Comunicaciones Industriales

Introducción a las Redes de Comunicaciones Industriales

TEMA – Introducción a las Comunicaciones Industriales

1. – Introducción

2. – Visión Histórica

3. – Las Comunicaciones en los Entornos de Fabricación

4. – Tecnologías de la Información en el Control de Procesos

5. – Arquitecturas de Fabricantes

Índice

Introducción

Los Sistemas de Comunicación proporcionan el esqueletosobre el se articulan las estrategias de automatizaciónLos sistemas de comunicación industrial son mecanismos de intercambio de datos distribuidos en una organización industrial

Intercambio de datos on-line y, en los niveles inferiores de la pirámide (sensores, actuadores, máquinas, células de fabricación, etc.), se exige el requisito de tiempo real.

Intercambio de datos eficiente y de bajo coste temporal y económico

Los procesos de tiempo real requieren una acotación determinista máxima de sus tiempos de ejecución

Objetivos

El objetivo primario del sistema de comunicación es el de proporcionar el intercambio de información (de control) entre dispositivos remotosEste intercambio de información puede realizarse en base a distintas tecnologías:

Comunicación punto a punto analógica

Comunicación punto a punto digital

Comunicación punto punto híbrida

Comunicación digital con bus de campo

Las tecnologías avanzadas admiten obtener prestaciones adicionales

Requerimientos de los Usuarios de Redes IndustrialesReducción de la programación

Evitar el manejo de datos por el PLC en funciones de control

Evitar la programación de nodos existentes al añadir nuevos nodos

Aumentar las prestaciones del sistemaDeterminismo

Efectividad del ancho de banda

Reducción del cableadoControl, programación y diagnosis sobre la misma red

Soluciones escalablesElección del controlador adecuado para el control, no para el manejo de datos

Añadir o eliminar dispositivos sin influir en otros dispositivos del sistema

Reducción de los tiempos de paroDiagnóstico de los dispositivos

Información predictiva

Eficiencia en las Redes de AutomatizaciónHoy día las redes operan más rápidamente que en el pasadoLa pura velocidad no es el problema, lo es la eficienciaCuanta más eficiente es la red manejando datos, mayor es el throughput y la productividadEjemplo: aumentar el límite de velocidad en una autopista deentrada a una ciudad no implica llegar más rápido en horas punta.

Automatización con PLC´s (I)

Hace 20 años Hace 10 años

Automatización con PLC´s (II)

Situación Actual

Variedad de Dispositivos

MITSUBISHIMITSUBISHISIEMENSSIEMENSALLEN-BRADLEY........

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DeviceNetDeviceNet SinecSinecSinecMelsecNetMelsecNet

Modelos Dependientes del Fabricante

Importancia de las Redes Industriales

El control tiende a distribuirse.Los sistemas productivos actuales necesitan un gran flujo de información.

Sistemas de información: bases de datos corporativa

Dispositivos gráficos: supervisión, paneles HMI,..

Diagnósticos avanzados

La red de comunicaciones se ha convertido en una parte indispensable en el diseño del sistema de control.El modelo de red utilizado influye poderosamente en las prestaciones del sistema de control utilizado.

Distribución de controladores para

mejorar las prestaciones

Distribución de I/O para reducir costes

de cableado

ElementoControl

ElementoDispositivo

Abierto

Dispositivos distribuidospara eliminar I/O y reducir cableado

Abierto conDiagnóstico

Dispositivos con diagnósticos para mejorarla disponibilidad del proceso

Dispositivos con capacidad lógica para

mejorar las prestacionesy reducir costes• Distribución del Control

• Migración del Control en otros dispositivos• Aumento de la importancia de las Redes

Tendencias del Control Distribuido

Cambio de Paradigma en el Control Distribuido

• Adquisición I/O basada en scan

• Comunicaciones intensivas

• Múltiples caminos de datos

• El fallo permanece al nivel del PLC

• I/O más cercanas al dispositivo de campo

I/O Descentralizadas y Proceso1990’s

Flex I/O

Drive

PBPanel

• Adquisición de datos basada en eventosEvent-Cambio de estado o Peer-Peer)

• Menos comunicaciones intensivas

• Caminos de datos dedicados

• Fallo limitado al dispositivo

Control Distribuido2000

Multi-disciplinedController

Drive w/PIDAxis Controller

PB Panel

Prox

Flex I/O

O.I.

