Comunicaciones Industriales Sistemas Distribuidos y Aplicaciones Manuel-Alonso Castro Gil

(1)

UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIÓN A DISTANCIA

Manuel-Alonso Castro Gil

Gabriel Díaz Orueta

Francisco Mur Pérez

Rafael Sebastián Fernández

Elio Sancristóbal Ruiz

Víctor Miguel Sempere Paya

Javier Silvestre Blanes

Josep Maria Fuertes Armengol

Pau Marti Colom

José Gregorio Yepez Castillo

Perfecto Mariño Espiñeira

Miguel Ángel Domínguez Gómez

Ricardo Mayo Bayón

COMUNICACIONES

INDUSTRIALES:

SISTEMAS DISTRIBUIDOS

Y APLICACIONES

Ingeniería

Industrial

52520UD02A01 62306UD02A01

U

nidad D

idáctica

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(4)

COMUNICACIONES INDUSTRIALES:

SISTEMAS DISTRIBUIDOS

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Manuel-Alonso Castro Gil

Gabriel Díaz Orueta

Francisco Mur Pérez

Rafael Sebastián Fernández

Elio Sancristóbal Ruiz

Víctor Miguel Sempere Paya

Javier Silvestre Blanes

Josep Maria Fuertes Armengol

Pau Martí Colom

José Gregorio Yepez Castillo

Perfecto Mariño Espiñeira

Miguel Ángel Domínguez Gómez

Ricardo Mayo Bayón

COMUNICACIONES INDUSTRIALES:

SISTEMAS DISTRIBUIDOS

Y APLICACIONES

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UNIDADES DIDÁCTICAS (52520UD02A01)

COMUNICACIONES INDUSTRIALES:

SISTEMAS DISTRIBUIDOS Y APLICACIONES

Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorización escrita

de los titulares del «Copyright», bajo las sanciones establecidas en las leyes, la reproducción total o parcial de esta obra por cualquier medio o procedimiento, comprendidos la reprografía y el tratamiento informático, y la distribución de ejemplares de ella mediante alquiler o préstamo públicos.

DE EDUCACIÓN A DISTANCIA - Madrid, 2007 Librería UNED: c/ Bravo Murillo, 38; 28015 Madrid Tels.: 91 398 75 60/73 73, e-mail: [email protected]

© Manuel-Alonso Castro Gil, Gabriel Díaz Orueta, Francisco Mur Pérez, Rafael Sebastián Fernández, Elio Sancristóbal Ruiz, Víctor Miguel Sempere Paya, Javier Silvestre Blanes, Josep Maria Fuertes Armengol, Pau Martí Colom, José Gregorio Yepez Castillo, Perfecto Mariño Espiñeira, Miguel Ángel Domínguez Gómez, Ricardo Mayo Bayón

ISBN: 978-84-362-5467-9 Depósito legal: M. 11.329-2007 Primera edición: marzo de 2007 Impreso en España - Printed in Spain Imprime: Fernández Ciudad, S. L.

(8)

A nuestros alumnos de las Universidades de Oviedo, de Vigo, de la Politécnica de Cataluña,

de la Politécnica de Valencia y de la Universidad Nacional de Educación a Distancia,

para los que a lo largo de muchos años hemos desarrollado los conocimientos plasmados

en estos libros. A nuestros nuevos alumnos y lectores, que esperamos sepan valorar el gran esfuerzo realizado en escribir estos libros, pioneros en su tema en castellano.

(9)

(10)

ÍNDICE

Presentación ... 25 Contenido... 27

1. PROCESOS INDUSTRIALES. FABRICACIÓN. SISTEMAS EN TIEMPO REAL. MODELOS. JERARQUÍA.

SINCRONIZACIÓN ... 29 1.1. Introducción y orientación para el estudio ... 31 1.2. Objetivos ... 31 1.3. Características generales de los procesos industriales .. 31 1.4. Métodos de explotación de los sistemas de fabricación . 35 1.5. Características temporales de los sistemas industriales 36 1.6. Definiciones de tiempo real... 37 1.7. Determinación de prioridades y su aplicación ... 38 1.8. Modelos jerárquicos y análisis correspondiente ... 40 1.9. Mecanismos de sincronización entre aplicaciones

distribuidas... 44 1.10. Conclusiones ... 45 1.11. Bibliografía ... 46

(11)

10 COMUNICACIONES INDUSTRIALES: SIS. DISTRIBUIDOS Y APLICACIONES

1.12. Evaluación ... 46

1.12.1. Evaluación Objetiva ... 46

2. COMUNICACIONES INDUSTRIALES. SISTEMAS DISTRIBUIDOS. PROGRAMACIÓN DE REDES DISTRIBUIDAS ... 49

2.1. Introducción y orientaciones en el estudio ... 51

2.2. Objetivos ... 51

2.3. Comunicaciones industriales y sistemas de tiempo real 51 2.3.1. Sistemas en tiempo real ... 53

2.4. Sistemas distribuidos ... 55

2.4.1. Modelo cliente/servidor ... 56

2.5. Programación... 59

2.5.1. Sistemas en tiempo real ... 59

2.5.2. Gestión de interrupciones y entradas/salidas .... 60

2.5.3. Comunicaciones y puertos... 60 2.5.3.1. Serie ... 61 2.5.3.2. Paralelo ... 62 2.6. Conclusiones ... 62 2.7. Bibliografía ... 63 2.8. Evaluación ... 63 2.8.1. Evaluación Objetiva ... 63

3. MODELO OSI DE REDES INDUSTRIALES. BUSES DE CAMPO. ORGANIZACIONES Y ESTANDARIZACIÓN ... 67

3.1. Introducción y orientación para el estudio ... 69

3.3. El modelo OSI en las redes industriales ... 70

(12)

ÍNDICE 11

3.3.2. Un poco de historia. MAP, TOP y MiniMAP... 72

3.3.3. Situación actual y tendencias ... 78

3.4. Organizaciones y estandarización ... 80

3.4.1. Introducción. Se inicia la guerra por la estandarización... 83

3.4.2. Buses de campo estandarizados ... 87

3.5. Buses de campo ... 90

3.5.1. Introducción ... 90

3.5.2. Funciones y características ... 91

3.5.3. Paradigmas de comunicación y planificación .... 93

3.5.3.1. Paradigmas de comunicación ... 93 3.5.3.2. Paradigmas de planificación... 95 3.6. Conclusiones ... 99 3.7. Bibliografía ... 99 3.8. Evaluación ... 100 3.8.1. Evaluación Objetiva ... 100

4. BUS DE CAMPO PROFIBUS. APLICACIONES INDUSTRIALES ... 103

4.3. Capa física (PHY) ... 107

4.3.1. Medio físico... 107

4.3.2. Método de transmisión... 110

4.3.3. Topología ... 110

4.4. Capa de enlace de datos (FDL) ... 111

4.4.1. Acceso al medio... 114

4.4.2. Procedimientos de transmisión ... 115

(13)

4.4.3.1. Paso del testigo ... 116

4.4.3.1.1. Recepción del testigo.... 117

4.4.3.1.2. Transmisión del testigo . 117 4.4.3.2. Conexión y desconexión de estaciones ... 118

4.4.3.3. Inicialización del anillo lógico... 119

4.4.3.4. Tiempo de rotación objetivo ... 120

4.4.4. Modos de envío ... 122

4.4.5. Petición del estado de todas las estaciones ... 123

4.4.6. Prioridades de las tramas ... 123

4.5. Máquina de estados del nivel de enlace de datos (FDL) 125 4.5.1. Estaciones subordinadas ... 127 4.5.2. Estaciones principales. ... 128 4.5.2.1. Listen_Token ... 128 4.5.2.2. Active_Idle ... 129 4.5.2.3. Claim_Token ... 130 4.5.2.4. Use_Token ... 131 4.5.2.5. Await_Data_Response ... 132 4.5.2.6. Check_Access_Time... 132 4.5.2.7. Pass_Token... 132 4.5.2.8. Check_Token_Pass ... 133 4.5.2.9. Await_Status_Response ... 134 4.6. Tiempos y temporizadores... 134 4.6.1. Tiempos ... 134 4.6.1.1. Tiempo de bit ... 134 4.6.1.2. Tiempo de sincronización ... 135 4.6.1.3. Intervalo de sincronización ... 135

(14)

