Tema 1

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Tema 1

Introduccin a las redes de comunicacin industriales

Introduccin a las redes de comunicacin industrialesIntroduccin a las redes de comunicacin industriales 22

Bibliografa

l Ttulo: Automatizacin de procesos industrialesl Autor: Emilio Garca Morenol Editiorial : SPUPV (SPUPV-99.4116)l Ao:1999l Tema 1

l Ttulo: Fundamentals of Programmable Logic Controllers, Sensors, and Communicationsl Autor: Jon Stenersonl Editorial: Prentice Halll Ao:1999l ISBN:0-13-746124-0

l Capitulo 10

2Introduccin a las redes de comunicacin industrialesIntroduccin a las redes de comunicacin industriales 33

Contenido

l Modelo Estructural de un Sistema Automatizado

l Niveles de Automatizacinl Jerarqua entre los niveles de comunicacin


Contenido




Modelo Estructural de un Sistema Automatizado

Parte Operativa Parte Control

Comunicaciones

captadores

preaccionadores

Dispositivo de Control

Dilogo

Actuadores

Proceso


Contenido




Niveles de Automatizacin

l Nivel Elementall Asignado a una mquina o proceso sencillo Tareas de vigilancia de tiempos muertos, posicionamiento de

piezas y funciones de seguridad.l Tres grados Vigilancia: en bucle abierto y consiste en la toma por parte del

dispositivo automtico de medidas de una serie de variables, procesando dicha informacin y emitiendo partes diarios de servicio y balance.

Gua operador: en bucle abierto. Variante del anterior con la inclusin de tareas de asistencia mediante propuestas al operador, segn criterios prefijados.

Mando: en bucle cerrado. Consiste en toma de informacin, procesamiento y ejecucin sobre el proceso de acciones de control.



l Nivel Intermediol Se comprende como la explotacin de un

conjunto de mquinas elementales o bien una mquina compleja.

l Tercer Nivell Se caracteriza por ser un proceso completo, e

intervienen adems del control elemental del proceso, otros aspectos como Supervisin, Optimizacin, Gestin de Mantenimiento, Control de Calidad, Seguimiento de la Produccin.


Niveles de Automatizacinl Tercer Nivell Control centralizadol Constituido por una computador, un interfaz de proceso y

una estacin de operador.l Ventajas: Su arquitectura facilita el flujo de informacin y se hace posible

que los objetivos de optimizacin global del proceso puedan ser alcanzados

l Desventaja Depende de la fiabilidad del computador. Si falla!!

Control Centralizado

Proceso A Proceso B Proceso C Proceso DMateriaPrima

Piezas



l Tercer Nivell Control Multicapal Variedad del control centralizado haciendo dos niveles

jerrquicos de control

l Control Jerrquicol Del anterior ampliado a las tareas de planificacin y gestin

empresarial y la correspondiente asignacin a niveles superiores en la jerarqua de control

Control de Supervisin

Proceso A Proceso B Proceso C Proceso DMateriaPrima

Piezas







l Tercer Nivell Control Distribuidol Existencia de varias unidades de control y fabricacin que

llevan a cabo las mismas tareasl En caso de avera o sobrecarga de trabajo, ser posible

transferir todo o parte de las tareas a otras unidades.l Ventajas e Inconvenientes La idea de poder hacer by-pass a las unidades con problemas

permite evitar los bloqueos innecesarios del sistema, pero por otra parte exige que las diferentes islas de produccin tengan una asignacin dinmica de las tareas y por tanto se les va a exigirgran capacidad de acceso a la comunicacin y de tratamiento de la informacin



l Tercer Nivell Control Distribuidol Jerrquico y Distribuido caract interesantesmezclar

caract del control distribuido en estructuras de tipo jerrquico. MIXTA

l Desventajas: disminucin de la velocidad de comunicacin debido a los retardos, posibles desbordamientos en el procesamiento de datos en cada nivel y falta de flujo de informacin directa entre controladores



l Tercer Nivell Control Distribuido

Control de Supervisin

Proceso AProceso BProceso CProceso D

MateriaPrima

Piezas








Dispositivo de unidades de control distribuido

Sistema Flexible de Fabricacin



l Cuarto Nivell CIM (Computer Integrated Manufacturing) Fabricacin

Asistida por Computador Inclusin de forma integrada a la produccin de conceptos

tales como gestin empresarial, planificacin, programacin, etc.

