado siguiente.

Figura 3.25 – Incorporación de esclavos al proyecto

Una vez incorporados los esclavos, debemos “conectarlos” a la red DP, para ello se hace click sobre su puerto de comunicación Profibus-DP y se arrastrar la conexión hacia el puerto Profibus-DP del maestro.


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Figura 3.26 – Conexión de red Profibus-DP

Haciendo doble click sobre cada uno de los dispositivos de la red accedemos a su configuración.

Se asigna al CPU 313C-2DP la dirección N° 2 y se lo declara como maestro de la red.

Figura 3.27 – Direccionamiento maestro Profibus-DP


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Figura 3.28 – Configuración de CP 313-2DP como maestro Profibus-DP

Luego se configura la dirección de cada uno de los esclavos, se asigna la dirección 40 para el módulo de expansión EM 277 de la CPU S7-226 y la dirección 42 para la CPU S7-215

Figura 3.29 – Direccionamiento esclavo Profibus-DP


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Luego se define la posición inicial de memoria del PLC esclavo en donde se conformaran las tablas de datos de entradas y salidas. Para ambos PLCs esclavos se utiliza la dirección de memoria V20.

Figura 3.30 – Direccionamiento esclavo Profibus-DP

Por último se define la longitud de la información a transmitir o recibir por cada uno de los esclavos. Para ello, se selecciona entre diferentes posibilidades prestablecidas dentro de una paleta de opciones y es aplicada a cada esclavo. Para el proyecto se utiliza una transferencia de 8 bytes de entradas y 8 bytes de salidas para cada esclavo.

Figura 3.31 – Configuración de longitud de datos


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Así mismo, deben asignarse las direcciones de entrada y salida para cada esclavo dentro del mapa de memoria del maestro. Las direcciones asignadas pueden verse en la siguiente tabla:

Direccionamiento de

salidas (Primer dirección de Espacio Q)

Direccionamiento de Entradas (Primer

dirección de Espacio I)

Esclavo EM-277 (Dir. DP 40) 150 150

Esclavo S7-215 (Dir. DP 42) 160 160

Tabla 3.5 – Direcciones de Entras/Salidas de cada esclavo DP

Luego de completar las instrucciones anteriores, queda completamente definida la red Profibus-DP desde el punto de vista del maestro de la red.

Figura 3.32 – Configuración final red Profibus-DP

Para la lectura y escritura de los datos, dentro del programa del PLC maestro de la red, se utilizan dos tipos de instrucciones: DPRD_DAT y DPWR_DAT para la lectura y escritura de datos respectivamente.

Dichas instrucciones realizan movimientos de datos desde una dirección de entrada hacia una dirección de destino, en ambos bloques las direcciones de origen de datos se expresan en formato hexadecimal.

Figura 3.33 – Lectura de byte dirección I160, dirección destino MB120


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Figura 3.34 – Escritura a byte dirección Q160, dirección origen MB100

Para cada byte trasmitido y leído se deben utilizar las instrucciones antes mencionadas. Se crearon dos subrutinas, una para cada proceso esclavo, en las cuales se realiza la transferencia de los datos mediante Profibus-DP, las cuales son invocadas en cada ciclo de scan por el programa principal del PLC Maestro.

Figura 3.35 – Llamada a subrutina desde el PLC maestro para transferencia de datos Profibus-DP

3.2.1.2.2 Configuración Esclavos DP

El PLC S7-215 posee integrado un puerto Profibus-DP (Puerto N°1), por lo tanto, solo es necesario configurar la dirección de dicho puerto, para el proyecto se utilizó la dirección 42.

Dicha configuración es accesible desde el menú Bloque de Sistema del entorno de programación Step 7 MicroWin.


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Figura 3.36 – Direccionamiento esclavo S7-215

Para el PLC S7-226 utilizamos un módulo de expansión EM-277 para la comunicación Profibus-DP, en este caso, para configurar del dispositivo se dispone de dos interruptores rotativos, siendo multiplicadores x1 y x10 de sus respectivas indicaciones, la dirección asignada para dicho esclavo es la 40.

Figura 3.37 – Direccionamiento módulo esclavo EM-277

En ambos esclavos, se debe tener la precaución en no sobrescribir los espacios de memoria utilizados para el envío y recepción de datos mediante Profibus-DP, ya que dichos espacios de memoria no quedan protegidos.