ÍNDICE 13

4.6.1.5. Tiempo preparado ... 136

4.6.1.6. Margen de seguridad ... 136

4.6.1.7. Tiempo de inactividad ... 137

4.6.1.8. Tiempo de retardo de transmisión .. 137

4.6.1.9. Tiempo de ranura TSL... 137

4.6.1.10. Tiempo límite ... 138

4.6.1.11. Tiempo de actualización del GAP .. 139

4.6.1.12. Tiempo de ciclo de testigo ... 139

4.6.1.13. Tiempo de ciclo de mensajes ... 139

4.6.1.14. Tiempo de reacción del sistema ... 140

4.6.2. Temporizadores ... 142

4.6.2.1. Temporizador de rotación del testigo ... 142

4.6.2.2. Temporizador de inactividad del bus 142 4.6.2.3. Temporizador de ranura ... 143

4.6.2.4. Temporizador límite ... 143

4.6.2.5. Temporizador de intervalo de sincronización ... 143

4.6.2.6. Temporizador de actualización del GAP ... 144

4.7. Estructura de las tramas ... 145

4.7.1. Tramas de longitud fija sin campo de datos ... 145

4.7.2. Tramas de longitud fija con campo de datos ... 150

4.7.3. Tramas con campo de datos de longitud variable ... 151

4.7.4. Trama testigo ... 151

4.8. Seguridad en los datos y gestión de errores ... 152

4.9. Servicios de transferencia de datos... 153

(15)

4.11. Conclusiones ... 156

4.12. Bibliografía ... 157

4.13.1. Evaluación objetiva ... 158

5. BUS DE CAMPO WORLDFIP. APLICACIONES INDUSTRIALES Y FABRICACIÓN ... 161

5.3. Capa física ... 165

5.3.1. Velocidades de transmisión ... 166

5.3.2. Distancias máximas ... 167

5.3.3. Codificación ... 167

5.3.4. Codificación de las tramas ... 168

5.4. Capa de enlace de datos ... 169

5.4.1. Variables y mensajes ... 169

5.4.2. Interfaces con la capa física y la capa de aplicación ... 170

5.4.3. Mecanismo de asignación del acceso al medio físico... 173

5.4.4. Tabla de consulta periódica ... 174

5.4.5. Peticiones de transferencias aperiódicas de variables... 176

5.4.5.1. Peticiones libres ... 178

5.4.5.2. Peticiones específicas ... 179

5.4.6. Petición de transferencia de mensajes sin reconocimiento... 180

5.4.7. Petición de transferencia de mensajes con reconocimiento... 182

(16)

ÍNDICE 15 5.4.9. Tramas ... 184 5.4.10. Temporizadores ... 186 5.4.10.1. Temporizador T1 ... 187 5.4.10.2. Temporizador T2 ... 187 5.4.10.3. Temporizador T3 ... 187 5.4.10.4. Temporizador T4 ... 188 5.4.10.5. Temporizador T5 ... 188 5.4.10.6. Temporizador T6 ... 188

5.4.11. Prestaciones y eficiencia en la transmisión de variables... 188

5.4.12. Máquina de estados de la capa de enlace de datos del árbitro de bus ... 192

5.4.13. Máquina de estados de la capa de enlace de datos de la entidad consumidora/productora ... 195

5.5. Capa de aplicación ... 198 5.5.1. Lectura/Escritura local ... 199 5.5.2. Indicaciones de la Recepción/Transmisión de una variable ... 199 5.5.3. Lectura/Escritura remota... 200 5.5.4. Resincronización... 201 5.5.5. Puntualidad y actualización ... 204 5.5.5.1. Actualización asíncrona... 205 5.5.5.2. Actualización síncrona... 205 5.5.5.3. Puntualidad asíncrona... 206

5.5.6. Consistencia espacial y temporal ... 207

5.5.6.1. Consistencia temporal ... 208

5.5.6.2. Consistencia espacial... 209

5.5.7. Tipos de variables y unidades de protocolo de datos ... 209

(17)

5.6.1. Servicios locales y remotos ... 212

5.6.2. Múltiples entidades de aplicación ... 213

5.6.3. Lista de servicios SM_MPS ... 214

5.6.4. Asignación de memoria para los identificadores 215 5.6.5. Servicios SM_MPS y PDUs ... 216

5.6.5.1. PDUs de etiquetado y direccionamiento ... 217

5.6.5.2. PDUs de descarga remota ... 217

5.6.5.3. PDU de lectura remota ... 218

5.6.5.4. PDU de presencia ... 218

5.6.5.5. PDU de identificación ... 218

5.6.5.6. PDU de control remoto ... 218

5.6.5.7. PDUs de monitorización remota... 219

5.6.5.8. PDUs de informes ... 219

5.6.6. Servicios SMS... 219

5.7. Seguridad... 220

5.7.1. Redundancia del medio ... 220

5.7.2. Errores en la capa física ... 220

5.7.3. Capa de enlace de datos ... 220

5.7.4. Secuencia de comprobación de trama ... 221

5.7.5. Redundancia del árbitro de bus ... 221

5.7.6. Validez de variables... 223

5.7.7. Puntualidad, actualización y consistencia espacial de datos ... 223

5.7.8. Fiabilidad de las transferencias ... 224

5.8. Aplicaciones... 224

(18)

ÍNDICE 17

6. EL BUS DE COMUNICACIONES CAN ... 229

6.1. Introducción y orientaciones para el estudio... 231

6.3. Origen histórico y evolución ... 231

6.4. El bus de comunicaciones CAN... 233

6.5. Nodo CAN... 235

6.6. Capa de enlace de datos ... 235

6.6.1. Formato de la trama de datos y remota ... 237

6.6.2. Gestión de acceso al medio... 239

6.6.3. Codificación de la trama ... 241

6.6.4. Detección y gestión de errores ... 242

6.6.5. Aislamiento de nodos con fallo ... 243

6.6.6. Filtros y máscaras en controladores CAN... 243

6.6.7. Características adicionales en controladores CAN ... 244

6.7. Capa física ... 244

6.8. Bus de campo DeviceNet ... 250

6.8.1. Capa física ... 250

6.8.2. Capa de aplicación ... 251

6.8.2.1. Modelo maestro/esclavo... 254

6.8.3. Los perfiles de dispositivo y la hoja electrónica de datos ... 258

6.9. Bus de campo CANopen ... 259

(19)

7. BUSES Y PROTOCOLOS EN DOMÓTICA E INMÓTICA ... 265

7.1. Introducción y orientaciones al estudio ... 267

7.3. Reseña histórica y niveles físicos ... 268

7.3.1. Reseña histórica ... 268

7.3.2. Estado actual ... 270

7.3.3. Niveles físicos ... 271

7.3.3.1. Transmisión con cable... 271

7.3.3.1.1. Líneas de distribución de energía eléctrica ... 271

7.3.3.1.2. Cable coaxial ... 273

7.3.3.1.3. Cable de par trenzado .. 273

7.3.3.1.4. Cable de fibra óptica ... 275

7.3.3.2. Transmisión sin cable... 276

7.3.3.2.1. Radiofrecuencia... 276 7.3.3.2.1.1. Bluetooth . 277 7.3.3.2.1.2. IEEE 802.11b.... 279 7.3.3.2.1.3. IEEE 802.11g.... 281 7.3.3.2.1.4. IEEE 802.15.4... 281 7.3.3.2.1.5. IEEE 802.16x .... 282 7.3.3.2.1.6. Infrarrojos . 282 7.4. Estándares mundiales en Domótica e Inmótica ... 283

7.4.1. KNX-EIB... 283

7.4.1.1. Generalidades del sistema EIB ... 286

7.4.1.2. Topología y tecnología en EIB ... 287

(20)

ÍNDICE 19 7.4.1.3.1. Campos del telegrama

en EIB ... 294

7.4.2. SCP... 299

7.4.2.1. Topología tecnología de la red LON 300 7.4.2.2. Instalación. Protocolo de comunicación del sistema LonWorks®... 302

7.4.2.3. Direcciones LonWorks... 304

7.4.2.3.1. Dirección física... 304

7.4.2.3.2. Dirección lógica... 305

7.4.2.4. Configuraciones de los routers... 306

7.4.2.5. Mensajes y variables en LonTalk . 306 7.4.2.6. BACNet... 310

7.5. Sistemas propietarios ... 311

7.5.1. Características y tipos... 311

7.5.2. Otros sistemas y tecnologías ... 313

7.5.2.1. Bus DALI ... 313

7.5.2.2. Inmótica ... 314

7.6. Otros protocolos y plataformas relacionados con la domótica ... 315 7.6.1. UPnP y Jini ... 316 7.6.1.1. UPnP ... 316 7.6.1.2. Jini ... 316 7.6.2. HAVI... 318 7.6.3. OSGi ... 319 7.7. Conclusiones ... 320 7.8. Bibliografía ... 320 7.9. Evaluación ... 321 7.9.1. Preguntas de desarrollo... 321

