Un poco de historia MAP, TOP y MiniMAP

Se pueden considerar a los interfaces desarrollados para comunicar ordenadores con sus periféricos como las raíces de los buses de campo actuales. Esta idea se exportó pronto para comunicar sistemas de control de procesos con el equipamiento de instrumentación. Esto condujo al desarrollo de las primeras redes de instrumentación, aunque no se pueden considerar buses de campo, como CAMAC1 (Computer Automated Measurement and Control) en la industria nuclear. Este bus paralelo con líneas independientes de datos y de control soportaba una alta densidad de módulos digitales. A nivel de módulo, la funcionalidad variaba mucho según los fabricantes, y los módulos que eran hechos a medida inevitablemente requerían de un esfuerzo considerable en el software de intercambio de datos. Otra de las primeras redes de instrumentación fue la desarrollada por Hewlett-Packard en los 60 para conectar sus dispositivos de instrumentación (HP-IB), como multímetros y osciloscopios. La popularidad de HP-IB hizo que otros fabricantes copiaran su implementación, denominándola General-Purpose Instrumentation Bus (GPIB). Finalmente, en 1975 se convirtió en un estándar, siendo denominado IEEE 488, al que posteriormente se le han aplicado algunas revisiones. ARCNET (Alliance

Research Centre Network) se desarrolló en 1977 por Datapoint Corporation. El

mecanismo de control de acceso al medio estaba basado en el paso de testigo, y una topología en estrella con cable coaxial. Esta red se utilizaba principalmente, más que en la adquisición de datos, para las redes de oficina.

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CAP. 3. MODELO OSI DE RI. BUSES DE CAMPO. ORG. Y ESTANDARIZACIÓN 73 En otros sectores como en la industria aeronáutica y aeroespacial, la demanda en la reducción del cableado condujo al desarrollo del bus de campo MIL-STD-1533 en 1970 (de ISA, Instrumentation, Systems and Automation

Society), al cual se puede considerar el primer bus de campo. Éste tiene muchas

de las propiedades de los actuales buses de campo: transmisión serie de información y control sobre la misma línea, estructura maestro/esclavo, posibilidad de cubrir grandes distancias, y controladores integrados.

En el campo de la automatización, a finales de los años 70 se desarrollaron redes propietarias para conectar autómatas (o PLC, Programmable Logic

Controller). Algunas de éstas son, de Allen Bradley: Data HighWay y Tiway-

Texas Instrument Way; de Westinghouse Distributed Processing Family (WDPF) o, de Modicon, Modbus.

La aparición de buses de campo para la comunicación con PLCs de determinados fabricantes no resolvía los problemas en los sistemas de automatización de grandes compañías que utilizaban todo tipo de productos y proveedores en sus procesos de producción. Era necesaria la integración de estos sistemas, pero al ser éstos heterogéneos, esta integración se convertía en una tarea compleja. A finales de los años 70, General Motors Co. se percibió de qué más de la mitad de su equipo de automatización se dedicaba a implementar interfaces particularizados entre los dispositivos de automatización. Además, la mayoría de los dispositivos eran incapaces de comunicarse fuera de su área. A esta problemática es lo que habitualmente se ha denominado “Islas de Automatización”, donde sólo los dispositivos del mismo fabricante entienden el protocolo, haciendo muy compleja e incluso imposible la comunicación entre diferentes islas. En 1986 Mr. Mike Kamiski, gerente del proyecto MAP de General Motors, describía la situación de esta forma:

Solamente un 15% de los 40.000 dispositivos programables, controladores y sistemas actualmente instalados en General Motors son capaces de comunicarse entre sí. Cuando se da esta comunicación, ésta es costosa, representando el 50% del coste total de la automatización debido al cableado especial y a los interfaces hardware y software necesarios.

Los costes de cableado se producen cada vez que un nuevo sistema es instalado y de nuevo, cada vez que el proceso de producción cambia. En el negocio automovilístico, donde el diseño de nuevos modelos se da anualmente, los costes de recableado son significantes. Se necesitan interfaces especializados proporcionados por los suministradores con métodos de comunicación propietarios. Habitualmente es necesario software hecho a medida para comunicar dos aplicaciones de proceso. Para empeorar aún las cosas, puede existir en diferentes aplicaciones de proceso software incompatible que realiza funciones similares.

74 COMUNICACIONES INDUSTRIALES: SIS. DISTRIBUIDOS Y APLICACIONES Se espera incrementar el equipamiento de automatización en las plantas de GM en un 400-500% en los próximos 5 años. El problema de la comunicación se nos irá de las manos si no se encuentra una solución.

Una situación parecida se encontró Boeing cuando intentó interconectar sus diferentes oficinas y centros de datos distribuidos. Equipos de más de 85 diferentes fabricantes tenían que comunicar entre ellos.Esta problemática para comunicar sus diferentes equipamientos entre sí condujo a GM y Boeing al desarrollo de los protocolos denominados MAP (Manufacturing Automation

Protocol) y TOP (Technical Office Protocol) respectivamente. MAP pretendía

ser el protocolo para procesos de control industrial, cubriendo todos los niveles, desde la comunicación entre las oficinas técnicas y las plantas de fabricación, a la comunicación entre máquinas y robots dentro de cada planta. Boeing perseguía con el desarrollo de TOP los mismos objetivos, aunque en un ámbito diferente, la comunicación entre centros administrativos, técnicos y de gestión. Ambos grupos de desarrollo de protocolos decidieron colaborar, de forma que excepto los niveles inferiores, son totalmente compatibles. MAP utiliza únicamente una red de paso de testigo en bus denominada IEEE 802.4, mientras que TOP permite tanto el uso de Ethernet (o IEEE 802.3) como la red de paso de testigo en anillo Token Ring (IEEE 802.5). En la capa de enlace se usa en los dos casos el protocolo 802.2 (LLC o Logical Link Control), mientras que los niveles superiores son compatibles. La única excepción en los niveles inferiores es la posibilidad de usar los protocolos X.25/X.21 para la interconexión remota de equipos a través de las redes de conmutación de paquetes (Fig. 3.1).