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Mediante la configuración realizada, el mapeo de memoria en los esclavos queda definido según la siguiente tabla.

Direccionamiento de

Salidas Direccionamiento de

Entradas

Esclavo EM-277 (Dir. DP 40)

VB28

VB29

VB30

VB31

VB32

VB33

VB34

VB35

VB20

VB21

VB22

VB23

VB24

VB25

VB26

VB27

Esclavo S7-215 (Dir. DP 42)

VB28

VB29

VB30

VB31

VB32

VB33

VB34

VB35

VB20

VB21

VB22

VB23

VB24

VB25

VB26

VB27

Tabla 3.6 – Direccionamiento de entradas y salidas de esclavos Profibus-DP

3.2.1.3. Configuración módulo Ethernet

Para la configuración del módulo Ethernet utilizamos el entorno de programación TIA Portal (Totally Integrated Automation) de Siemens.

Dentro del menú de dispositivos, vamos a agregar el módulo de expansión Ethernet CP 343-1 Lean al PLC CPU 313C-2DP.

Figura 3.38 – Incorporación de módulo Ethernet CP 343-1 Lean

Mediante la acción de doble click sobre el módulo Ethernet se accede a su configuración y es posible realizar la configuración de la dirección IP del módulo.


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Figura 3.39 – Configuración dirección IP módulo Ethernet

Una vez finalizada la configuración, la red queda configurada de la siguiente manera:

Figura 3.40 – Configuración final de red Ethernet

3.2.1.4. Configuración HMI

Desde el menú de agregar dispositivos, debemos seleccionar el HMI a incorporar, en el proyecto se utiliza un HMI TPI 1500 Basic PN, dicho HMI será simulado desde una PC.

A continuación se muestra una de las pantallas terminadas y los pasos básicos a seguir para lograr su configuración y funcionamiento.


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Figura 3.41 – Una de las pantallas de HMI del proyecto

Comienzo de configuración de HMI

Figura 3.42 – Incorporación de HMI al proyecto


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Inmediatamente después de incorporar el HMI al proyecto, se presenta una pantalla para realizar la configuración del dispositivo. Dentro de estas configuraciones posibles, la más importante de ellas es el tipo de comunicación entre HMI y PLC, mediante el botón Examinar se despliega un menú donde se selecciona entre las diferentes posibilidades de comunicación.

Las demás configuraciones hacen referencia a la cantidad de pantallas y tipos de botones disponibles en el HMI, en el presente documento no profundizaremos en el detalle de dichas configuraciones.

Figura 3.43 – Selección de comunicación de HMI


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Seleccionar el tipo de comunicación (Profinet), click en finalizar Asistente.

Figura 3.44 – Selección de comunicación de HMI

En la solapa de dispositivos, haciendo doble clic sobre el HMI se configura su dirección IP, se asigna la dirección 192.168.0.5.

Figura 3.45 – Configuración IP del HMI


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A partir de este momento queda completamente definida la red como se muestra en la siguiente figura:

Figura 3.46 – Configuración final de dispositivos

A partir de este momento, queda incorporado dentro del panel de dispositivos el HMI.

Figura 3.47 – HMI incorporado al proyecto

Al desplegar el menú del HMI se observan las opciones para su programación, entre las más importantes se destacan la pantalla de comunicación, configuración de variables y pantallas.

Figura 3.48 – Paleta de funciones para programación de HMI


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Desde aquí es posible incorporar diferentes pantallas y dinamizarlas.

Para dinamizar las pantallas, es necesario vincular las acciones a variables del PLC. Para realizar dicha vinculación, se debe acceder a las propiedades del elemento a dinamizar, seleccionar entre una de las posibles animaciones o efectos y seleccionar la variable que gobernará dicho comportamiento, a continuación se muestra en forma sencilla dicha operatoria.

Figura 3.49 – Direccionamiento de variable en HMI

En la implementación de nuestro proyecto no contamos con un HMI real, por lo tanto, una vez realizadas todas las pantallas y configuraciones se realiza una simulación que permite realizar una visualización de las variables del PLC en tiempo real desde el HMI. Para realizar esta simulación utilizamos la función de Simulación, la cual se muestra a continuación.