(21)

8. ETHERNET INDUSTRIAL. APLICACIONES ... 325

8.1. Introducción y orientaciones para el estudio... 327

8.2. Objetivos ... 327 8.3. Razones de uso ... 328 8.3.1. Interoperabilidad ... 328 8.3.2. Plug’n’Play ... 329 8.3.3. Robustez industrial ... 329 8.3.4. Software Ethernet ... 330 8.3.5. OPC ... 330

8.3.6. Control y mantenimiento remoto ... 331

8.3.7. Atravesar la frontera del cableado físico... 332

8.4. Soluciones basadas en Ethernet IEC 61784-2 ... 332

8.4.1. EtherCAT ... 332 8.4.2. Ethernet PowerLink... 336 8.4.3. Ethernet/IP ... 340 8.4.4. Profinet... 342 8.4.4.1. PROFINET IO ... 345 8.4.4.2. PROFINET CBA ... 346 8.4.5. Otras ... 348

8.5. Despliegue de Ethernet en la industria ... 349

8.5.1. Electrónica de interconexión ... 350

8.5.1.1. Hubs ... 351

8.5.1.2. Bridges ... 351

8.5.1.3. Switches ... 351

8.5.2. Dominios de colisión y de difusión ... 352

(22)

ÍNDICE 21 8.6. Redes virtuales ... 355 8.7. Prioridad y Trunking... 357 8.8. Conclusiones ... 358 8.9. Bibliografía ... 359 8.10. Evaluación ... 359 8.10.1. Ejercicios resueltos ... 359 8.10.2. Evaluación objetiva ... 362

9. SISTEMAS DE INSTRUMENTACIÓN AVANZADA.

INTERFACES Y CONTROL ELECTRÓNICO. SENSORES Y ACTUADORES INTELIGENTES. REDES DE SENSORES.

SISTEMAS SCADA. BUS USB Y OTROS... 365 9.1. Introducción y orientaciones para el estudio... 367 9.2. Objetivos ... 367 9.3. Control centralizado vs distribuido ... 367 9.4. Sensores inteligentes... 371 9.5. El PC en los sistemas distribuidos de control. Software

SCADA... 372 9.6. Enlaces físicos más utilizados en las comunicaciones

industriales... 373 9.6.1. RS-232C ... 374 9.6.2. RS-422 ... 378 9.6.3. RS-485 ... 379 9.7. Bus USB ... 381 9.7.1. El Bus USB en el entorno industrial ... 386 9.8. Conclusiones ... 386 9.9. Bibliografía ... 386 9.10. Evaluación ... 387 9.10.1. Evaluación objetiva ... 387

(23)

22 COMUNICACIONES INDUSTRIALES: SIS. DISTRIBUIDOS Y APLICACIONES 10. OTROS BUSES DE CAMPO Y APLICACIONES DE

COMUNICACIONES Y CONTROL INDUSTRIAL... 391 10.1. Introducción y orientaciones para el estudio... 393 10.2. Objetivos ... 393 10.3. Buses de campo: Buses estandarizados IEC y de-facto 393 10.3.1. Características generales ... 394 10.3.2. Intentos de normalización... 395 10.3.2.1. IEC ... 396 10.3.2.2. MiniMAP ... 397

10.3.2.3. CENELEC ... 398 10.3.3. Comparativa y funcionalidades básicas ... 399 10.4. Sistemas de control y comunicación... 400 10.4.1. HART ... 400 10.4.2. Bus de medidas ... 405 10.4.3. Bucle de corriente... 406 10.4.4. GP-IB / HP-IB ... 407 10.5. Otros sistemas de comunicaciones y control: FireWire . 410 10.5.1. Historia ... 410 10.5.2. FireWire y USB ... 411 10.5.3. Niveles de protocolo del estándar ... 412 10.5.3.1. Nivel físico ... 412 10.5.3.2. Nivel de enlace ... 413 10.5.3.3. Nivel de transacciones ... 413 10.5.3.4. Gestión del bus... 414 10.6. Sistemas de sensores inteligentes distribuidos ... 415 10.6.1. Concepto ... 415 10.6.2. La norma IEEE 1451 ... 416 10.7. Otras aplicaciones ... 418

(24)

ÍNDICE 23 10.7.1. Automoción... 420 10.7.2. Navegación marítima ... 422 10.7.3. Aviación y aeroespacial ... 424 10.7.4. Dispositivos de ayuda en la discapacidad ... 426 10.8. Conclusiones ... 428 10.9. Bibliografía ... 429 10.10. Evaluación... 429 10.10.1. Evaluación objetiva... 429

ANEXO.

SOLUCIONES A LAS PREGUNTAS DE EVALUACIÓN

(25)

(26)

PRESENTACIÓN

Las comunicaciones industriales son una de las áreas en auge dentro del amplio mundo de las comunicaciones, al unirse en un mismo entorno los temas empresariales (y más en detalle, los temas de fabricación más ligados a la industria en su más amplio y básico aspecto) y las comunicaciones, como completo (y complejo) soporte para la implantación tecnológica dentro de la empresa.

¿Y que complemento mejor para la Ingeniería Industrial y nuestra industria, que dotar a sus lectores, aficionados, estudiantes, amigos o practicantes, de los conocimientos precisos de las tecnologías de las comunicaciones, listas para ser integradas en el mundo industrial?

Este ha sido el objetivo que nos hemos marcado un grupo de profesores de cinco Universidades Públicas Españolas (Universidad Nacional de Educación a Distancia, Universidad Politécnica de Valencia, Universidad Politécnica de Cataluña, Universidad de Vigo y Universidad de Oviedo) coordinados desde la experiencia en trabajo colaborativo desde la propia Universidad Nacional de Educación a Distancia, la UNED, para elaborar dos libros, que aporten estos conocimientos dentro de una profesión en la que, hasta ahora, las comunicaciones ha sido una de las materias menos desarrollada.

Ambos libros presentan un objetivo común, cubrir los temas de las comunicaciones industriales, pero de una forma complementaria entre sí.

(27)

26 COMUNICACIONES INDUSTRIALES: SIS. DISTRIBUIDOS Y APLICACIONES Así, el primer libro, Comunicaciones Industriales: Principios básicos, pretende dotar a su lector de los conocimientos previos necesarios para poder entender, conocer y asimilar las comunicaciones, desde las bases de las comunicaciones analógicas y digitales, la codificación, medios y modos de transmisión, los protocolos y estándares existentes en este dinámico y cambiante mundo, los componentes y elementos existentes en las redes locales, amplias, personales o inalámbricas, sin olvidarse de la seguridad y el concepto más avanzado actualmente como es la calidad en el servicio. Por último este primer libro tiende un puente al segundo, estableciendo los principios de las comunicaciones industriales, los sistemas de tiempo real, los buses de campo y los sistemas distribuidos

El segundo libro, que está leyendo en este momento, Comunicaciones Industriales: Sistemas Distribuidos y Aplicaciones, presenta una visión más aplicada para un lector ya “introducido” en las comunicaciones, pero interesado en entrar como complemento en el mundo de las comunicaciones industriales.

Así, comienza este libro complementando la visión de los procesos industriales, la fabricación y los sistemas en tiempo real, ya esbozados en el primer libro, para complementar la introducción general de las comunicaciones industriales, los sistemas distribuidos y su programación, para centrase y entrar en profundidad en los estándares de las redes industriales y los buses de campo, y a continuación describir en detalle varios sistemas de comunicaciones de amplio uso en los entornos industriales: PROFIBUS, WorldFIP, CAN y Ethernet industrial.

Sin olvidar amplios sectores de la automatización y el control, como son la domótica e inmótica (en pleno auge igualmente en nuestro país), una revisión final de aplicaciones en otras áreas, como son la automoción, la navegación marítima o el sector aéreo y espacial, para acabar con los sistemas con una vertiente más electrónica (instrumentación) o de control.

Manuel-Alonso Castro Gil Coordinador de los libros

(28)

CONTENIDOS

El primer libro, Comunicaciones Industriales: Principios básicos, incluye los conocimientos previos necesarios para poder entender, conocer y asimilar las comunicaciones en general, y las comunicaciones industriales como objetivo y aplicación.

El segundo libro, Comunicaciones Industriales: Sistemas Distribuidos y Aplicaciones, presenta una visión más aplicada para un lector ya “introducido” en las comunicaciones, ayudándole a entrar de pleno en el mundo de las comunicaciones industriales.