Un concepto que surgió también en esa época fue el de CIM (Computer

Integrated Manufacturing). Utiliza la tecnología de los ordenadores en todas las

etapas de producción, desde el diseño al control de calidad final. Sus funciones son: gestión y proceso de datos, diseño asistido por ordenador (CAD, Computer

Aided Design), fabricación asistida por ordenador (CAM, Computer Aided Manufacturing) y fabricación flexible (FMS, Flexible Manufacturing Systems).

El soporte a estas unidades funcionales se realiza a través de una organización estructurada. El modelo de referencia ISO para la automatización industrial define la jerarquía que ha de dar soporte a todas las funciones de producción desde el nivel superior, la empresa, al nivel de encargado de la producción de la empresa, el nivel de equipamiento (Tabla 3.1). Esta jerarquía CIM exigía determinados requerimientos de comunicaciones diferenciados según el nivel CIM en que nos encontremos. A nivel de los requerimientos de comunicaciones existen diferentes propuestas de jerarquías CIM, habitualmente todas con los niveles en común de campo, proceso, planta y factoría (Fig. 3.2).

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76 COMUNICACIONES INDUSTRIALES: SIS. DISTRIBUIDOS Y APLICACIONES TABLA 3.1. Modelo de referencia ISO de la jerarquía CIM. Technical Report ISO

TC184/SC5/WG1-N58

Nivel Jerarquía Control Responsabilidad Funciones básicas 6 Empresa Gestión

corporativa

Gestión corporativa. Facilitar los objetivos

de la empresa Gestión corporativa Finanzas Marketing y ventas Investigación y desarrollo 5 Factoría/ planta Planificación de producción Implementación de las funciones de la empresa, planificación de la producción Diseño de producto e ingeniería de diseño Gestión de recursos Mantenimiento 4 Sección/ Área Asignacióny supervisión de materiales y recursos Coordinar la producción. Obtener y asignar recursos Gestión de producción Gestión de recursos Envío Tratamiento sobrantes 3 Célula Coordinación demúltiples máquina y operaciones Secuenciamiento y supervisión de los trabajos a este nivel.

Supervisión de servicios de soporte Producción nivel de célula 2 Estación Secuencias de comandos de automatización Dirigir y coordinar la actividad de los equipamientos de este nivel Producción nivel estación 1 Equipo Activar secuencias Ejecución de comandos de producción Producción nivel equipamiento

Hacia 1987 MAP percibió que diferentes aplicaciones requieren diferente funcionalidad y prestaciones de los equipos de red. Por otra parte la complejidad del protocolo MAP hacía que su implementación fuera extremadamente costosa, además de no satisfacer plenamente los requerimientos temporales de los niveles inferiores CIM. Para satisfacer esta realidad se promovieron tres arquitecturas diferentes. Full MAP es la arquitectura propuesta para la comunicación típica entre ordenadores, como la transferencia de ficheros, caracterizada por la transmisión de grandes cantidades de información entre equipos muy distantes, incluyendo subredes, y que está compuesta por los 7 niveles mencionados y que se pueden ver en la Figura 3.1.

CAP. 3. MODELO OSI DE RI. BUSES DE CAMPO. ORG. Y ESTANDARIZACIÓN 77 Otra propuesta fue EPA MAP (Enhanced Performance Architecture MAP). En esta arquitectura se proporcionan los 7 niveles para la transferencia de mensajes entre múltiples redes y subredes, y un mecanismo de bypass de los niveles 3-6 para mejorar la transferencia de mensajes entre nodos dentro de la misma red. La propuesta miniMAP es una versión más sencilla del protocolo, que usaba únicamente los niveles OSI 1, 2 y 7. El objetivo era reducir los costes de los dispositivos de automatización, y así abordar mejor los problemas de los niveles CIM más bajos. Para ello, también se modificaron la capa física y de enlace. En la capa física se elimina el sistema de transmisión en banda ancha sobre cable coaxial, sustituyéndose por una transmisión en banda portadora también sobre coaxial, abaratando así el cableado y el interfaz de red de cada dispositivo. En la capa de enlace se sustituyó la norma IEEE 802.2-1 por la IEEE 802.2-3, que proporciona los servicios de envió de datos con acuse de recibo y petición de datos con respuesta

FIGURA3.2. Jerarquía CIM.

Desafortunadamente estos protocolos no tuvieron éxito, aunque sí lo tuvo MMS (Manufacturing Message Specification). Esta especificación definía la cooperación entre diferentes componentes de automatización por medio de objetos abstractos y servicios, habiendo sido ampliamente usada como punto de partida en la definición de muchos otros buses de campo. La poca aceptación de MiniMAP y la imposibilidad de aplicar el estándar original MAP/MMS en los sistemas de tiempo real condujeron a IEC a lanzar el desarrollo de un bus de campo basado en el modelo MiniMAP, proceso que será analizado en la sección 3.4.

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