PackagedController

• Lógica solo en el controlador

• Adquisición I/O basada en scan

• Comunicaciones intensivas

• Unico camino de datos

• Un punto de fallo

Control Centralizado1980’s

Problemática Histórica

Diferentes tipos de dispositivosGran número de fabricantesCaracterísticas diferentes de un mismo tipo de dispositivoFalta de normalización

Controlador de Célula

Dispositivosde control

API CN ROBOT

Operaciones- Control de tareas de la máquina - Supervisión- Control de producción - Monitorización

Comunicaciones a Nivel de Célula

Controlador de Célula

Dispositivode control

API

CNROBOT

a) b)

Adaptador

Placa multipuerto

APICN ROBOT

c)

Servidor de terminales

RS 232C

Red local

Alternativas de Integración – Punto a Punto

Controlador de Célula

Dispositivode control

Red local

Dispositivode control

Dispositivode control

Características- Fiables- Fácil instalación- Específicas de fabricante

Alternativas de Integración – Red Local Privada

Arquitectura MAP

Nace en la General MotorsObjetivo: comunicar equipos de diferentes fabricantesConsistente con el modelo de referencia OSI de ISOEstandarizada para IEEE 802.3 y para IEEE 802.4Servicios MMSDefinida en ISO 9506 parte I y II

Alternativas de Integración Industrial

Buses de actuadores – sensores:Se han presentado múltiples iniciativas

Interbus-S de Phoenix ContactAS-i (Actuador-Sensor Interface)DeviceNet (Controller Area Network CAN)

Buses de campo:Se han presentado múltiples iniciativas

Bitbus de IntelFIP de origen francésPROFIBUS de origen alemánControlNet (Controller Area Network CAN)

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Mae

stro

• Tiempo de ciclo breve y constante

• Alta fiabilidad de la transmisión con datos de

pequeño tamaño y alta eficacia del protocolo

• Transmisión simultanea de datos de E/S y

mensajes sin influencia mutua

• Manejo sencillo

Requisitos para el Bus de Sensores/Actuadores

Requisitos para el Bus de CampoCaracterísticas de un Bus de Campo

Diseñado para transmitir pequeñas cantidades de datos

Cubrir necesidades de tiempo real

Tener gran compatibilidad electromagnética

Número reducido de estaciones

Fácil configuración

Protocolos simples y limitados

Bajos costes de conexión

Pseudoconsistente con el modelo OSI de ISO

Ventajas que AportaReducir coste de cableado de la instalación

Facilita la ampliación o reducción de elementos

Permite integrar los dispositivos menos inteligentes

Integración de dispositivos de control

Nivel decorporación

Nivel de planta

Nivel de proceso

Nivel decélula

Nivel decampo

Gestión y diseñoHost y estación de trabajo

Planificación ycontrol de producciónEstación de trabajo

Control del procesoEstación de trabajo,PC industrial

FabricaciónAPI’s, CN’s, Robots,PC industrial

Sensores, actuadores,pequeños sistemasde control

Célula A, B, C..

sensor actuador reguladorM

Pequeños autómatas

API CN

Estructura Jerárquica de la Comunicaciones Industriales

Estructura Jerárquica de la Comunicaciones Industriales II

Nivel medioPROFIBUS

Industrial Ethernet

Nivel actuador-sensor

Interfase actuador-sensor

PROFIBUS Nivel de campo

Industrial Ethernet Nivel de gestión

Válvula

BUS DE CAMPO

Presión Temperatura Flujo

CONTROLADOR

Buses de CampoLos buses de campo conectan sensores, actuadores, controladores y dispositivos similares en el nivel inferior de la estructura jerárquica de la automatización industrial.Una arquitectura de bus de campo es un sistema abierto de tiempo real. Pero no necesariamente ha de conformarse con el modelo OSI de 7 capas, pues es más importante que la conexión sea de bajo coste y alta fiabilidad frente a las posibilidades de interconexión a redes generales.

mensaje 1 mensaje 2 mensaje 3

Transmisor Actuador

Controlador

Comunicación Digital: Buses de CampoObjetivo: Reducción y simplificación del cableado a costa de reducir la disponibilidad de la información (codificación digital muestreada en el tiempo y discretizada en su valor).

La información se multiplexa temporalmenteCanal bidireccionalSe requiere un procedimiento de acceso de la información al canal Se requiere un método de identificación de la información transmitida

COMM

A/D D/A

Controlador

COMM

uC+conv

Comunicación Digital: Buses de CampoValor añadido: Aprovecha la tecnología para otras funcionalidades

Carga y descarga de programas

Seleccionar y controlar la ejecución de programas

Indicación continuada de operatividad y estado

Transmisión de información adicional a la de control

(Válvula: nº ciclos/día, temperatura carcasa, max/min/med, etc)

Identificación de dispositivo

Otras funcionalidades

Capa de Usuario Bloques funcionalesModelos abstractosPerfiles de dispositivos

Capa de Aplicación Servicios de aplicaciónServicios de mensajería

Capa de Enlace Establecer y liberar el enlace lógicoControl de errores y flujo en el enlaceSincronización de la transmisiónControl de acceso al medio

Capa Física Velocidad de transferenciaTopología y distancias máximasCodificación y transmisión de datosCarac. electr. mecán. funcionales.