El tema 1 presenta de forma general, las bases de las comunicaciones industriales, definiendo los procesos industriales, su relación con los procesos de fabricación y la definición de los sistemas de tiempo real y las necesidades en ellos de la sincronización y de la definición de prioridades, con una clara estructuración en modelos jerárquicos El tema 2 enlaza los contenidos de este segundo libro con el anterior, definiendo los conceptos de sistemas distribuidos, así como el modelo cliente/servidor, y las necesidades específicas de los sistemas de tiempo real y su programación, y la gestión de interrupciones y puertos.

El tema 3 sigue el proceso de estandarización y de la interoperabilidad de sistemas, con el detalle del modelo OSI en las redes industriales, las organizaciones que lo soportan y la definición desde el de los buses de campo y sus paradigmas

(29)

28 COMUNICACIONES INDUSTRIALES: PRINCIPIOS BÁSICOS Los temas 4, 5 y 6 desarrollan de forma detallada los buses de campo Profibus, WorldFIP y CAN, sus especificaciones, características, parámetros identificativos y formas de trabajo y aplicaciones de cada uno, haciendo un análisis estructurado según los distintos niveles que soporta cada bus.

El tema 7 abre al lector una de las áreas más actuales, la domótica y sus aplicaciones más amplias en el sector no residencial, la inmótica. El uso de las comunicaciones industriales en esta área de la ingeniería a posibilitado el desarrollo de soluciones específicas con muchos temas en común con los sistemas anteriores, pero con soluciones novedosas y como se ha dicho, a la medida de estos sistemas.

El tema 8 contempla el uso de las redes basadas en Ethernet dentro de las comunicaciones industriales, la denominada Ethernet Industrial, cuyo uso también está avanzado día a día. El imparable avance de Internet en nuestra sociedad también está llegando a las redes industriales, con conceptos similares y aplicaciones novedosas.

El tema 9 permite una nueva revisión de conceptos y sistemas electrónicos aplicados en el mundo industrial, como son los sistemas de instrumentación avanzada y sistemas SCADA, y otras aplicaciones para el control electrónico. Así se revisan los sensores, interfaces y actuadores inteligentes, que están desarrollando sus campos de actuación y otros buses ahora ampliamente utilizados en los sistemas informáticos, como el bus USB.

El último tema, el 10, sirve de zona final de recogida de aquellos temas y aplicaciones más novedosos o avanzados, como son las aplicaciones de las comunicaciones industriales en la automoción, la navegación marítima o la aviación. Y la ampliación final de los sistemas de control electrónicos, el bus FireWire o los sistemas de sensores inteligentes distribuidos.

En cada capítulo se ha incluido una serie de preguntas de autoevaluación, cuyas soluciones se han recogido en un Anexo al final de cada libro. En muchos de los capítulos también se han intercalado diversos temas y ejercicios, tanto prácticos como teóricos, para que el lector pueda ir conociendo su asimilación de forma estructurada.

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T

EMA

1 PROCESOS INDUSTRIALES. FABRICACIÓN.

SISTEMAS EN TIEMPO REAL. MODELOS.

JERARQUÍA. SINCRONIZACIÓN

1.1. Introducción y orientación para el estudio 1.2. Objetivos

1.3. Características generales de los procesos industriales 1.4. Métodos de explotación de los sistemas de fabricación 1.5. Características temporales de los sistemas industriales 1.6. Definiciones de tiempo real

1.7. Determinación de prioridades y su aplicación 1.8. Modelos jerárquicos y análisis correspondiente

1.9. Mecanismos de sincronización entre aplicaciones distribuidas 1.10. Conclusiones

1.11. Bibliografía 1.12. Evaluación

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CAP. 1. PROCESOS INDUSTRIALES. FABRICACIÓN. SISTEMAS EN T. R. 31

1.1. INTRODUCCIÓN Y ORIENTACIÓN PARA EL

ESTUDIO

Los procesos industriales son la parte fundamental de los sistemas de fabricación. En ellos se realiza una coordinación de materiales, energía e información para generar y producir productos que tengan un valor añadido. La correcta gestión de los flujos puede permitir que el resultado sea competitivo. En los procesos industriales se deben contemplar características temporales estrictas, principalmente en los puntos más cercanos a las máquinas, aunque la definición de tiempo real afecta todos los mecanismos de transacción que dependan de unos plazos de validez, tanto de los datos como de las operaciones. Para abordar el estudio de estos sistemas se recurre a la descomposición del conjunto del proceso industrial en partes coherentes, en modelos jerárquicos, que representan distintos aspectos del conjunto. El estudio de cada una de estas partes, su optimización y la sincronización con las demás partes puede resultar en un proceso que permita extraer el máximo beneficio.

1.2. OBJETIVOS

El objetivo principal de este capítulo es mostrar las características principales de los procesos industriales, pero desde el punto de vista de los sistemas de comunicación. Dado que en todo proceso industrial se realizan tareas de sincronización en las diversas etapas, y que esta sincronización depende tanto de los flujos de materiales, operaciones e información, en este capítulo se mostrarán tanto los condicionantes del tiempo real, los modelos de descomposición jerárquica de dichos procesos y los mecanismos básicos de sincronización.

1.3. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS

PROCESOS INDUSTRIALES

La revolución industrial se inició a mediados del siglo XVIII cuando se impulsaron métodos de soporte a la fabricación de bienes mediante el uso de fuentes de energía que complementaban la labor de los trabajadores. La energía, procedente de fuentes hidráulicas y térmicas, permitía multiplicar la productividad. Al mismo tiempo los científicos abordaron el estudio y la

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32 COMUNICACIONES INDUSTRIALES: SIS. DISTRIBUIDOS Y APLICACIONES sistematización de los principios del control realimentado a fin de controlar la energía y obtener repetitividad en las operaciones de las fábricas. El regulador centrífugo de James Watt y los trabajos teóricos de James Clerck Maxwell permitieron reformular los métodos de fabricación al disponer de energía mecánica suficiente para mover desde telares hasta locomotoras. La mayoría de inventos y aplicaciones de este periodo trataban sobre control de temperatura, presión, niveles de líquidos y la velocidad de la máquina rotativa centrándose en el problema de regulación y estabilidad. La época de los creadores de máquinas había así iniciado una lenta pero segura evolución hacia métodos de trabajo que permitían obtener fábricas cada vez más eficientes y productivas.

El siguiente paso consistió en la mejora de los procesos productivos mediante la división y especialización de tareas repetitivas y sincronizadas, ejemplarizadas en la fábrica Ford. En la fabricación en cadena aparece ya una necesaria sincronización en las distintas etapas a fin de que la fabricación del bien evolucione desde las primeras etapas hasta el producto final. Como consecuencia del proceso aparecen los almacenes de productos auxiliares intermedios y su correspondiente gestión.

A medida que se van diseñando nuevas máquinas de soporte a la fabricación, sobre todo para facilitar el trabajo de los operarios, empieza a crecer el uso de los sistemas eléctricos y electromecánicos para crear secuenciadotes que permiten a las máquinas realizar secuencias de operaciones de manera repetitiva. El siguiente paso cualitativo se obtiene al introducir los computadores en las máquinas industriales. Estas máquinas adquieren una mayor flexibilidad al poderse programar para realizar cada vez tareas más variables e incluso más complejas. Entre las máquinas industriales programables se deben citar como paradigmáticos los robots, ya que durante los últimos quince años se ha evaluado la capacidad de innovación productiva de los países industrializados a partir del parque de robots instalados en sus fábricas.

Dado que las máquinas industriales avanzadas disponían de computadores para su control, se aprovechó su capacidad de comunicación para dar el siguiente paso. Se acuña el término CIM (Computer Integrated Manufacturing)

para designar la fabricación integrada por computador. Los computadores de las máquinas se convierten en el centro de las células de fabricación y así cada célula realiza un conjunto de operaciones especializadas sobre el producto industrial (célula de soldadura, de pintura, de mecanizado, de montaje, y un largo etc.). Se crean así las islas de automatización de fabricación en las que las máquinas intercambian señales principalmente de sincronización.

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CAP. 1. PROCESOS INDUSTRIALES. FABRICACIÓN. SISTEMAS EN T. R. 33 En 1980 la General Motors constató que el coste de interconectar los computadores de las máquinas podía suponer un montante equiparable al propio coste de las máquinas, ya que estas no disponían de un soporte a la intercomunicación y por ello se había de diseñar subsistemas de comunicación a partir de entradas y salidas digitales, o en el mejor de los casos, de canales RS232. Cada fabricante seguía sus propios criterios y diseños, casi nunca compatibles con los otros fabricantes, utilizando nomenclaturas que aunque parecidas, suficientemente dispares como para que se creara una complejidad y confusión en los usuarios que deseaban intercomunicar máquinas de distintos fabricantes.

