1 Introduccion Redes Industriales

Introducción a Redes de Comunicaciones Industriales

EASM-PUCP

Introducción La automatización industrial inicialmente dio lugar a islas automatizadas que eran equipos (autómatas, (autómatas, controles numéricos, robots, ordenadores, etc) etc) aislados entre sí. • En la búsqueda de la integración de las islas automatizadas, fueron desarrolladas las Redes de Comunicaciones Industriales • Actualmente, se presentan jerarquías en las comunicaciones industriales, desde el nivel de fábrica hasta el nivel sensoractuador , recorriendo de este modo sistemas de comunicación tales como el  bus ASi ASi,, los buses de campo con sus diversas variantes, buses a nivel de célula (Profibus ( Profibus FMS)) y bus a nivel de fábrica (Ethernet FMS (Ethernet). ). •

Introducción La automatización industrial inicialmente dio lugar a islas automatizadas que eran equipos (autómatas, (autómatas, controles numéricos, robots, ordenadores, etc) etc) aislados entre sí. • En la búsqueda de la integración de las islas automatizadas, fueron desarrolladas las Redes de Comunicaciones Industriales • Actualmente, se presentan jerarquías en las comunicaciones industriales, desde el nivel de fábrica hasta el nivel sensoractuador , recorriendo de este modo sistemas de comunicación tales como el  bus ASi ASi,, los buses de campo con sus diversas variantes, buses a nivel de célula (Profibus ( Profibus FMS)) y bus a nivel de fábrica (Ethernet FMS (Ethernet). ). •

Característica de una Red Industrial Por el bus se deben transmitir dos tipos de datos:

1. Datos de proceso o de de entrada/salida Señales que actúan sobre los contactores contactores,, válvulas válvulas,, referencias,, etc. referencias Datos de entrada/salida de cada dispositivo: dispositivo: unos  pocos bytes. Se pueden conectar al bus un gran número de dispositivos de campo. Èstos datos de proceso (de E/S) son cíclicos y deben ser  continuamente actualizados por medio del bus de comunicación. Los tiempos que se manejan son del orden de unos pocos milisegundos. 



Los datos de entrada/salida únicamente se identifican por la dirección del dispositivo en la red.

Característica de una Red Industrial 2. Parámetros o mensajes  Los parámetros tienen la función de ajustar, monitorizar  y programar los dispositivos.  No dispone del carácter de información cíclica que tienen los datos de proceso. Esta información es transmitida sólo por demanda.  La transmisión requiere una especial seguridad.  El tamaño de la información oscila desde 10 a 100 bytes por dispositivo, aunque pueden ser del orden de cientos de Kbytes en dispositivos inteligentes.  No tiene requisitos de tiempo. Se requiere información adicional describiendo el tipo de información (no sólo la dirección del dispositivo).

Característica de una Red Industrial

Tamaño de datos

Velocidad de reacción

Nivel de Gestión Nivel de Supervisión Nivel de Control Nivel de Campo

Niveles de un Sistema de Control Industrial

Ambientes de Oficina

NIVEL GESTIÓN

NIVEL DE SUPERVISIÓN NIVEL DE CONTROL

Centros de Control

Computadores, Controladores, PLC, etc

NIVEL DE INSTRUMENTACIÓN Medidores, Actuadores, Reles, etc

PROCESO

Redes Industriales

Factory level

Peer-Peer/ Multi-master  Large Data Transfer 

Area-Controller 

INFORMATION LAYER

Cycle-time < 1000 ms

Celllevel

PC/VME

Cellcontroller 

CNC

DCS

Peer-Peer/ Multi-master 

CONTROL LAYER

Cycle-time < 100 ms

SCADA VME/PC

PLC

Fieldlevel

Master/Slave Small Data Transfer 

Sensor 

DEVICE LAYER

Cycle-time < 10 ms Field device

Trans-

Remote

Niveles en Redes Industriales

Niveles Generales en Redes Industriales •

En resumen se presentan : 

Nivel Bus de campo.



Nivel LAN.



Nivel LAN/WAN.

Dentro de estos niveles pueden subdividirse de diversas maneras

•

Los buses de campo son una forma especial de LAN dedicada a aplicaciones de adquisición de datos y comando de elementos finales de control sobre la planta.

Niveles Generales en Redes Industriales 1. Nivel de bus de campo.

 Nivel de red más próximo al proceso y se encarga de la integración de equipos (autómatas compactos, multiplexores de E/S, controladores PID, equipos de medida, etc.) para la medición y control de variables de proceso. Suelen formar  células de fabricación. 2. Nivel de LAN.  Nivel superior al anterior que enlaza las células de fabricación. Esta formado por  autómatas de gama alta y ordenadores para control de calidad. 3. Nivel de LAN/WAN.  Nivel más próximo al área de gestión, que integra los niveles anteriores en una estructura de fábrica o múltiples factorías. Esta formado por ordenadores y redes de ordenadores.

