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Tema 09. BUSES DE CAMPO 1 Introducción 2 Niveles en una Red Industrial 3 Redes LAN industriales 4 Buses de Campo 5 OPC (OLE for Process Control) 1 Introducción La automatización en las industrias ha seguido un proceso gradual, aplicando la tecnología disponible en cada momento. Esto a dado lugar a las denominadas ‘islas automatizadas’, término empleado para designar a una serie de equipos aislados entre sí y dedicados al control de una máquina o parte del proceso. Dichos equipos pueden ser PLCs, ordenadores de diseño y gestión, controles numéricos, actuadores, sensores, etc. El desarrollo de las comunicaciones, y su aplicación a la industria, ha permitido la implantación de redes industriales que facilitan la comunicación entre estas islas automatizadas, aumentando el rendimiento y las posibilidades en el control. 1 Introducción (continuacion) Entre las innumerables ventajas del empleo de redes industriales, podemos destacar las siguientes: • Visualización y supervisión de todo el proceso productivo. • Mayor velocidad en la toma de datos. • Mejora del rendimiento del proceso al realizar el control en su conjunto. • Posibilidad de intercambio de datos entre diferentes sectores del proceso y departamentos. • Posibilidad de programación y control a distancia sin tener que estar en campo (teleproceso). Dependiendo del tipo de instalación, la implantación de una red de comunicaciones industrial puede ser o no rentable, lo que obliga a un estudio previo antes de su utilización. 2 Niveles en una Red Industrial La integración de los diferentes equipos y dispositivos existentes en una planta se hace dividiendo las tareas entre grupos de procesadores con una organización jerárquica. Figura 1. Niveles de una red industrial. 2 Niveles en una Red Industrial (continuacion) Así, dependiendo de la función y el tipo de conexiones, se suelen distinguir cuatro niveles en una red industrial (figura 1): • Nivel de entrada/salida: es el nivel más próximo al proceso. Aquí es donde encontramos las máquinas con las que opera la empresa, y con ellas, todos los sensores y actuadores para la toma de medidas y realización de acciones de control sobre el proceso. • Nivel de campo y proceso: integra pequeños automatismos (PLCs compactos, PIDs, multiplexores de e/s, etc.) en subredes o ‘islas’. En el nivel más alto de estas redes podemos encontrar uno o varios autómatas modulares actuando como maestros de la red o maestros flotantes. En este nivel se emplean los buses de campo. • Nivel de control: enlaza las células de fabricación o zonas de trabajo. A este nivel se sitúan los autómatas de gama alta y los ordenadores dedicados al diseño, control de calidad, programación, etc. En este nivel es donde se suelen emplear las redes de tipo LAN (MAP o Ethernet). 2 Niveles en una Red Industrial (continuacion) • Nivel de gestión: es el nivel más alto y se encarga de integrar los siguientes niveles en una estructura de fábrica o varias fábricas. Se suelen emplear estaciones de trabajo que establecen la conexión entre el proceso productivo y la gestión (ventas, stocks, etc). Las redes empleadas son de tipo LAN o WAN (para plantas situadas en diferentes lugares). Esta estructura no es universal, varía con el tamaño del proceso 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 nos referimos al modelo OSI de ISO). 3 Redes LAN industriales Son las redes empleadas en los niveles de gestión y de control. En estos niveles hay una cierta uniformidad, impuesta por las grandes compañías de informática de gestión. Los estándares más empleados son: • MAP (Manufacturing Automation Protocol). Es una red de gestión especialmente diseñada para el entorno industrial, por lo que es la más empleada en LANs industriales. Fue creada por General Motors y está normalizada por la IEEE. No es una red que actúe al nivel de bus de campo, pero existen pasarelas para su conexión a estos buses. Dichas pasarelas realizan la adaptación necesaria de conexión, código y protocolo, y son comercializadas por los diferentes fabricantes de buses de campo. También existen pasarelas para la integración de redes MAP en redes de área amplia (WAN). 3 Redes LAN industriales (continuacion) • Ethernet. Es una red de área local inicialmente diseñada por Xerox Corporation, y posteriormente normalizada por la IEEE. Es compatible con el modelo OSI en los niveles 1,2 y 3, y permite diferentes topologías (bus, anillo, estrella) con velocidades que van desde los 10 Mbps a los 100 Mbps (Fast Ethernet). La evolución de este estándar ha sido muy rápida por su uso en las redes ofimáticas, y precisamente por ello su coste resulta muy asequible, por lo que su implantación en la industria está desplazando en muchos casos a las redes de tipo MAP. A nivel de redes de área extensa (WAN), no hay una red específica para uso industrial, y normalmente se emplean redes públicas o privadas de telefonía o de datos (PSTN, PSDN e ISDN), bajo protocolo TCP/IP. 4 Buses de Campo 4.1 Panorámica actual de los buses de campo Con la implantación en los últimos años del microprocesador en los instrumentos de medida, se han conseguido reducciones en los costos y grandes mejoras en cuanto funcionamiento, tales como: linealización de respuesta, facilidad de calibración haciendo uso de teclado y display, etc. No obstante, la comunicación digital se ha limitado hasta ahora, a una mera transmisión de datos de diagnóstico y de configuración, superpuesta a la señal analógica de medición, haciendo uso de una terminal especifica de configuración. Este es el caso de los instrumentos denominados “inteligentes”, que utilizando protocolos de comunicación como Hart e Intensor, permiten configurar los instrumentos de forma remota, sin necesidad de acceder físicamente al dispositivo. Aún con estas tecnologías, la transmisión de la variable de proceso se ha realizado utilizando señales analógicas. Como ejemplo, podemos citar la transmisión en bucle de corriente 4-20 mA, que sin duda se trata de la mas extendida en la industria. 