l Un axioma bsico: El CIM ha de planificarse top-down (de arriba abajo),

pero debe implantarse bottom-up (de abajo hacia arriba).



l CIMl Implica una estrategia progresiva de automatizacin,

avanzando segn una serie de etapas:l Clulas: Racionalizar la plantal Islas de automatizacin: Aplicar automatizacin y sistemas

de control a las clulas.l Integracin de Islas en FMS (Flexible Manufacturing

System)l Integracin de planta: Coordinacin de FMS, implantacin

de AMH(Automated Materials Handling)l Unin del CAD/CAM y la plantal Integracin de los MPCS (Manufacturing Planning &

Control Systems)



l Concepto CIMl Objetivosl Reducir los niveles de stock y aumentar su rotacinl Disminuir los costes directosl Control de los niveles de stock en tiempo reall Reducir los costes de materiall Aumentar la disponibilidad de las mquinas mediante la

reduccin de los tiempos de preparacin y puesta a puntol Incrementar la productividadl Mejorar el control de calidadl Permitir la rpida introduccin de nuevos productosl Mejorar el nivel de servicio.



l CIMl Este concepto responde a una estructura piramidal

jerarquizada, producindose en la cspide las decisiones de poltica empresarial.

l En la base lo que se pretende es que las denominadas islas de automatizacin (autmatas programables, mquinas de control numrico, robots, etc.) se integren en un sistema de control jerarquizado y distribuido que permita la conversin de decisiones de poltica empresarial en operaciones de control de bajo nivel.



l CIMl Modelo de la

NBS(National Bureau ofStandards)

Nivel 0: Mquinas/subprocesos

Nivel 1: Controladores

Nivel 2: Supervisin

Nivel 3: Planificacin

Nivel 4: Gestin EmpresarialNivel 4: Factora

Nivel 3: Seccin/Area

Nivel 2: Clula

Nivel 1: Estacin

Nivel 0: Proceso

Nivel 0Conjunto de dispositivos, subprocesos, maquinaria en general, con que se realizan las operaciones elementales de produccin en la empresa.Tambin estn situados los dispositivos de campo que interactuan con el proceso : sensores , actuadores , etc...Es la informacin de menor rango en la pirmide CIM

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l CIMl Nivel 1l Dispositivos lgicos de

control Autmatas programables,

tarjetas de control, ordenadores industriales, etc

Constintuyen los elementos de mando y control de la maquinaria del Nivel 0

Proporciona informacin de actuacin directa al Nivel 0 y de estado al Nivel 2



Nivel 2: Supervisin




Nivel 2: Clula

Nivel 1: Estacin

Nivel 0: Proceso


Niveles de Automatizacinl CIMl Nivel 2

l Nivel de supervisin y control. Se realizan por medios humanos o informticos las siguientes tareas: Adquisicin y tratamiento de

datos Monitorizacin Gestin de alarmas y

asistencias Mantenimiento correctivo y

preventivo Programacin a corto Control de calidad Sincronizacin de clulas Coordinacin de transporte Aprovisionamiento de lneas Seguimiento de lotes Seguimiento de rdenes de

Trabajo



Nivel 2: Supervisin




Nivel 2: Clula

Nivel 1: Estacin

Nivel 0: Proceso

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l CIMl Nivel 2l Este nivel emite rdenes de ejecucin al Nivel 1 y

recibe situaciones de estado de dicho nivell Igualmente recibe los programas de produccin,

calidad, mantenimiento, etc del Nivel 3 y realimenta dicho nivel con las incidencias (estado de rdenes de trabajo, situacin de mquinas, estado de la obra en curso, etc) ocurridas en planta.



l CIMl Nivel 3l El nivel de planificacin.