Figura 3.50 – Inicialización de modo de simulación


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3.2.2. Herramientas para el desarrollo del automatismo

Para desarrollar las soluciones de automatización de las estaciones de trabajo, estación maestro y estaciones esclavas, utilizaremos el método Gafcet y Guía GEMMA, los cuales describiremos a continuación.

3.2.2.1. Modelo Grafcet

GRAFCET (de sus siglas en francés: GRAphe Fonctionnel de Commande Étape/Transition) es una herramienta grafica que permite describir el funcionamiento de un automatismo secuencial. Puede usarse para representar al automatismo en todas las fases de su concepción, especificación técnica, hasta su implementación, programación de un PLC industrial, uso de secuenciadores u otras tecnologías, pasando por el estudio de los modos de arranque y parada.

El GRAFCET se basa en el uso de instrucciones precisas, el empleo de un vocabulario bien definido, el respeto de una sintaxis rigurosa, y el uso de reglas de evolución. Entre otras cosas, permite adoptar un enfoque progresivo en la elaboración del automatismo, representando claramente el funcionamiento del sistema y siendo de muy sencilla implementación sobre un PLC.

De forma sucinta, su aplicación consiste en identificar estados totales o parciales del sistema asociados a circunstancias importantes o transcendentes del sistema (por ejemplo, cuando se da la orden de arranque de un motor, cuando el motor gira en sentido contrario, cuando se detiene, etc.) y asignar a cada uno de ellos una “Etapa”. A cada etapa pueden asociarse una o varias acciones o comandos, traduciendo de este modo “lo que debe hacerse” cada vez que la etapa asociada esta activa. El conjunto de las etapas activas en un momento dado representa el estado del mecanismo en dicho instante. Para pasar de una etapa a la(s) siguiente(s) debe darse un conjunto de situaciones que permitan la evolución de la secuencia (por ejemplo, activación de sensores, entradas, etc.).

La secuencia evoluciona a partir de un estado inicial (por ejemplo, el correspondiente a la energización del PLC), y en cada etapa el PLC genera las salidas que accionan los mecanismos (motores, etc.). Normalmente, el proceso retorna al inicio (proceso cíclico) para comenzar a ejecutarlo nuevamente.

En problemas más complejos es posible implementar varias secuencias interrelacionadas, o ejecutar varias secuencias en paralelo sincronizadas entre sí.

En correspondencia, el GRAFCET utiliza solamente 3 elementos gráficos: etapas, transiciones y enlaces orientados, los que se describen a continuación.

3.2.2.1.1 Etapas

Las etapas caracterizan el comportamiento invariante del todo o una parte del sistema aislado representado. De acuerdo a la evolución del sistema, en un instante dado una etapa puede estar o bien activa o bien inactiva.

Se las simboliza gráficamente por medio de cuadrados, con un número de identificación en su interior.

El estado de actividad de una etapa se simboliza dibujando un punto (mencionado también como marca o cospel) en el interior de la misma; la ausencia de punto indica que la etapa esta inactiva.


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Para indicar que una etapa esta activa inicialmente se la simboliza con un circulo o un cuadrado doble.

Figura 3.51 – Etapas

3.2.2.1.2 Transiciones

Las transiciones indican la posibilidad de evolución entre varias etapas. Esta evolución se produce por el franqueo de las transiciones, lo que provoca un cambio en los estados de activación de las etapas. Se las simboliza gráficamente por medio de pequeños trazos, perpendiculares a los enlaces orientados.

Figura 3.52 – Transición

3.2.2.1.3 Enlaces orientados

Los enlaces orientados indican las posibles vías de evolución, vinculando las etapas con las transiciones y las transiciones con las etapas.

Se los simboliza gráficamente por medio de arcos orientados, con puntas de flecha en un solo extremo. Un enlace orientado puede:

Partir de una etapa y terminar en una transición, en cuyo caso se habla de una etapa de entrada de la transición.

Partir de una transición y terminar en una etapa, en cuyo caso se habla de una etapa de salida de la transición.

Es posible que una etapa sea tanto etapa de entrada como etapa de salida de la transición.


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Figura 3.53 – Etapas de entrada y salida de una transición

Sea cual sea la secuencia que se recorra, siempre debe respetarse una alternancia etapa-a-transición y transición-a-etapa. No está permitido usar enlaces orientados para vincular una etapa con otra, ni tampoco una transición con otra.

