SISTEMAS DE AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIALES
Los sistemas de automatización industriales pueden ser muy complejos, y normalmente están estructurados dentro de varios niveles jerárquicos. Cada nivel jerárquico tiene un apropiado nivel de comunicación que coloca requisitos diferentes en la comunicación de red..
Nivel de campo
El nivel más bajo de la jerarquía de automatización es el nivel de campo que incluye los dispositivos de campo como actuadores y sensores. Los dispositivos de campo elementales a veces son clasificados como elementos de nivel. La tarea de los dispositivos en el nivel de campo es transferir datos entre el producto fabricado y el proceso técnico. Los datos pueden ser binarios y analógicos. Los valores moderados pueden estar disponibles para un periodo corto de tiempo o por un periodo largo de tiempo.
jerarquía de un sistema de automatización industrial
Para el nivel de campo la comunicación, paralelo, cables de varios alambres e interfaces de corriente como la de 20mA han sido ampliamente usados desde el pasado. Las normas de comunicación serie como RS232C, RS422 y RS485 son normalmente usadas como protocolos junto con las normas de comunicación paralela IEEE488. Estos métodos de comunicación de punto a punto han
evolucionado a la red de comunicación de bus para cubrir con el costo de cableado y lograr una comunicación de alta calidad.
Hoy día, el fieldbus es usado a menudo para el traslado de información en el nivel de campo. Debido a los requisitos de tiempo que tienen que ser observado estrictamente en un proceso de automatización, las aplicaciones en el nivel de campo requieren control cíclico de las funciones de transporte que transmiten la información de la fuente a intervalos de regulación. La representación de los datos debe ser tan corta como sea posible para reducir el tiempo de transferencia del mensaje en el bus.
Nivel de célula
En el nivel de célula, el flujo de información consiste principalmente en la carga de programas, parámetros y datos. En procesos con pequeñas maquinas los tiempos inactivos y reajustes, esto se hace durante el proceso de la producción. En pequeños controles puede ser necesario cargar subprogramas durante un ciclo industrial. Esto determina los requisitos de regulación. Para el funcionamiento del nivel de célula, la sincronización de la máquina y el manejo de evento pueden requerir tiempos cortos de respuestas en el bus. Estos requisitos en tiempo real no son compatibles con excesivos tiempos de transmisión de aplicación de programas, haciendo necesaria una adaptación de segmentación del mensaje. Para lograr los requisitos de comunicación en este nivel, se han usado redes de área local como la red de comunicación. Después de la introducción del concepto de CIM y el concepto de DCCS, muchas compañías desarrollaron sus propias redes para el nivel de célula de un sistema de automatización. El Ethernet junto con TCP/IP ((protocolo de control de la transmisión / protocolo de Internet (transmission control protocol / internet protocol)) fue aceptado como un factor normal para este nivel, aunque no se puede proporcionar una verdadera comunicación en tiempo real.
Muchos esfuerzos se han hecho para la regularización de la red de comunicación para el nivel de célula. La norma IEEE de red basada en la arquitectura de capas OSI y la red mini-Map fue desarrolló en los años ochenta para comprender una comunicación normal entre los varios dispositivos de vendedores diferentes. Algunos fieldbuses también pueden usarse para este nivel.
Nivel de área
El nivel del área consiste en células combinadas dentro de grupos. Las células están diseñadas con aplicaciones orientadas al funcionamiento. Por los controladores de nivel de área o operadores de control, él controlando y las funciones intermedias están hechas como objetivos de producción, el encendido de la máquina y apagado, y actividades de emergencia.
Nivel de planta
El nivel de planta, es el nivel de cima de una planta o un sistema de automatización industrial. El nivel de planta de controlado reúne información de administración para los niveles de área, y maneja todo el sistema de automatización.
Medios de transmisión.
Un factor principal al elegir una red de comunicación industrial es el tipo de sistema de cableado físico o los medios de transmisión. Los más comunes medios de transmisión para las redes de comunicación industrial son alambres de cobre, en la forma de coaxial o par trenzado, fibra óptica y las tecnologías inalámbricas están también siendo usadas.
El cable coaxial se usa para la transmisión de datos a gran velocidad en distancias a varios kilómetros.
El cable coaxial está ampliamente disponible, relativamente barato, y puede ser instalado y mantenido fácilmente. Por estas razones se usa ampliamente en muchas redes de comunicación industriales.
El par trenzado puede ser usado para transmitir datos en banda base a varios Mbit/s en distancias de 1 Km o más pero cuando la velocidad se aumenta la longitud máxima del cable es reducida. El par trenzado se ha estado usado durante muchos años y este también se usa ampliamente en redes de comunicación industrial. Es menos caro que el cable coaxial, pero no proporciona alta capacidad de transmisión o buena protección de la interferencia electromagnética.