Se puede tomar como ejemplo el canal RS-232, presente en algunas de las máquinas y en muchos de los autómatas programables del momento. La norma EIA-RS232-C especifica un sistema de comunicación que dispone de un canal dúplex primario y otro de secundario, sobre un conector DB25 de 25 pines. Cada canal utiliza un pin de transmisión, otro de recepción, otro común, y se complementa con varios pins de señalización y sincronización. La norma se diseñó principalmente para conectar computadores (ETD, Equipos Terminales de Datos) a módems (ETCD, Equipos de Terminación de Circuitos de Datos). Su amplio uso en ámbitos de gestión motivó que se adoptara también en ámbitos industriales, aunque se redujeron sus funcionalidades mediante el uso del canal primario, con los pines de transmisión TD, recepción RD, común SG y de un subconjunto de señales de sincronismo, optativas y variables en cada fabricante, siendo las más frecuentes: RTS Request to Send, CTS Clear to Send, DSR Data Set Ready, DTR Data Transmisión Ready, CD Carrier Detect.

Ahora bien, aunque la norma es clara, su utilización admite muchas variantes, ya que los fabricantes deciden en cada caso si el autómata actúa como ETD o ETCD, si la transmisión y recepción funcionan en modo de tensión o por bucle de corriente, y además, si se utilizan o no algunas de las señalizaciones y la lógica correspondiente. La Figura 1.1a muestra la configuración típica entre un ETD y un ETCD de RS-232, y la Figura 1.1.b. muestra una configuración típica de enlace entre dos ETD, denominada null-modem. Pero la incertidumbre y la falta de documentación del uso que cada fabricante hacía del canal 232 provocaban un esfuerzo adicional, y una adaptación en la comunicación de equipos de distintos fabricantes.

Como resultado de acuerdos entre fabricantes, usuarios y entidades de normalización (ISO, IEEE, IEC, etc.) se ha logrado que las máquinas actuales no sólo se puedan interconectar fácilmente sino que puedan intercambiar información de alto nivel, además de las señales de sincronización. Se ha

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34 COMUNICACIONES INDUSTRIALES: SIS. DISTRIBUIDOS Y APLICACIONES generado un nuevo paradigma a partir de la idea de que la fabricación actual no sólo obtiene productos mediante el control de la materia y de la energía sino también mediante el control de la información. En la actualidad ya no se concibe que una fábrica (excepto las antiguas) no esté totalmente interconectada, tanto en las máquinas, dispositivos, células, almacenes, gestión, facturación, compras, ventas, servicio post-venta y mantenimiento.

FIGURA1.1. a) Estructura básica del canal RS232. b) Conexión null-modem.

Los párrafos anteriores han servido para mostrar de qué manera se ha llegado a la situación actual y, a partir de este punto, se puede augurar cómo puede ser el futuro de nuestras plantas industriales. Aunque la complejidad del entorno industrial es evidente, se pueden crear modelos que tengan en cuenta que la evolución de los sectores más dinámicos (principalmente los de las tecnologías de la información) y la constatación que tanto la ciencia como la tecnología son las fuerzas dominantes en la evolución de los procesos productivos. 1 2 3 4 5 6 7 8 20

ETD

Ordenador o Terminal 1 2 3 4 5 6 7 8 20

_ETCD

Mòdem

PGND: Tierra de protección TD: Transmisión RD: Recepción RTS: Request To Send CTS: Clear To Send DSR: Data Set Ready SGND: Tierra de referencia

CD: Carrier Detect DTR: Data Terminal Ready

1 2 3 4 5 6 7 8 20

ETD

1 2 3 4 5 6 7 8 20

ETD

Ordenador o Terminal Ordenador o Terminal

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1.4. MÉTODOS DE EXPLOTACIÓN DE LOS SISTEMAS DE

FABRICACIÓN

Como se ha mostrado, los procesos de fabricación han evolucionado hacia el diseño de fábricas digitales, en las que tan importante es el producto como su planificación, con el soporte de representación y simulación del conjunto de operaciones de la planta, de manera unificada, compatible y segura, a fin de superar las deficiencias del uso de herramientas heterogéneas e incompletas

El modelo de fabricación se convierte en un proyecto basado en el uso intensivo de las tecnologías de la información y, su esqueleto, es el sistema de comunicación de la fábrica. Así es posible obtener una instalación abierta y transparente de la estructura de las máquinas, proceso en el que se hace posible no sólo el seguimiento y la planificación sino también el enlace con los sistemas de gestión, mantenimiento y seguridad.

La explotación de los sistemas de fabricación se convierte en la coordinación, gestión y supervisión de todas las tareas del sistema productivo, el cual está formado tanto por las máquinas, almacenes y sistemas auxiliares, como por los procesos de fabricación, mantenimiento, seguridad, etc. Toda esta estructura está condicionada a que el flujo de información circule de manera eficiente en la organización industrial.

En el sistema de fabricación se puede distinguir distintas características que condicionan tanto el proceso de material como de información. Se suelen distinguir tres tipos de sistemas de fabricación: Proceso continuo; Proceso discreto; Proceso por lotes.

Las plantas de proceso continuo son sistemas de fabricación en los cuales el modelo de proceso es continuo tanto en el tiempo como en el procesado de los materiales. Por ejemplo, las plantas de destilación tienen un flujo constante (aunque puede ser perturbado) de material en su entrada, su procesado requiere mantener reguladas ciertas condiciones (por ejemplo, la temperatura, etc.) y su salida es constante, con una cierta calidad del producto definida en su especificación. Una parte singularmente importante en estos procesos es la del control realimentado, en las que se adquiere información de los sensores, los controladores procesan dicha información, y se actúa sobre los accionadores. Pero además de este procesado de información, la planta debe estar preparada para intercambiar datos con los sistemas SCADA que gestionan todo el proceso continuo, desde los algoritmos de control a utilizar en cada estado, los eventos

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36 COMUNICACIONES INDUSTRIALES: SIS. DISTRIBUIDOS Y APLICACIONES debidos a perturbaciones, los análisis de tendencias, los históricos, las alarmas y otras muchas incidencias.

Las plantas de proceso discreto son sistemas de fabricación en los que se realiza de manera repetitiva una cierta acción o un conjunto de acciones. Estas acciones suelen seguir patrones temporales discretos y el flujo de materiales es asimismo discreto. Por ejemplo, en una planta de fabricación de dispositivos electrónicos se parte de distintas materias primas y se ensamblan componente a componente mediante la intervención de distintas máquinas que se sincronizan a fin de que cada una de ellas pueda realizar su parte colaborativamente con las demás. En este sistema de fabricación se suelen utilizar mecanismos de control de eventos discretos, en los que las máquinas se intercambian señales de eventos que pueden efectuar tareas de sincronización y seguimiento del avance del procesado. Los controladores de las máquinas suelen ser autómatas programables específicos e integrados en las máquinas o externos y de uso general en el proceso.

Las plantas de proceso en Batch son sistemas de fabricación en los que se realiza una parte del procesado de manera discreta y otra parte de manera a menudo continua. El procesado suele tener una parte agrupación de materiales a partir del suministro de una receta, unas acciones posteriores de mezcla, aglutinación, fermentación, cocido u otra operación continua y una parte final de extracción del producto y preparación de una nueva tanda. La fabricación de ciertos productos alimenticios, farmacéuticos o químicos sigue este modelo, como sería el caso de fermentación de productos lácticos. En este caso la receta consistiría en la agregación de las materias iniciales en un reactor, la aplicación de calor siguiendo un perfil de temperaturas y la finalización del proceso mediante retirar el producto manufacturado y limpieza del reactor para preparar una nueva fabricación. Los controladores de los procesos Batch suelen ser equipos preparados para mantener distintas recetas, para gestionar su aplicación y para hacer el seguimiento y control de cada edición.