3.2.2.1.4 Implementación del Grafcet

Existen varios métodos para materializar el modelo grafico en ecuaciones, para luego implementar en circuitos (electrónicos, de contactos, PLC´s, etc.) y hacer palpable el automatismo.

Uno de ellos es el método Llamada-Respuesta en donde cada etapa es considerada como una memoria del tipo RS y la ecuación que da origen a Set de ella (marcación de la etapa) corresponde a la etapa anterior marcada multiplicada por la condición de evolución, y la ecuación que da origen al Reset de ella (demarcación de la etapa) corresponde directamente a la Etapa siguiente marcada.

Para el presente trabajo hemos utilizado este método para implementar las ecuaciones de todos los Grafcet que se describen.

3.2.2.2. Guía GEMMA

GEMMA es una guía gráfica (Guide d`Étude des Modes de Marches et d`Arrets = Guía de Estudio de los Modos de Marchas y Paradas) que nos permite listar claramente todos los modos de marcha y parada con sus posibles evoluciones, de la parte operativa y la parte de control, para poder lograr una implementación de los mismos.

La GEMMA representa cada una de las cuatro situaciones por las que puede atravesar un proceso:

Sin Alimentar.

Funcionamiento (F)

Parada (A).

En falla (D).

Estas situaciones se representan por medio de rectángulos que a su vez están entrelazados con otro que representa la situación de producción.


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Figura 3.54 – Zonas estudiadas por la GEMMA

A continuación se presenta un gráfico de la guía GEMMA propuesta por la ADEPA (del francés Agence Nationale pour le DÉveloppement de la Production Automatiseé = Agencia Nacional para el Desarrollo de la Producción Automatizada).


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Figura 3.55 – Gráfico GEMMA propuesto por la ADEPA


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3.2.2.2.1 Jerarquía de los Grafcet

La GEMMA se asocia comúnmente con una Parte de Comando jerarquizada, cuya estructura puede ser la siguiente:

GRAFCET de Seguridad: administra las paradas en casos de falla (paradas de emergencia). Normalmente se corresponde con el rectángulo-estado D1 de la GEMMA.

GRAFCET de Inicialización: administra los re-arranques después de fallos. Corresponde al pasaje por los rectángulos A5 y A6 de la GEMMA.

GRAFCET de Conducta: integra los modos de marcha y las paradas normales. Es un GRAFCET sin acciones, donde cada etapa se corresponde con un rectángulo de las familias F o A de la GEMMA.

GRAFCET de Tarea: a cada rectángulo-estado se puede hacer corresponder una tarea bajo la forma de un Grafcet, particularmente el Grafcet de Producción Normal (GPN). Un Grafcet de Tarea es un subprograma invocado por el Grafcet de Conducta.

La suma del GRAFCET de Producción Normal y los GRAFCETs de la GEMMA suelen denominarse GRAFCET Completo. El GPN está subordinado a la GEMMA, la cual autoriza o no el franqueo de transiciones en el primero. Las condiciones de transiciones relativas a los procedimientos de dialogo Hombre-Máquina se encuentran en los GRAFCETs de la GEMMA.

En forma resumida, los pasos a seguir son:

1. Estudiar los estados de la máquina a automatizar.

2. Estudiar entre que estados será posible la evolución (enlaces).

3. En forma parecida a como se indican las transiciones en un GRAFCET, indicar las condiciones de evolución requeridas (si existen) para seguir un camino determinado.

3.2.3. Solución del automatismo

Cada celda de trabajo tiene definido su comportamiento mediante una GEMMA, así mismo, el PLC maestro de nivel superior (Área) está descripto por una GEMMA de nivel superior a la cual quedaron subordinados las de los anteriores. Esto es, poseemos una GEMMA de GEMMAs. Se obtiene así un conjunto verticalmente jerarquizado, en el cual los sistemas subordinados no se comunican directamente entre ellos, sino a través de la GEMMA de nivel superior. Las celdas siguen operando bajo el principio de unicidad de modo en sus respectivas GEMMAs, pero el principio no se aplica al conjunto global. El sufijo A hace referencia a la GEMMA de Área.