Capa de Aplicación

Capa de Usuario

Capa de Enlace

XXXX

Capa Física

Estructura de Capas del Bus de Campo (I)La configuración más ampliamente consensuada es la de tres capas, correspondientes a las capas física, de enlace de datos y de aplicación. También usualmente se considera la capa de usuario.

Estructura de Capas del Bus de Campo (II)

FÍSICO

ENLACE

RED

TRANSPORTE

FÍSICO

ENLACE

FÍSICO

Stack de Comunicaciones

USUARIO

Subnivel de Acceso FB

Especificación de Mensaje de FB

USUARIO

Modelo OSI Modelo Field Bus

SESIÓN

PRESENTACIÓN

APLICACIÓN

USUARIO

Modelos de Relación de Aplicación (AR)

Maestro-Esclavo: Una entidad gobierna todos los servicios de transacción.

Orden ----------> RespuestaProductor-Consumidor: Cada entidad produce información, que adquieren los consumidores.

Consumo <---------- ProducciónCliente-Servidor: Dos entidades cooperan para proporcionar servicios de transacción. El cliente realiza una petición que el servidor procesa y sirve.

Petición ----------> IndicaciónConfirmación <---------- Respuesta

Publicista-Subscriptor: Las entidades operan autónomamente. El publicista publica datos a uno o más subscriptores, que no necesitan responder.

Publicación ----------> Adquisición

1,4,...

Maestro/Esclavo

E/S 1 E/S 2 E/S 3

2,5,... 3,6,...

PLC

cada 25 ms

E/S 1 E/S 2 E/S 3

cada 2000 ms cada 500 ms

PLC

ProducciónCíclica de Datos

Multimaestrocon

MultirepartoE/S 1 E/S 2 E/S 3

PLC 1

E/S 4

PLC 2 PLC 3#1

#2

Modelos de Relación de Aplicación (AR)

ActuadorSensor

Dispositivo

Control

GestiónEthernet Ethernet

ProfibusFMS

ProfibusDP&PA

AS-i

Europa (Siemens) USA (Rockwell)

ControlNet

DeviceNet

FoundationFieldbus

Nivel jerárquico

Tipos de Buses de Campo

Nivel Dispositivo

Estación MMI

24vdc

509 -BOD

Modular I/OBloque I/O Micro Drive

Nivel Control

Gateway

Dispositivo de Programación PC

Motor Arranque

Micro PLC

Interface de Operador

Drive

Servo

Gateway

PC Mantenimiento

Desktop PC

Controlador

Arquitectura de un SCD

Nivel Gestión

Information

Discrete Device

Automation and Control

Process Device

Estrategia de Redes Rockwell Automation

Internet

Ethernet

ControlNet ControlNet

DeviceNet DeviceNet

RIO

DH+

Planificación de Redes – Estrategia Americana

Planificación de Redes – Estrategia Europea

CNCPC/VME

VME/PCPLC DCS

Controladorde Área

Ethernet/TCP/IP MAP/MMS Ethernet

PROFIBUS-FMS

PROFIBUS-DP PROFIBUS-PA

NivelPlantaTiempo de

Ciclo de Bus< 1000 ms

NivelCélulaTiempo de

Ciclo de Bus< 100 ms

Nivel CampoTiempo de

Ciclo de Bus< 10 ms

OPC un nuevo Standard en la Industria

La Fundación define y desarrolla OPC

Miembros entre otros :

Microsoft

Siemens

OPC es la unión entre el programa de automatizacióny el area de oficina.

OPC – OLE Process Control

OPC – Necesidad de OPC

SoftwareDriver

SoftwareDriver

SoftwareDriver

SoftwareDriver

Aplicacióngráfica

Aplicaciónde tendencias

Aplicaciónde informes

OPC – Solución del Problema

SoftwareDriver

SoftwareDriver

SoftwareDriver

SoftwareDriver

OPC OPC OPC OPC

Aplicacióngráfica

Aplicaciónde tendencias

Aplicaciónde informes

OPC OPC OPC

OPC – Tipos de Clientes

OPC y las Comunicaciones (Simatic NET)