En este nivel se realizan las siguientes tareas: Programacin de la

produccin Gestin de compras Anlisis de costes de

fabricacin Control de inventarios Gestin de recursos de

fabricacin Gestin de calidad Gestin de mantenimiento



Nivel 2: Supervisin




Nivel 2: Clula

Nivel 1: Estacin

Nivel 0: Proceso

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l CIMl Nivel 3l El Nivel 3 emite los programas hacia el Nivel 2 y recibe de

ste las incidencias de la planta.l Del Nivel 4 recibe la informacin consolidada sobre: Pedidos en firme Previsiones de venta Informacin de ingeniera de producto y de proceso

l Y enva informacin relativa a: Cumplimiento de programas. Costes de fabricacin Costes de operacin Cambios de ingeniera


Niveles de Automatizacinl CIMl Nivel 4l Es el nivel coorporativo.

Se realizan las siguientes tareas: Gestin comercial y

marketing Planificacin estratgica Planificacin financiera y

administrativa Gestin de recursos

humanos Ingeniera de producto Ingeniera de proceso Gestin de tecnologa Gestin de sistemas de

informacin(MIS) Investigacin y desarrollo



Nivel 2: Supervisin




Nivel 2: Clula

Nivel 1: Estacin

Nivel 0: Proceso

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l CIMl Nivel 4l Este nivel emite al Nivel 3 informacin sobre la

situacin comercial (pedidos y previsiones), informacin de ingeniera de producto y de proceso, etc.

l Para poder ajustar la planificacin global este nivel recibe del Nivel 3 la informacin anteriormente indicada sobre cumplimiento de programas y costes, etc.


Contenido



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Jerarqua entre los niveles de comunicacin

l Modelos CIM Jerrquicos : En todos estos modelos existe un flujo de informacin que fluye en dos direcciones :l Flujo Vertical : Descendente (peticiones y rdenes realizadas por un nivel

superior).

Ascendente (informes sobre la ejecucin de rdenes recibidas).

l Flujo Horizontal : Intercambio de informacin entre entidades de un mismo

nivel.



l Caractersticas especficas de las redes locales industriales (frente a ofimtica)l Entorno de funcionamiento hostil (golpes,

atmsfera agresiva, EMI,...)l Restricciones temporales (tiempo max de entrega

de mensajes, prioridad,...)l Arquitecturas adecuadas

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Jerarqua entre los niveles de comunicacinl Clasificacin jerrquica de las redes locales industriales segn el

entorno donde van a ser instaladas :l Red de Factoral redes de oficina : contabilidad y administracin, ventas, ges tin de

pedidos, almacn, .....l Red de Planta l Interconectar mdulos y clulas de fabricacin entre s y con depat

como diseo o planificacin.l Red de Clula l Interconectar disp de fabricacin que operan en modo

secuencial:Robots , CNCs , PLCs , AGVsl Bus de Campo l Sustituir cableado entre sensores -actuadores y los correspondientes

elem de control





Nivel 2: Supervisin




Nivel 2: Clula

Nivel 1: Estacin

Nivel 0: Proceso

Red de Factora

Red de Planta

Red de Clula

Bus de Campo

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Jerarqua entre los niveles de comunicacinl Redes de Factoral Servicios de comunicacin : transferencia de ficheros y proceso de

transacciones.l Volumen de informacin intercambiada l Tiempos de respuesta no crticos.l REDES LOCALES COMERCIALES : OFIMTICA

l Redes de Plantal Enlace entre las funciones de ingeniera y planificacin con las de

control de produccin en planta y secuenciamiento de operaciones.l Volumen de datos que se intercambian importante.l Tiempo de comunicacin no suelen ser crticos.l Ejemplo :

l transmisin a un sist. DNC del programa de mecanizado elaborado en un sist.CAD/CAM

l intercambio de rdenes y respuestas con los controladores de la clula para coordinar su funcionamiento.