1.5. CARACTERÍSTICAS TEMPORALES DE LOS

SISTEMAS INDUSTRIALES

Las características temporales de los sistemas industriales dependen en gran manera de las propias características del proceso involucrado. En general, los procesos continuos tienen unas restricciones temporales que están condicionadas por las respuestas de sus anillos de realimentación. Usualmente

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CAP. 1. PROCESOS INDUSTRIALES. FABRICACIÓN. SISTEMAS EN T. R. 37 las constantes de tiempo suelen ser elevada, del orden de varios segundos, llegándose a minutos o incluso horas. Es necesario recordar que en un anillo de realimentación se suele tomar la constante de tiempo o una medida temporal asociada, el tiempo de establecimiento, como parámetro de velocidad de respuesta. La constante de tiempo, para un sistema de primer orden, se define como el tiempo necesario para que la respuesta frente a una entrada escalón haya evolucionado hasta el 63% del valor final. El tiempo de establecimiento se suele definir como el tiempo necesario para que la respuesta al escalón llegue al 95% del valor final. Su utilidad, entre otras, viene referida a que el muestreo del proceso se debe realizar tomando entre 1 y 3 muestra dentro de la constante de tiempo o entre 4 y 10 muestras dentro del tiempo de establecimiento. Los algoritmos de control del proceso continuo trabajarán con este muestreo y esta repetitividad. Si el sistema está controlado en red, la mensajería de control, o sea los mensajes de los sensores al controlador y del controlador a los actuadores deberán poderse servir siguiendo estrictamente este patrón temporal.

Los procesos discretos tienen unas características temporales a menudo mucho más rápidas, dado que los procesos y las máquinas pueden trabajar con una repetitividad mucho mayor. Así es frecuente encontrar procesos discretos en los que las operaciones individuales se realicen en la escala de las décimas de segundo. Por ello, las señales correspondientes, si se envían en red, deben poder admitir unas respuestas que se acerquen a los milisegundos. Cuando las señales son demasiado rápidas como para que se puedan enviar en red, entonces se debe recurrir a la conexión directa, punto a punto, entre ellas y el autómata correspondiente.

En los procesos en Batch, dado que intervienen tanto partes continuas como discretas, se suele estar en una zona intermedia en lo que se refiere a las características temporales. Ciertas partes del ciclo suelen ser lentas, mientras que las partes discretas pueden alcanzar velocidades de respuesta medias. Por ello, el sistema de comunicación asociado a estos procesos debe ser flexible para poder dar el servicio correspondiente.

1.6. DEFINICIONES DE TIEMPO REAL

De las características temporales indicadas anteriormente se deduce que para que el proceso de fabricación sea eficaz, el sistema de control y el sistema de comunicaciones debe poder dar respuesta a sus restricciones temporales. Por ello, aparecen los conceptos asociados al tiempo real. Se define que un sistema es de tiempo real cuando todos sus componentes temporales están limitados, o

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38 COMUNICACIONES INDUSTRIALES: SIS. DISTRIBUIDOS Y APLICACIONES sea, cuando cada una de sus respuestas tiene un valor máximo establecido. Conociendo dicho valor máximo, y conociendo el encadenamiento posible de operaciones, se puede determinar el peor caso de ejecución del proceso. Esta definición tiene un carácter doble: por un lado, si todos los procesos están limitados en el tiempo, no debería producirse ningún bloqueo y se podrá garantizar que el sistema será viable. Por el otro lado, se podrá evaluar la eficacia del proceso al disponer de medidas de los peores casos de operación.

Como complemento a la definición de sistema de tiempo real, aparecen unas calificaciones adicionales en función de las acciones a realizar si alguno de los plazos no se cumple por algún motivo. Así, se denomina sistema de tiempo real estricto (hard real-time) al sistema que cuando no se cumple algún plazo se puede obtener una consecuencia irreparable o catastrófica. Se denomina sistema de tiempo real no estricto (soft real-time) al sistema que es capaz de admitir alguna pérdida de plazo sin causar daños ni en su estructura ni en su operación. Ciertos subsistemas deben ser diseñados como de tiempo real estricto, por ejemplo, en los que un fallo, consecuencia de una pérdida de plazo, pueda producir pérdidas humanas o destrucción del sistema controlado. Otros subsistemas pueden admitir pérdidas de plazos que, por su carácter, no tengan este grado de peligrosidad, por ejemplo, en tareas de supervisión repetitiva, en los que la pérdida de un plazo en una variable puede venir compensada por una nueva edición del valor perdido.

1.7. DETERMINACIÓN DE PRIORIDADES Y SU

APLICACIÓN

El mecanismo de determinación y asignación de prioridades tiene dos grandes vertientes: por un lado, la correspondiente a la asignación de prioridades a tareas, mensajería o acciones concurrentes y por el otro lado, la correspondiente a la gestión y aplicación de las prioridades.

La asignación de prioridades consiste en definir para cada una de las tareas o mensajes su relación de precedencia respecto las demás tareas o mensajes. Así, los mensajes de órdenes suelen ser prioritarios respecto los correspondientes a las lecturas de los sensores, en relaciones de bucle de control, dados por una lectura de sensor, ejecución del algoritmo del control y orden al actuador. En este caso, la lectura del sensor se realiza disparada por tiempo (normalmente, aunque podría ser por evento), seguida de la ejecución del algoritmo en el nodo controlador y, cuando este finaliza, debe enviarse el mensaje de actuación con la

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CAP. 1. PROCESOS INDUSTRIALES. FABRICACIÓN. SISTEMAS EN T. R. 39 mayor celeridad. En cuanto las tareas internas de los procesadores, se suele indicar la prioridad a partir de medidas fuera de línea relativa a alguna condición de la operación externa de dicha tarea, normalmente asociada a efectos temporales o de peligrosidad.

La gestión de las prioridades consiste en el mecanismo que sigue el planificador de tareas o de mensajes al asignar el recurso compartido (CPU o red) a cada una de las tareas o mensajes. Los sistemas de comunicación con exploración cíclica, como es el caso de los sistemas de paso de testigo, la prioridad de la mensajería está condicionada, en cada instante, por la posición relativa del testigo respecto el nodo con mensaje a transmitir. En el peor caso, el tiempo de espera de transmisión de un mensaje sería el tiempo transcurrido entre que este mensaje está pendiente de transmitir justo cuando el nodo ha enviado el testigo al siguiente nodo del anillo lógico, el paso del testigo por todos los nodos y la transmisión de los mensajes en ellos, y la espera desde que llega de nuevo el testigo al nodo propio más la transmisión de los mensajes en espera que tengan mayor prioridad.

En los sistemas de asignación de mensajería por consulta, las prioridades relativas dependen del mecanismo de consulta que tenga el nodo principal. Este nodo suele disponer de listas cíclicas múltiples y las prioridades dependen de cómo se ejecutan dichas listas. Los sistemas de comunicación con asignación de prioridad mediante identificadores suelen usar mecanismos de contienda en la que cada mensaje pugna con los demás en cada inicio de periodo de transmisión asignándose el canal al mensaje más prioritario.

En los sistemas de comunicación se asignan dos tipos de prioridades, las correspondientes a los distintos nodos y las correspondientes a la estructura interna de cada nodo. Así, en un nodo CAN con buffer múltiple de salida, tendrá mayor prioridad el mensaje con menor identificador, o sea con mayor prioridad. Otros sistemas de comunicación disponen de varios buffer de salida, cada uno de ellos con un nivel distinto de prioridad. Cuando el nodo puede transmitir primero envía los mensajes del buffer de mayor prioridad, y, mientras disponga de tiempo para transmitir, sigue con los mensajes de los demás buffer hasta agotar el tiempo asignado.

Estos sistemas suelen modificar las prioridades internas relativas de los buffer para permitir que incluso los mensajes de mayor prioridad puedan ser transmitidos en un tiempo máximo determinado.

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1.8. MODELOS JERÁRQUICOS Y ANÁLISIS

CORRESPONDIENTE

Los modelos jerárquicos responden a la necesidad de organizar de manera sistemática las características tanto de los sistemas de fabricación como de los sistemas de comunicación. El mecanismo que se ha seguido para diseñar los modelos jerárquicos se ha basado en la búsqueda de procedimientos que, de manera abstracta, permitan asociar a cada operación y a cada actividad, un cierto nivel de comprensión y de caracterización.

En estos modelos, se suele distinguir entre las relaciones de dependencia vertical y las de dependencia horizontal. En las relaciones de dependencia vertical se analizan y se definen las interfases entre niveles adyacentes. Estas interfases contienen todas las estructuras de datos y todas las funcionalidades de relación. Así se consigue dividir el conjunto en una serie de submodelos, cada uno de ellos caracterizados por sus interfases inferior y superior y por unas especificaciones que permite suministrar servicios al nivel superior y solicitar servicios al nivel inferior. En las relaciones de dependencia horizontal se contemplan las aplicaciones y sus interacciones entre extremos.