Descripción de funciones en cada Nivel en Redes Industriales

1. Nivel de Acción/Sensado Llamado nivel de instrumentación. Formado por los sensores y actuadores distribuidos en una línea de  producción. Por ejemplo un motor de mezcla de materias  primas. • Se trata de sustituir los sistemas de cableado tradicionales  por buses de campo de prestaciones sencillas y sistemas de  periferia descentralizada •

2. Nivel de Control (Nivel de Campo y Proceso) En este nivel se sitúan los elementos capaces de gestionar  los actuadores y sensores, como PLC o equipos de aplicación especifica basados en microprocesador como robots, maquinas herramientas o controladores de motores. • Son dispositivos programables de tal manera que es  posible ajustar y personalizar su funcionamiento según las necesidades de cada caso. Los dispositivos de este nivel de control junto con los de niveles inferiores de accion/sensado realizan procesos productivos por si mismos • En este nivel se emplean los buses de campo tradicionales aunque podría emplearse redes superiores como Ethernet Industrial bajo ciertas premisas que aseguren el determinismos en la red •

2. Redes de Control: introducción El bus de campo constituye el nivel más simple y próximo al  proceso dentro de la estructura de comunicaciones industriales. • Los buses de campo conectan actuadores, controladores, sensores y dispositivos similares, en el nivel inferior de la estructura jerárquica de la automatización industrial. •

2. Redes de Control: introducción •

Una arquitectura de bus de campo es un sistema abierto de tiempo real. Pero no necesariamente ha de conformarse con el modelo OSI de 7 capas, pues es más importante que la conexión sea de bajo coste y alta fiabilidad frente a las  posibilidades de interconexión a redes generales.

2. Redes de Control: introducción

2. Redes de Control: sensores-actuadores En este grupo se encuentran las redes de campo diseñados con el objetivo específico de intercomunicar los sistemas electrónicos de control con los dispositivos de campo conectados al proceso. • Funcionan en aplicaciones de tiempo real estricto en una  pequeña zona de la planta (típicamente una máquina o célula). • Los fabricantes suelen denominarlas redes de periferia distribuida (distributed periphery). •

2. Redes de Control: sensores-actuadores •

Han sido numerosos los fabricantes que han desarrollado este tipo de redes, que se diferencian en aspectos como:  –  La posibilidad de disponer de uno o más nodos principales

(master) en la red.  –  La comunicación de datos de sensores y actuadores todo/nada (on/off) o analógicos.  –  La capacidad de diagnosis y/o parametrización de los sensores y actuadores. •

Es frecuente, además, que los fabricantes traten de normalizar el intercambio de información con los dispositivos de uso más frecuente (perfiles de comunicación).

2. Redes de Control: sensores-actuadores Tiempo de ciclo breve y constante • Alta fiabilidad de la transmisión con datos de  pequeño tamaño y alta eficacia del protocolo • Transmisión simultanea de datos de E/S y mensajes sin influencia mutua • Manejo sencillo •

2. Redes de Control: sensores-actuadores capacidad limitada Las redes de sensores-actuadores de capacidad funcional limitada han sido diseñadas para integrar principalmente dispositivos todo-nada (fin de carrera, fotocélula, relé, …). • Se caracterizan por tener, en general, un único nodo principal. • Como ejemplo de este tipo de redes se puede citar la red AS-i (Actuator Sensor Interface) •

2. Redes de Control: sensores-actuadores elevada capacidad Las redes de sensores-actuadores de elevada capacidad funcional disponen de una capa de enlace adecuada para el envío eficiente de bloques de datos de mayor tamaño que en el caso anterior. • Estos mensajes más complejos permiten que, mediante ellas, se puedan configurar, calibrar e incluso programar  dispositivos de campo (Field Devices) más “inteligentes” que los todo/nada (codificadores absolutos, sensores de temperatura, presión o caudal, variadores de velocidad, servoválvulas, etc.). •

2. Redes de Control: sensores-actuadores elevada capacidad

Buses para áreas de Seguridad Intrínseca •

Dispositivos con seguridad intrínseca para uso en ambientes explosivos a. HART  b. Profibus PA c. FIP

Tipos de Buses de Campo: Clasificación

Tipos de Buses de Campo (Clasificación General)

Tipos de Buses de Campo (Clasificación)

Por ejemplo Fieldbus Foundation, Profibus y Hart, están diseñados  para instrumentación de control de procesos. En cambio DevicetNect y SDC están optimizados para los mercados de los dispositivos discretos (on-off) de detectores, actuadores e interruptores, donde el tiempo de respuesta y repetibilidad son factores críticos. Cada protocolo tiene un rango de aplicación, fuera del mismo disminuye el rendimiento y aumenta la relación costo/prestación. En muchos casos no se trata de protocolos que compitan entre sí, sino que se complementan, cuando se trata de una arquitectura de un sistema de comunicación de varios niveles

Estrategia Americana

Estrategia Europea