La Fibra óptica proporciona un incremento en la capacidad de transmisión arriba de giga bits, y es libre de la interferencia electromagnética. Sin embargo, el equipo asociado requerido es más caro, y es más difícil de derivar para las conexiones de multidrop. También si es usado para los cables del sensor en plantas de proceso se requeriría separar la instalación eléctrica de cobre para los instrumento de alimentación, que podrían también usarse para transmisión de señales.
En muchas situaciones de medición móvil o temporal, lo dispositivos inalámbrico es una buena solución y está siendo usada ampliamente.
Métodos de transmisión
La comunicación de datos puede ser analógica o digital. Los datos analógicos toman continuamente los cambios en el valor.
La transmisión puede ser asíncrona o síncrona, dependiendo de la manera de envió de los datos. En modo de transmisión asíncrona, los caracteres se envían usando el principio y el fin del código y cada carácter puede ser enviado independientemente a una velocidad no uniforme. El modo de transmisión síncrona es el método más eficaz. Los datos son transmitidos en bloques de caracteres, la salida exacta y el tiempo de llegada de cada bit son predecibles porque el reloj del remitente y el receptor están sincronizados.
Los métodos de la transmisión en redes de comunicación industriales incluyen banda base, banda ancha, y banda portadora. En una transmisión de banda base, la transmisión consiste en un juego de signos que se aplican al medio de transmisión sin estar trasladada en frecuencia.
La transmisión de banda ancha usa un rango de frecuencias que puede ser dividido en varios canales. La transmisión portadora usa sólo una frecuencia para transmitir y recibir información.
La transmisión digital en fibra óptica es basada en representar los unos y ceros como pulsos de luz.
Topología de red
Tres principales topologías son empleadas para las redes de comunicación industriales: estrella, bus y anillo como se muestra en la Figura 1.2.
Una configuración estrella contiene un control central, en que todos los nodos están conectados directamente. Esto permite una conexión fácil para las redes pequeñas, pero los controles adicionales deben ser agregados cuando un número máximo de nodos se alcanza. El fallo de un nodo en una configuración de estrella no afecta otros nodos.
En la topología bus, cada nodo es directamente unido a un canal de comunicación común. Los mensajes transmitidos en el bus son recibidos por todos los nodos. Si un nodo falla, el resto de la red continúa en funcionamiento siempre que el nodo fallado no afecte los medios de comunicación.
En la topología de anillo, el cable forma una vuelta y los nodos están unidos a intervalos alrededor de la vuelta. El mensaje es transmitido alrededor del anillo que comunica los nodos unidos a él. Si un solo nodo falla, la red entera pudiese detenerse a menos que un mecanismo de recuperación se lleve a cabo.
Topología estrella Topología de bus
Topología de anillo topologías de las redes industriales
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
El diseño de una red de comunicación involucra la planificación cuidadosa y la evaluación de diferentes opciones de diseño. El diseñador intenta lograr un máximo desempeño de la red a un costo razonable. Para alcanzar esta meta, los requisitos de comunicación y consideraciones para un sistema específico de automatización deben ser investigados.
La estrategia global y la planeación son el paso más crítico en un diseño de red de comunicación. El sistema de automatización al cual la red de comunicación podrá aplicarse, deber ser investigado y los objetivos para la red de comunicación serán obtenidos. Para la planeación los factores a considerar son los siguientes.
• Costo
• Desempeño
• Fiabilidad o disponibilidad
• Servicio o funcionamiento de la Red
• Tolerancia con respecto al medio ambiente
• Medios físicos
• Expansión
• Mantenimiento
• Seguridad
Costo
El costo de conectar una red de computadoras consiste en los costos iniciales y los costos continuos. Los costes iniciales incluyen la compra de nuevo hardware y software, el diseño, la instalación y la puesta en marcha. Los costos continuos
incluyen el mantenimiento del hardware y software, el pago a las personas que lo operan y arreglan la red y los costos para la expansión de la red y cambios de configuración.
Desempeño
El buen funcionamiento de la red es esencial. Sin él, incluso las actividades de comunicaciones normales llegan a ser difíciles y el continuo control del proceso de las aplicaciones requiere un alto funcionamiento de cómputo y ejecución de decisiones que llegaran a ser imposibles.
La planificación eficaz debe incluir una estimación de requisitos de funcionamiento mínimos. La velocidad y la carga de la red son los principales factores para considerar en análisis de desempeño. Es importante definir y analizar las aplicaciones de la red, la operación y el tráfico en general de las comunicaciones.
Las medidas típicas del funcionamiento para las redes de comunicación incluyen lo siguiente.
− Velocidad de transmisión. La velocidad de transmisión de la red es la
proporción a la cual los bits de información están transmitidos por el cable de la red.