Jerarqua entre los niveles de comunicacinl Funcin principal dar soporte a las tareas de supervisin y

monitorizacin :l El trfico de datos es muy variable : secuenciamiento de tareas, mantenimiento de equipos, transf de ficheros

de CAD/CAM, rdenes de produccin a mquinas o clulas de fabricacin,...

Desde msgs cortos de rdenes de ejecucin hasta msgs interactivos de terminales de operarios.

l Amplia variedad de dispositivos puden ser conectados : Workstations para diseo, computadores de control y supervisin de

proceso, incluso pueden llegar a conectarse CNC,PLC,...

l Requisitos de estas redesl Manejar mensajes de cualquier tamao.l Gestin de errores de transmisin eficaces (detectar y corregir).l Cubrir reas extensas (puede llegar a varios kilmetros).l Poder gestionar msgs con prioridades. (Emergencia frente transf de

ficheros CADCAM)l Amplio ancho de banda disponible (datos de otras subredes, voz,

vdeo)

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l MAP (Manufacturing Automation Protocol). En la prctica se emplean soluciones clsicas Ethernet o Token Ring, menor coste y ms experiencia en su implanta-cin frente a las carencias.

l Redes de Clulal Falta de una norma de aceptacin general.l Categoras :l Redes de atumatas (generalmente de fabricante) : Jnet,

Jbus, Modbus, Uni-Telway,....l Redes locales heterogneas : LAC-1, LAC-2, Factor.l Redes normalizadas : Mini-MAP-l Redes de propsito general : Ethernet.


Jerarqua entre los niveles de comunicacinl Caractersticas deseables en estas redes :l Gestionar msgs cortos eficientemente.l Capacidad de manejar trfico de eventos discretos.l Mecanismos de control de error (Detectar y corregir).l Posibilidad de transmitir msgs prioritarios.l Bajo coste de instalacin y de conexin por nodo.l Recuperacin rpida ante eventos anormales en la red.l Alta fiabilidad (Tiempo medio entre fallos > 100.000 horas).

Redundancia slo si es necesario y rentable.l En la prctica son redes :l Tamao pequeo (5 a 50 disp.).l Redes propietarias (dficiles de ampliar a un entorno multivendedor)l Protocolos asncronos (orientados al carcter) Kbps o sncronos

Mbps.l Trfico : msg cortos para control y sincronizacin entre los disp.

controladores , transferencia de ficheros ocasional.

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l Intentos de normalizacinl PROWAY (Process Data Highway) : Instrumentation

Society of America 1985 Topologa en bus y mecanismo de acceso por paso de

testigo, cuyos aspectos funcionales estan orientados a su aplicacin en control deprocesos.

l Mini-MAP : simplificacin de MAP para poder utilizar en entornos de tiempo real. El nivel de aplicacin acceda directamente al nivel de

enlace del modelo OSI


Jerarqua entre los niveles de comunicacinl Buses de Campo (Fieldbus)l Un Bus de Campo debe ser :l Coste bajo.l Tiempo real.l Transmisin serie sobre un bus digital de datos con capacidad de

interconectar controladores con todo el espectro de dispositivos de entrada-salida. Estos incluyen : sensores , transmisores, interruptores y actuadores

sencillos, controladores esclavos inteligentes,...

l Fieldbus utilizado por la IEC(Comisin Electrotcnica internacional).

l Para qu un Bus de Campo?l Mejor calidad y cantidad en el flujo de datos.l Ahorrar peso y coste de cableado e instalacin.l Facilitar ampliacin o reduccin del nmero de elementos del

sistema.l Reducir errores en la instalacin.l Reducir el nmero de terminales y cajas de conexin.