El control jerárquico es el resultado de la subdivisión jerárquica del proceso. Como ejemplo se puede poner el modelo de referencia de una organización industrial. En los niveles bajos de la jerarquía hay tareas individuales o unidades funcionales específicas. Entre varias unidades funcionales se forma una unidad de nivel superior. La estructura jerárquica permite contemplar el movimiento de información principalmente dentro de las propias capas y entre capas contiguas. En esta estructura se pueden tener en cuenta las características específicas y las imperfecciones de cada parte del proceso, los efectos del ruido, otros restricciones impuestas por el proceso y las debidas a las limitaciones temporales de los cálculos de tiempo real.

SI se tienen en cuenta las características de procesado en planta se obtiene una subdivisión de tareas con criterios funcionales de proceso (Fig. 1.2).

FIGURA1.2. Subdivisión de tareas con criterios funcionales de proceso.

Primera etapa Segunda etapa Última etapa Entrada de material Salida de producto

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CAP. 1. PROCESOS INDUSTRIALES. FABRICACIÓN. SISTEMAS EN T. R. 41 Mediante el análisis de la distribución referida a las opciones de operación en planta se obtiene una subdivisión con criterios geográficos (Fig. 1.3a). Y si se tiene en cuenta la división referida a los plazos de operación se obtiene una subdivisión con criterios temporales (Fig. 1.3b).

FIGURA1.3. a) Subdivisión con criterios geográficos y b) temporales.

En la descomposición en capas (modelo multi-capa (Fig. 1.4) se tiene en cuenta la complejidad de la tarea de control. En la descomposición en niveles (modelo multi-nivel (Fig. 1.5) se tiene en cuenta la coordinación de tareas en los controladores supervisores.

Estas estructuras jerárquicas, referidas a los sistemas distribuidos de control, tienen las siguientes características:

x Modularidad

x Legibilidad del software x Reconfigurabilidad x Extensibilidad x Compatibilidad x Fiabilidad x Seguridad de funcionamiento Control de corto plazo Control de medio plazo Control de largo plazo Línea C Línea B Línea A Entrada de material Salida de producto a) b)

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42 COMUNICACIONES INDUSTRIALES: SIS. DISTRIBUIDOS Y APLICACIONES x Mantenibilidad

x Operación degradable

A su vez, están formadas por los siguientes componentes: x Controladores

x Comunicación Hombre-Máquina x Comunicaciones con dispositivos

x Módulos, pantalla gráfica, menú, algoritmos, redundancia, enlace, diagnosis, estadísticas, etc.

x Tareas: Garantizar la operación normal de la planta; Supervisión y gestión de las alarmes. Control y supervisión. Control estadístico. Gestión de versiones. Actualización. Históricos. Análisis de tendencias. Mantenimiento preventivo y predictivo.

x Sistema de bases de datos distribuido. Gestor.

FIGURA1.4. Subdivisión en estructura multi-nivel.

Gestión de Sistema

Coordinación

Optimización

Planta controlada

Regulación Regulación Regulación Coordinación Complejidad del Sistema de Control Período de las Acciones de Control

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FIGURA1.5. Subdivisión en estructura multi-capa.

Estos sistemas se utilizan principalmente en industrias de proceso donde el sistema de control usa señales analógicas y mecanismos de realimentación. Pueden controlar varios bucles de control, multiplexores de señales, sistemas operativos de propósito general (Unix, WindowsNT, QNX, etc.) y a menudo disponen de una interfase hombre-máquina (MMI, Man Machine Interface, HMI, Human Machine Interface) integral y otras prestaciones, consolas gráficas, paquetes integrados de análisis y control, bases de datos y históricos, y con mecanismos de enlace con el proceso de altas prestaciones de velocidad de respuesta. (Honeywell TDC2000 fue el primero).

M O N I T O R I Z A C I Optimización Identificación de parámetros Adaptación del modelo Regulación Planta controlada Modelo M Vector de parámetros Consigna Control Entrada _Salida Ó N

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1.9. MECANISMOS DE SINCRONIZACIÓN ENTRE

APLICACIONES DISTRIBUIDAS

Las aplicaciones distribuidas se sincronizan mediante mecanismos de interacción mutua. Pero estos mecanismos pueden provocar bloqueos y abrazos mortales. Asimismo, se utilizan semáforos para indicar la disponibilidad de uso de sistemas compartidos.

Un bloqueo consiste en una situación en la que, por razón de la ejecución de algún algoritmo o de alguna parte de protocolo, el sistema es incapaz de avanzar según los parámetros establecidos. Por ejemplo, se produce un bloqueo cuando se inicia un bucle con una condición de salida que nunca se produce. Para prevenir los bloqueos se pueden utilizar técnicas defensivas de programación, por ejemplo, mediante la explicitación de todas las condiciones posibles y alternativas en los saltos condicionados (if .. then .. else). Estas técnicas defensivas, por ellas mismas, no pueden solucionar los bloqueos, pero pueden ayudar a reducir dichas situaciones. Para solucionar las situaciones de bloqueo se suelen utilizar temporizadores de actividad o paso (watchdog, perros de presa). Estos temporizadores observan el paso del programa por lugares estratégicos del código o la generación de ciertos mensajes para reiniciar el conteo. En el caso de llegar al término de cuentas, se realizan acciones de reseteo pues se toma la hipótesis de ocurrencia de algún bloqueo. Estos contadores deben estar bien ajustados pues en caso contrario perderían su efectividad.

El abrazo mortal consiste en un tipo especial de bloqueo entre actividades o acciones concurrentes fuertemente sincronizadas. En este caso, una de las acciones se queda a la espera que la otra acción llegue a una condición de sincronización. Pero esta a su vez, también se queda a la espera de una acción de sincronización de la otra. En este caso, las dos acciones, tareas o partes de protocolo se hallas en situación de espera mutua, de abrazo mortal. Para resolver este abrazo se suelen utilizar sincronizadores u otros elementos de supervisión externos que analizan la evolución de las acciones y, en su caso, desbloquean las acciones correspondientes.

También se suelen utilizar temporizadores watchdog como en los bloqueos anteriores. El abrazo mortal es difícil localizarlo en las aplicaciones distribuidas por lo que se suelen utilizar técnicas de programación concurrente que permitan reducir los bloqueos.

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CAP. 1. PROCESOS INDUSTRIALES. FABRICACIÓN. SISTEMAS EN T. R. 45 Los semáforos son mecanismos de señalización que buscan la exclusión mutua de los recursos compartidos. Así, una aplicación, una base de datos, una zona de memoria, una máquina industrial o cualquier otro recurso que pueda ser requerido por distintas aplicaciones externas puede tener asociado un semáforo. Este semáforo, en su estructura más básica, consiste en una palabra binaria de estado que indica que está ocupado o libre.

En situación de libre, las tareas externas la pueden utilizar. En situación de ocupado deben esperar o buscar otro recurso. Dado que el propio semáforo es un recurso compartido, en determinadas ocasiones el semáforo puede estar representado por una estructura más compleja.

1.10. CONCLUSIONES

En el control distribuido es donde se explota el potencial real de los computadores en las aplicaciones de sistemas industriales. Se debe así considerar no sólo el diseño del control, sino también la implementación en hardware y en software de tiempo real suficientemente fiable y mantenible.

Estas estructuras admiten una modularidad equilibrada, preparar soluciones de propósito general y convertir los sistemas complejos en un conjunto de problemas individuales, con el soporte de las teorías de grandes sistemas y la teoría de control multi-variable.

Una de les características de implementación más interesantes al abordar los sistemas distribuidos es que permiten utilizar herramientas automáticas por el que se refiere al diseño, la ingeniería, la descomposición y la programación de los sistemas distribuidos, tanto por lo que se refiere a la coordinación, la supervisión y el control.

Además, se pueden diseñar de manera eficiente les características de fiabilidad que se desee que incorpore el sistema (duplicación, gestión de métodos de excepción, gestión de alarmas y recopilación de incidencias, etc.)

El sistema de control distribuido incorpora básicamente un conjunto de computadores (PCs, estaciones de trabajo, etc.), módulos controladores (correspondientes al control de máquinas o dispositivos), autómatas programables y sistemas de comunicación que los enlazan. Implícitamente acostumbra a poderse identificar mediante una funcionalidad jerarquizada.

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1.11. BIBLIOGRAFÍA

R. Zurawski. The industrial communication technology handbook. CRC Press, 2005.

C. Bernabeu. Hacia la siguiente generación de buses industriales. Automática e Instrumentación, n. 378, pág. 64-68, Octubre de 2006.