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GEMMA_AGS_A

(Seguridad)

GI_A

(Inicialización)

GC_A

(Conducta)

GEMMA_C

GI_C

(Inicialización)

GPN_C

(Prod. Normal)

Go_C

(otros)

GEMMA_T

GI_T

(Inicialización)

GPN_T

(Prod. Normal)

Go_T

(otros)

GC_C

(Conducta)

GS_C

(Seguridad)

GC_T

(Conducta)

GS_T

(Seguridad)

Figura 3.56 – GEMMA de GEMMAs del proyecto

3.2.3.1. Operación con recetas

En cada celda se puede definir un conjunto de funciones básicas que, haciendo un uso bien planificado de los recursos, puedan combinarse adecuada y diferentemente para efectivizar distintas recetas trabajo.

En el caso de recetas que necesiten la cooperación de 2 o más celdas, se pueden aplicar diferentes enfoques.

Responsabilidad total de la planificación y ejecución de la receta en cada celda al Nivel de Área (GEMMA_A): las celdas brindarían así las piezas del rompecabezas (funciones) y su ensamblado (ejecución) estaría dirigido desde dicho nivel.

La celda estaría en conocimiento de la concatenación de ejecución de sus funciones, dependiendo de la GEMMA_A únicamente cuando deba coordinarse con otras celdas (unicidad de modo en la celda).

En cualquier caso, pueden necesitarse mensajes adicionales desde la GEMMA_A para parametrizar las operaciones de las funciones involucradas en las recetas. De ser necesaria una mayor interacción entre las operaciones de ambas celdas, se puede aplicar el enfoque expresado en primer lugar, descomponiendo los ciclos de funcionamiento totales en sub-ciclos que puedan ser invocados en forma particular desde la GEMMA_A.

En el desarrollo del proyecto, se utilizó el enfoque expresado en segundo lugar, definiendo los siguientes modos de funcionamiento:

Modo Autónomo: cada una de las celdas opera independientemente de la otra, desarrollando una funcionalidad predeterminada. Los arranques y paradas de cada celda se comandan con accionamientos locales. A los efectos de fijar ideas, se ha impuesto que el modo Autónomo finalice cuando ambos procesos han concluido.


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Receta #1: bajo comando del Grafcet GC_A (GEMMA_A) se ejecutan alternativamente:

o un ciclo completo de la celda de tanques

o dos ciclos completos de celda de cintas

Receta #2: bajo comando del Grafcet GC_A (GEMMA_A) se ejecutan alternativamente un ciclo completo de cada celda.

En todos los modos, una parada general emitida por la GEMMA_A tiene la equivalencia de un orden de “parada solicitada al final de ciclo” para cada celda. Si se está en modo “receta”, la celda operante simplemente terminará el ciclo iniciado, en cuyo momento la receta concluirá. La selección del modo de operación se lleva a cabo en la GEMMA_A, con un conjunto de llaves o mediante teclas de opciones desde el HMI.

3.2.3.2. Solución propuesta para el Automatismo a nivel de Área

A continuación se detalla para la GEMMA del nivel de Área (GEMMA_A) la solución implementada.

3.2.3.2.1 Grafcet de Seguridad

Atiende las Paradas de Emergencia o por Fallas.

100

101

C_Modo_Seg . T_Modo_Seg

Estado global: NORMAL

Msg. a Celda #C:

FORZAR ESTADO SEGURO

Msg. a Celda #T:

FORZAR ESTADO

SEGURO

GC_A { }

102

Reset_gral

Esperar reposición por

el operador

103 GC_A { INIT }

C_Emergencia + T_Emergencia

104Msg. a Celda #C:

FORZAR ESTADO SEGURO

Msg. a Celda #T:

FORZAR ESTADO

SEGURO

C_Falla_OP + C_Falla_OP

C_Modo_Seg . T_Modo_Seg

X0

GC_A { }

Figura 3.57 – Grafcet de Seguridad a nivel de Área – GS

Notas:

C_Emergencia y T_Emergencia junto con C_Falla_OP y T_Falla_OP son variables internas que contienen indicaciones de estado recibidas vía mensajes de las celdas respectivas cuando algunas de ellas detecta un fallo de emergencia o un fallo en su Parte Operativa.

Reset_gral es una orden de reposición, entrada del S7-300.