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l Caractersticas de la comunicacin en este entorno :l Pequeo tamao de los msgs .l Con frecuencia el trfico es peridico.l Tiempo de respuesta breves.l Alto nivel de fiabilidad.l Bajo coste.

l Requisitosl Gestionar msgs cortos eficientemente.l Soportar trfico peridico (informacin de estado) como aperidico

(informacin de eventos).l Tiempo de respuesta acotados.l Redundancia que evite que la red quede fuera de servicio por fallos

en puntos crticos.l Mecanismos de control de error. No tiene sentido la retransmisin en

caso de error, informacin de estado del proceso, ANTICUADA.

l Dos tipos : Profibus y FIP.


Jerarqua entre los niveles de comunicacinl Profibus (Siemens y Bosch)l Mtodo de acceso hbrido entre el enfoque

centralizado(maestro/esclavo) y el distribuido(paso de testigo).l Un segmento admite hasta 127 dispositivos, 32 pueden config como

activos.l Los disp activos forman un anillo lgico mediante paso de testigo. El

nodo con testigo puede, durante un tiempo limitado, ser maestro del enlace respecto a otros dispositivos.

l Los diferentes servicios se basan en telegramas intercambiados entre maestro y esclavos a traves de conexiones lgicas.

l Velocidades de 9600 bps a 500 kbps .l Longitud de 200 a 1200 m.l Ms de 100 fabricantes.

l FIP (Telemecanique y Cegelec)l Velocidad de transmisin (30 kbps a 2 Mbps). Estndar 1 Mbps.l Longitud de hasta 2 km sobre par trenzado o fibra ptica.

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l Protocolo basado en el principio productor/consumidor Cada equipo esta siempre a la escucha y las transmisiones se

realizan bajo el control de un equipo especial (el rbitro de bus). Las peticiones de informacin se construyen de acuerdo a una tabla de rdenes que contiene identificadores de variables. Al decodificar el nombre de variable asociado a la informacin que l produce, un dispositivo transmite los valores actuales correspondientes. Esta informacin es consumida por todos los receptores que reconocen el nombre de la variable. Este modo de funcionamiento garantiza que todos los dispositivos consumidoresactualizan su informacin del proceso de forma simultnea.

l Principalmente fabricante franceses e italianos.



l Tendencias : Control buses o sensor buses, no en entorno industrial.l CAN (Controller Area Network) Desrrollada por Bosch para automocin Reducir el cableado en vehiculos. Sist microporocesadores

(control de suspensin, ABS,...) Redes industriales basadas en CAN : DeviceNet de

AllenBradley ; SDS de Honeywell.

l BACnet (redes de control ambiental)l CEBus (bus para electrnica de consumo)l LonWorks (Domtica, Automatizacin de edificios,...)

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l European Installation Bus EIBl Utilizacin para la automatizacin de edificios de las

siguientes aplicaciones: Control de iluminacin Control de persianas Control de calefaccin Administracin de cargas y energa Servicio y observacin

l Estndar internacionall Abierto e independiente de fabricantesl Promovido por la EIBA



l AS Interfacel Red actuador-sensor

Un slo cable en lugar decientos !

Cableado convencional AS-Interface

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l 3 Niveles de comunicacin en la jerarqua de las comunicaciones industriales segn:l Volumen de informacinl Tipo de informacin transferidal Restricciones temporales

l Transparencia siguiente:l Red de factora y red de planta Nivel de fbrical Red de celda Nivel de Celdal Bus de campo Nivel de Campo



CNCPC/VME

VME/PC

PLC DCS

ControladorArea

Ethernet/TCP/IP TCP/IP/Ethernet

PROFIBUS-FMS

PROFIBUS-DP PROFIBUS-PA

Nivel de fbrica

Tiempos deciclo bus < 1000 ms

Nivel del celda

Tiempos deciclo bus < 100 ms

Nivel de campo

Tiempos de ciclo bus < 10 ms

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