Omron Electronics. Westermo Handbook: Comunicaciones para la industria. 2004 CAN Newsletter. http://www.can-cia.org/newsletter/

ISA. http://www.isa.org/

1.12. EVALUACIÓN

1.12.1. Evaluación Objetiva

1. Indique cuál de las siguientes afirmaciones acerca de la norma EIA-RS232-C es falsa: A) La norma se diseñó principalmente para conectar computadores a módems B) Dispone de un canal dúplex primario y otro de secundario

C) TR y DTR es son señales de sincronismo

D) Cada canal de la norma utiliza un pin de transmisión, otro de recepción, otro común, y se complementa con varios pins de señalización y sincronización

2. Se suelen distinguir tres tipos de sistemas de fabricación. ¿Cuál de los siguientes no pertenece a estos tres tipos?

A) Proceso continuo B) Proceso discreto C) Proceso por lotes D) Proceso extendido

3. Al sistema que cuando no se cumple algún plazo se puede obtener una consecuencia irreparable o catastrófica. Se denomina:

A) Sistema de tiempo real estricto B) Sistema de tiempo real no estricto C) Sistema Batch

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CAP. 1. PROCESOS INDUSTRIALES. FABRICACIÓN. SISTEMAS EN T. R. 47 4. ¿Cuál de las siguientes respuestas no pertenece a una subdivisión de tareas en estructura

multi-capa? A) Regulación B) Optimización

C) Identificación de parámetros D) Control de corto plazo

5. Indique cual de las siguientes características no se presenta en Los sistemas distribuidos de control:

A) Fiabilidad

B) Seguridad de funcionamiento C) Mantenibilidad

D) Operaciones no degradables

6. Indique cual de los siguientes componentes no se presenta en los sistemas distribuidos de control:

A) Módulos de prueba B) Controladores

C) Comunicación Hombre-Máquina D) Comunicaciones con dispositivos

7. Indique cuál de las siguientes afirmaciones es falsa:

A) Los semáforos son mecanismos de señalización que buscan la inclusión mutua de los recursos compartidos

B) Las situaciones de bloqueo se suelen solucionar con temporizadores de actividad o paso C) Para prevenir los bloqueos se pueden utilizar técnicas defensivas de programación D) El abrazo mortal consiste en un tipo especial de bloqueo entre actividades o acciones

concurrentes fuertemente sincronizadas

8. ¿Cuál de las siguientes respuestas no es una subdivisión de tareas?. A) En estructura multi-capa

B) En regulación C) Temporal

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48 COMUNICACIONES INDUSTRIALES: SIS. DISTRIBUIDOS Y APLICACIONES 9. Indique cuál de las siguientes afirmaciones es falsa

A) Las aplicaciones distribuidas se sincronizan mediante mecanismos de interacción mutua B) El abrazo mortal es fácil de localizar en las aplicaciones distribuidas

C) Los semáforos son mecanismos de señalización

D) La explicitación de todas las condiciones posibles y alternativas en los saltos condicionados (if .. then .. else), por ellas mismas, no pueden solucionar los bloqueos, pero pueden ayudar a reducir dichas situaciones

10. Indique cual de las siguientes afirmaciones es verdadera:

A) Las plantas de proceso en batch son sistemas de fabricación en los que se realiza una parte del procesado de manera discreta y otra parte de manera implícita

B) Los mensajes de órdenes suelen ser prioritarios respecto a las lecturas de los sensores C) En los sistemas de comunicación se asigna un único tipo de prioridad que corresponde a

los distintos nodos

D) El módulo de legibilidad del software es un componente de los sistemas distribuidos de control

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T

EMA

2 COMUNICACIONES INDUSTRIALES.

SISTEMAS DISTRIBUIDOS. PROGRAMACIÓN

DE REDES DISTRIBUIDAS

2.1. Introducción y orientaciones en el estudio 2.2. Objetivos

2.3. Comunicaciones industriales y sistemas de Tempo Real 2.4. Sistemas distribuidos

2.5. Programación 2.6. Conclusiones 2.7. Bibliografía 2.8. Evaluación

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CAP. 2. COM. IND. SIS. DISTRIBUIDOS. PROG. DE REDES DISTRIBUIDAS 51

2.1. INTRODUCCIÓN Y ORIENTACIÓN EN EL ESTUDIO

En este capítulo se revisan los conceptos de comunicaciones industriales y sistemas distribuidos, ya estudiados anteriormente, pero que resultan fundamentales para entender los capítulos siguientes, dedicados a los sistemas existentes dentro de las aplicaciones industriales de las comunicaciones.

Igualmente el lector deberá revisar el concepto de sistema en tiempo real, que igualmente aquí se repite para su consolidación.

Por último, este capítulo introduce conceptos nuevos de programación, interrupciones y sistemas de control en tiempo real.

2.2. OBJETIVOS

El objetivo básico de este capítulo es la consolidación y síntesis de los conceptos de Comunicaciones Industriales, de su uso en los Sistemas Distribuidos (y en especial dentro de los denominados Cliente-Servidor), y de los principio y funciones básicas de un sistema en tiempo real.

2.3. COMUNICACIONES INDUSTRIALES Y SISTEMAS DE

TIEMPO REAL

En los capítulos 9 y 10 del libro “Comunicaciones Industriales: Principios Básicos” así como en el capítulo 1 del libro “Comunicaciones Industriales: Sistemas Distribuidos y Aplicaciones” se han expuesto las bases conceptuales de las comunicaciones industriales, los sistemas distribuidos y sus implicaciones como sistemas en tiempo real.

Así, los objetivos de los sistemas de comunicación en el entorno industrial son (capítulo 9 del libro “Comunicaciones Industriales: Principios Básicos”):

x Coordinar acciones de unidades automatizadas y controlar la transferencia de componentes, a través del intercambio de datos entre las diferentes unidades (autómatas programables o PLCs, PCs industriales) que controlan el proceso productivo.

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x Monitorizar y modificar estrategias de control desde el puesto de operación, que puede estar situado en la propia planta o en cualquier otro lugar mediante una conexión a través de redes de datos públicas o privadas.

x Proveer los recursos necesarios para aumentar la confiabilidad y seguridad en los procesos de producción mediante: detección temprana de condiciones de alarma, supervisión y control continúo de procesos de alto riesgo, verificación del estado de las instalaciones y seguimiento de las condiciones de operación de estaciones remotas.

x Proveer servicios de transmisión de voz e imágenes.

x Integración completa del proceso productivo (desde el operario hasta los gestores o clientes)

Como se puede observar, desde el punto de vista industrial, la necesidad de comunicación no se restringe únicamente a la producción. Diferentes departamentos de la industria pueden participar en la red de comunicaciones para permitir un control global del sistema. De este modo, no sólo se controla el propio funcionamiento de la planta de fabricación, sino que en función de las decisiones tomadas en las capas administrativas de la empresa, podría actuarse directamente sobre la producción. Por lo tanto, la red integrada de comunicación industrial debe estructurarse en base a una arquitectura bien definida y bajo las premisas de racionalización, conectividad, calidad y confianza, lo cual será estudiado en detalle en la siguiente sección.

La integración de los diferentes equipos y dispositivos existentes en una industria se hace dividiendo las tareas entre grupos de procesadores con una organización jerárquica. Así, dependiendo de la función y el tipo de conexiones, se suelen distinguir cinco niveles en una red industrial, los cuales se pueden observar en la Figura 2.1.

x N1 - Nivel de entrada/salida. x N2 - Nivel de campo.

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CAP. 2. COM. IND. SIS. DISTRIBUIDOS. PROG. DE REDES DISTRIBUIDAS 53

x N4 - Nivel de control de producción. x N5 - Nivel de gestión o dirección.

FIGURA2.1. Jerarquía de comunicaciones industriales.

Esta estructura no es universal, varía con el tamaño del sistema de fabricación y sus características particulares. Además, para cualquiera de los niveles, no hay un estándar universalmente aceptado que cubra todos los aspectos desde el nivel físico al de aplicación (si se refiere al modelo OSI de ISO).

2.3.1. Sistemas en tiempo real

Los sistemas de tiempo real son sistemas de computación que interaccionan repetidamente con su entorno físico y responden a los estímulos que reciben del mismo dentro de un plazo determinado. Para que el funcionamiento sea correcto no basta con que las acciones sean correctas, sino que tiene que ejecutarse dentro de un intervalo de tiempo específico.

Los intercambios de datos entre nodos de un sistema en tiempo real se realizan a través de la red y, debido a la naturaleza de tiempo real de las aplicaciones que funcionan en el sistema, tales intercambios deben finalizar