Si bien las situaciones de falla de la Parte Operativa deben ser atendidas sin dilación por los respectivos automatismos GEMMA, también deben informarse al Nivel de Área, ante una Falla de Emergencia o una Falla Operativa de cualquiera de los procesos, las etapas 101 y 104 garantizan que ambas celdas se establezcan en un modo “seguro”, deteniendo la ejecución de la receta en curso.


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3.2.3.2.2 Grafcet de Conducta

Mediante el mismo se realizan las operatorias de los diferentes modos de funcionamiento antes descriptos.


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Figura 3.58 – Grafcet de Conducta a nivel de Área – GC


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Notas:

Arr_gral es una orden de arranque general, entrada del S7-300

C_Pos_Inicial y T_Pos_Inicial son señales de estado que indican que cada proceso se encuentra detenido en su posición inicial.

C_Fin_Ciclo y T_Fin_Ciclo son señales de estado que indican la finalización de un ciclo completo de funcionamiento de cada uno de los procesos (reportadas por comunicaciones).

Modo_Op es una variable interna en el S7-300: almacena una combinación de entradas digitales que definen un Modo de Operación seleccionado por un operador-supervisor del Área.

Almacen_Modo es una orden de almacenamiento de modo de operación, entrada del S7-300

3.2.3.2.3 Grafcet Manual

Atiende el funcionamiento cuando algunos de los esclavos son activados en modo manual. Luego de reestablecer el modo de funcionamiento, se realiza una inicialización del sistema para asegurar la posición inicial de ambos esclavos.

200

201

C_Modo_Auto . T_Modo_Auto

GC_A { }

202

X0

C_Modo_Manual + T_Modo_Manual

GC_A {Init }

Figura 3.59 – Grafcet de Conducta a nivel de Área – GC

Notas:

C_Modo_Manual y T_Modo_Manual son señales de estado que indican que el proceso respectivo se encuentra en modo manual de operación (reportadas por comunicaciones).

C_Modo_Automático y T_Modo_Automático son señales de estado que indican que el proceso respectivo se encuentra en modo automático de operación (reportadas por comunicaciones).

3.2.3.3. Solución propuesta para el Proceso de Cintas

A continuación se detalla para la GEMMA del proceso de Cintas (GEMMA_C) la solución implementada.


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Atiende las paradas de Emergencia o por Fallas.

Parada de Emergencia . X41Parada de Emergencia

3

2

1

GMAN { }GPN { }GC { }

Parada de Emergencia . Reset de Falla

GC { INIT } GPN { INIT } GMAN { INIT }

X10 . X30 . X50

4

Reset de Falla

Msg. a Celda #M: C_Modo_Seguro

Msg. a Celda #M: C_Emergencia

Msg. a Celda #M: C_Falla_OP

Figura 3.60 – Grafcet de Seguridad proceso Cintas – GS

Notas:

C_Modo_Seguro es una variable generada localmente y enviada al nivel de área para indicar que el sistema se encuentra sin fallos.

C_Emergencia es una variable generada localmente y enviada al nivel de área para indicar que el sistema se encuentra bajo un fallo de emergencia.

C_Falla_OP se generada localmente y es enviada al nivel de área para indicar que el sistema se encuentra bajo un fallo de su parte operativa.


En este caso el Grafcet realiza las acciones de inicialización del proceso de cintas, dicha posición inicial queda conformada con estar presente las piezas en los extremos derechos de ambas cintas.

Una vez inicializado el sistema queda en condiciones de poder comenzar a funcionar en los diferentes modos disponibles, modo manual (etapa 15, junto con el GMAN), modo de producción bajo recetas (etapa 11) y modo autónomo (etapa 11).


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C_Inicializar . (Arr + Arr_HMI)

10

S1.3 . S2.3

18

17

S2.3S1.3

C_Ciclo_a_Ciclo

13

C_Fin_Ciclo

(Modo_OP = Autonomo) . (Arr + Arr_HMI)

11

Prd + Prd_HMI

12

C_Fin_Ciclo

Modo_Manual

15

Modo_Manual

Msg. a Celda #M: C_Pos_Inicial

Mover Cinta C1 hacia la derecha


Figura 3.61 – Grafcet de Conducta proceso Cintas – GC Notas:

C_Inicializar es una variable gobernada desde el nivel de área.

C_Ciclo_a_Ciclo es un comando proveniente del nivel de área para implementar el funcionamiento bajo recetas.