− Tiempo de respuesta. el tiempo de respuesta es el tiempo que toma
realizar una acción de respuesta para ejecutar una aplicación del usuario que ha emitido una solicitud. Esto incluye el tiempo que toma transmitir un mensaje y la recepción, los sistemas para procesar la solicitud y la contestación del mensajes y el retraso de transmisión de la red.
en uso. Aquí no hay ninguna regla clara para la utilización máxima de las
redes de comunicación. Ethernet con más clientes degrada
exponencialmente al 35% después de la utilización continua, mientras que token ring o las redes FDDI manejan más tráfico.
Servicio o funcionamiento de la Red
El diseñador de la red debe saber qué tipo de datos maneja la red y qué funcionalidad se requiere para encontrar la meta. La típica funcionalidad requerida en las redes de comunicación industriales incluye:
• Transferencia de archivos
• Terminal para conexión del host
• Descargar o cargar programas
• Descargar o cargar datos fijos
• Llamar al Programa
• Enviar y recibir datos (cortos)
• Apoyo a las aplicaciones distribuidas
Tolerancia con respecto al medio ambiente
Las redes de comunicación pueden ser a menudo armadas en zonas peligrosas y están expuestas a ambientes rudos. Las redes de comunicación para los sistemas de automatización industriales deben ser diseñadas para resistir interferencia electromagnética (EMI), interferencia de radio frecuencia (RFI), atmósferas corrosivas y de fluidos, temperaturas extremas y exposiciones a la intemperie.
En un ambiente industrial, el exceso de EMI puede causar modificaciones en los paquetes de datos, retransmisiones frecuentes, y cargas altas en la red.
Medios Físicos
La selección de los medios físicos es una importante decisión técnica y económica, debe contar con los requisitos de las redes establecidas.
Expansión
Pocas redes permanecen estáticas ante el rápido crecimiento de las demandas comerciales y el desarrollo de la tecnología. El diseño de la red siempre debe incorporar un factor de flexibilidad para su crecimiento.
Mantenimiento
Todas las redes deben tener mantenimiento y servicio. El buen diseño de la red debe permitir un mantenimiento preventivo, actualización, y llevar a cabo reconfiguraciones con un mínimo o ninguna ruptura de funcionamiento de la red.
Seguridad
Los principales objetivos de medidas contra los ataques de seguridad son:
Para minimizar la probabilidad de intrusión los dispositivos proporcionan protección y procedimientos.
Para descubrir cualquier intrusión tan pronto como sea posible.
Para poder identificar la información que ha estado sujetado a vinculaciones e identificar el estado de control, es necesario información para recuperar el enlace.
Requisitos de comunicación para los Sistemas de Automatización Industrial
Los requisitos de comunicación pueden depender del nivel en la jerarquía de los sistemas de automatización industrial.
Comunicación en el nivel de campo
En el nivel de campo en los sistemas de automatización, las comunicaciones están para intercambiar datos de los sensores individuales y el montón de actuadores en un mismo equipo de control local. Los requisitos de comunicación a este nivel incluyen lo siguiente.
Respuestas cortas en tiempo. Los tiempos de respuesta de microsegundos y
milisegundos se requieren para lazos de control rápido y apagado de las alarmas de seguridad de los sistemas.
Tolerancia para el medio ambiente rudo. Los dispositivos de campo están
frecuentemente montados en áreas peligrosas que requieren gabinetes a prueba de explosión, o medios intrínsecamente seguros.
Distancia larga. Debe ser posible conectar dispositivos localizados a grandes
distancias hasta los racks de terminales. Esto podría ser unos cientos de metros dentro de un área de la planta o muchos kilómetros a distancia como en una estación de bombeo en funcionamiento.
Distribución de energía. La energía es normalmente distribuida en un alambrado
de dos cables de señal para la mayoría de los dispositivos de campo. Esta fuente de energía está separada de otra fuente usada en la planta, y se suministra un respaldo de energía para su funcionamiento.
Comunicación en el nivel de célula
En el nivel de célula se encuentran los dispositivos de control, las consolas de mando de los operadores, los nodos de campo, etc. Están comunicados entre sí. Los requisitos de comunicación para el nivel de célula son los siguientes.
Respuestas cortas en tiempo. La respuesta en tiempo en milisegundos y
segundos se requiere para controlar la comunicación de un nodo de red a otro; para la alarma; y para las comunicaciones del operador, donde un gran número de datos puede pedirse al mismo tiempo.
Tolerancia para el medio ambiente rudo. Cuando una red de nodos se mueve al
campo, el hardware del sistema debe ser diseñado para resistir la interferencia electromagnética (EMI), la interferencia de radio frecuencia (RFI), atmósferas corrosivas y de fluidos, temperaturas extremas y exposiciones a la intemperie.
Seguridad. El acceso al sistema de control debe ser diseñado para prevenir usos
accidentales o no autorizados que puedan dañar el proceso de la planta.
Respaldo de la alimentación. En los instantes en que falla la energía
normalmente se proporciona un sistema redundante de alimentación, que pueden ser bancos de baterías o unidades generadoras.