Modo_OP es una orden proveniente del nivel de área utilizada para el modo de funcionamiento autónomo.

3.2.3.3.3 Grafcet de Operación Manual

50

X15 . PB_C2D

53

PB_C2D + S2.3

X15 . PB_C2I

54

PB_C2I + S2.1

X15 . PB_C1D

51

PB_C1D + S1.3

X15 . PB_C1I

52

PB_C1I + S1.1

S1.3


S1.1

Mover Cinta C1 hacia la izquierda

S2.3


S2.1


Figura 3.62 – Grafcet de Procesamiento Manual de proceso Cintas – GMAN


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3.2.3.3.4 Grafcet de Producción Normal

Aquí podemos observar que las evoluciones y acciones referidas a la evolución del sistema bajo producción normal, se encuentran encapsuladas en una macro-etapa M31.

30

X11 + X13

40

14seg / X40

41

M31

14seg / X40

Expansión de la macro-etapa M31

E31

1

32

S1.2


33

S2.1


34

S1.1


35

S2.3


36

S1.3


S31

Figura 3.63 – Grafcet de Producción Normal de proceso Cintas – GPN


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3.2.3.4. Solución propuesta para el Proceso de Tanques

A continuación se detalla para la GEMMA del proceso de Tanques (GEMMA_T) la solución implementada.


Atiende las paradas de Emergencia o por Fallas.

Parada de Emergencia . X41Parada de Emergencia

3

2

1

GMAN { }GPN { }GC { }

Parada de Emergencia . Reset de Falla

GC { INIT } GPN { INIT } GMAN { INIT }

X10 . X30 . X50

4

Reset de Falla

Msg. a Celda #M: T_Modo_Seguro

Msg. a Celda #M: T_Emergencia

Msg. a Celda #M: T_Falla_OP

GDEP { }

Figura 3.64 – Grafcet de Seguridad proceso de Tanques – GS

Notas:

T_Modo_Seguro es una variable generada localmente y enviada al nivel de área para indicar que el sistema se encuentra sin fallos.

T_Emergencia es una variable generada localmente y enviada al nivel de área para indicar que el sistema se encuentra bajo un fallo de emergencia.

T_Falla_OP se generada localmente y es enviada al nivel de área para indicar que el sistema se encuentra bajo un fallo de su parte operativa.


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En este caso el Grafcet realiza las acciones de inicialización del proceso de cintas, dicha posición inicial queda conformada con estar presente las piezas en los extremos derechos de ambas cintas.

Una vez inicializado el sistema queda en condiciones de poder comenzar a funcionar en los diferentes modos disponibles, modo manual (etapa 15, junto con el GMAN), modo de producción bajo recetas (etapa 11) y modo autónomo (etapa 11).

T_Inicializar . (Arr + Arr_HMI)

10

T1_Niv_Inf . T2_Niv_Inf . T4_Niv_inf

18

17

T2_Niv_InfT1_Niv_Inf

T_Ciclo_a_Ciclo

13

T_Fin_Ciclo

(Modo_OP = Autonomo) . (Arr + Arr_HMI)

11

Prd + Prd_HMI

12

T_Fin_Ciclo

Modo_Manual

15

Modo_Manual

Msg. a Celda #M: T_Pos_Inicial

Descargar Tanque 1

Descargar Tanque 2

T4_Niv_Inf

Carga Deposito

GDEP { INIT }

Figura 3.65 – Grafcet de Conducta proceso de Tanques – GC Notas:

T_Inicializar es una variable gobernada desde el nivel de área.

T_Ciclo_a_Ciclo es un comando proveniente del nivel de área para implementar el funcionamiento bajo recetas.

Modo_OP es una orden proveniente del nivel de área utilizada para el modo de funcionamiento autónomo.

3.2.3.4.3 Grafcet de Operación Manual

T1_Niv_Sup

50

X15 . Selec . PB_CaC

53

PB_CaC + T2_Niv_Inf

X15 . Selec . PB_PaP

54

PB_PaP + T2_Niv_Sup

X15 . Selec . PB_CaC

51

PB_CaC + T1_Niv_Inf

X15 . Selec . PB_PaP

52

PB_PaP + T1_Niv_Sup

T1_Niv_Inf

Descargar Tanque 1

Cargar Tanque 1

T2_Niv_Inf

Descargar Tanque 2

T2_Niv_Sup

Cargar Tanque 2

X15 . PB_RecA

55

PB_RecA + T4_Niv_Inf

Cargar Deposito

T4_Niv_Inf

Figura 3.66 – Grafcet de Procesamiento Manual de proceso de Tanques – GMAN


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3.2.3.4.4 Grafcet de Producción Normal

Aquí podemos observar que las evoluciones y acciones referidas a la evolución del sistema bajo producción normal, se encuentran encapsuladas en una macro-etapa M31.

30

X11 + X13

40

60seg / X40

41

M31

60seg / X40

Expansión de la macro-etapa M31

E31

1

32

T1_Niv_Sup

Cargar Tanque 1

33

T2_Niv_Sup

Cargar Tanque 2

34Descargar Tanque 1

S31

Descargar Tanque 2

T2_Niv_InfT1_Niv_Inf

T1_Niv_Inf . T2_Niv_Inf

Figura 3.67 – Grafcet de Producción Normal de proceso de Tanques – GPN

3.2.3.4.5 Grafcet de llenado de Depósito

A través del siguiente Grafcet se realiza el llenado automático del tanque superior del sistema.

X18

3

2

60

T3_Niv_Inf . T4_Niv_Inf

T4_Niv_Inf

Carga Tanque Deposito

Figura 3.68 – Grafcet de Llenado de Deposito de Proceso de Tanques – GDEP


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4. CONCLUSIONES

Para el desarrollo del proyecto se investigaron protocolos de comunicación de uso extendido en la industria a nivel de hardware y software, integrándolos en un sistema acotado que permitió la materialización de una arquitectura de control de mediana complejidad para una planta industrial emulada a escala académica.

Para la implementación práctica se desarrolló un soporte físico compuesto por constituyentes básicos que simulan distintas partes de un proceso productivo, el cual servirá como plataforma práctica para que los alumnos experimenten en la solución de problemas cercanos a los que les demandará el ejercicio de su profesión.

Como consecuencia del trabajo desarrollado se produjo una documentación importante para uso en el Laboratorio de Tecnologías Industriales e Informática Industrial, incluyendo aspectos tutoriales de configuración y uso de las diferentes redes y dispositivos de campo empleados en la implementación.

Se espera que este desarrollo sirva de base para ulteriores trabajos o proyectos finales, tanto en lo tocante a información de soporte como a material físico que permita experimentar sobre los conceptos empleados en el mismo, y avanzar más allá, abordando temáticas de seguridad funcional, desarrollo de sistemas SCADA en el Nivel de Supervisión, uso de aplicaciones embebidas para usos industriales, etc..


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5. BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS

[1] Comunicaciones Industriales. Autores: Guerrero Vicente, Yuste Ramón, Martinez Luis. Alfaomega 2010.

[2] Industrial Communications Systems – Electronics Handbook. Autores: Bogdan M. Wilamowski, J. David Irwin. CRC Press 2011.

[3] Practical Industrial Data Networks – Desing, Installation and Troubleshooting. Autores: Mackay S., Wright E., Reynders D., Park J.. Newnes 2004.

[4] Real-time behaviour of Ethernet on the example of PROFINET. Autor: Heitzer Bernhard. [5] Siemens. Manual de programación PLC Siemens S7-200. Autor: Siemens. [6] Simatic. Ejemplos S7-200 – Notas generales sobre Profibus y CPU215 (Ejemplo N°56).

Autor: Siemens. [7] Simatic. Interface entre S7-300 (Maestro) y S7-200 (Esclavo) mediante Profibus (Ejemplo

N°57). Autor: Siemens [8] Grafcet (Avanzado) Rev-D. Autor: Ing. Rodolfo Recanzone. Marzo 2011 U.N.R. - Dpto.

Sistemas e Informática – Laboratorio de Tecnologías Industriales e Informática Industrial (www.dsi.fceia.unr.edu.ar)

[9] GEMMA Guía de Estudio de los Modos de Marcha y Parada Rev-C. Autor: Ing. Rodolfo Recanzone. Nov. 2010 U.N.R. - Dpto. Sistemas e Informática – Laboratorio de Tecnologías Industriales e Informática Industrial (www.dsi.fceia.unr.edu.ar)

http://www.dsi.fceia.unr.edu.ar/

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