4.1 Panorámica actual de los buses de campo (continuacion) Figura 2. Sistema de control convencional versus Profibus-PA 4.1 Panorámica actual de los buses de campo (continuacion) En la actualidad, las señales de procesos industriales, originadas a pie de máquina, se transmiten normalmente con un extenso cableado punto a punto, incluso haciendo uso de transmisores “inteligentes”. Esto significa que cada sensor o actuador situado en campo se encuentra conectado a los módulos de entrada-salida de los PLC´s, utilizando un par de hilos por instrumento. Cuando la distancia entre el instrumento y sistema de control comienza a ser considerable, debemos tener en cuenta los costos de cableado, sobre todo cuando se establece la necesidad de un número extenso de conductores de reserva, de cara a futuras ampliaciones. Para los próximos años, se prevé la implantación definitiva de la filosofía de Bus de Campo. Con este sistema se hará posible la sustitución de los actuales haces de conductores, por un simple cable bifilar o fibra óptica, común para todos los sensores y actuadores, con el consiguiente ahorro económico que ello supone. La comunicación de la variable de proceso será totalmente digital. Un Bus de Campo es un sistema de dispositivos de campo (sensores, actuadores y dispositivos de control), que comparten un bus digital serie para transmitir informaciones entre ellos, sustituyendo a la convencional transmisión analógica punto a punto. 4.1 Panorámica actual de los buses de campo (continuacion) Los busesde campo constituyen el nivel más simple y próximo al proceso dentro de la estructura de las comunicaciones industriales. Se basan en procesadores simples y protocolos sencillos (si los comparamos con protocolos de LAN u otras redes) para gestionar el enlace entre dichos procesadores. Figura 3. Estructura típica de un bus de campo. 4.1 Panorámica actual de los buses de campo (continuacion) Estos buses permiten, además, la comunicación con buses jerárquicamente situados en niveles superiores mediante el empleo de pasarelas. Los buses de campo están muy poco normalizados, por lo que existe una gran variedad de ellos, con diferentes características dependiendo de a qué aplicaciones estén destinados. 4.2 Buses de Campo y Niveles OSI Idealmente, las especificaciones de un bus de campo debería cubrir los siete niveles OSI, aunque lo más frecuente es que implementen sólo tres: • Nivel físico: donde se especifica el tipo de conexión, naturaleza de la señal, tipo de medio, etc. Normalmente admiten más de un tipo de medio físico. Los más comunes son de tipo semidúplex sobre RS-485. • Nivel de enlace: se especifican los protocolos de acceso al medio (MAC) y de enlace (LLC). En este nivel se definen una serie de funciones y servicios de la red mediante códigos de operación estándar. • Nivel de aplicación: es el dirigido al usuario, y permite la creación de programas de gestión y presentación, apoyándose en las funciones estándar definidas en el nivel de enlace. 4.3 Buses Propietarios y Buses Abiertos La existencia de un elevado número de buses de campo diferentes se debe a que cada compañía venía utilizando un sistema propio para sus productos, auque en los últimos años se observa una cierta tendencia a utilizar buses comunes. En buses de campo podemos distinguir: • Buses propietarios: son propietarios de una compañía o grupo de compañías, y para utilizarlos es necesarios obtener una licencia, que es concedida a la empresa que la disfruta con una serie de condiciones asociadas, y a un precio considerable. • Buses abiertos: son todo lo contrario: • Las especificaciones son públicas y disponibles a un precio razonable. • Los componentes críticos (μP) también están disponibles. • Los procesos de validación y verificación están bien definidos y disponibles en las mismas condiciones que los anteriores. 4.3 Buses Propietarios y Buses Abiertos Las características fundamentales que el bus de campo debe cumplir, en lo referente a la conexión de dispositivos, son: • Interconectividad: al bus se deben poder conectar de forma segura dispositivos de diferentes fabricantes que cumplan el protocolo. Es el nivel mínimo, y no proporciona, en principio, ninguna ventaja. • Interoperatividad: los dispositivos de diferentes fabricante funcionan satisfactoriamente en el mismo bus (el bus ya sirve para algo). • Intercambiabilidad: los dispositivos de un fabricante pueden ser sustituidos por otros equivalentes, de otro fabricante, y seguir funcionando. Este es el objetivo final, y sólo se consigue si las especificaciones son completas y se dispone de un sistema de prueba y validación. 4.4 Ventajas de los Buses de Campo Los buses de campo, si son correctamente elegidos para la aplicación, ofrecen numerosas ventajas, como: • Flexibilidad: el montaje de un nuevo instrumento supone la simple conexión eléctrica al bus y una posterior configuración, normalmente remota (desde la sala de control). Si se trata de buses abiertos, resultará posible la conexión de instrumentos de distintos fabricantes al mismo bus. • Seguridad: Transmisión simultánea de señales de diagnóstico de sensores y actuadores, permitiendo así instalaciones más seguras, ya que esta tecnología permite incluir en el control de planta actuaciones ante fallos de periféricos. • Precisión. Transmisión totalmente digital (codificación IEEE 754 32 bits) para variables analógicas. • Facilidad de mantenimiento: resulta posible diagnosticar el funcionamiento incorrecto de un instrumento y realizar calibraciones de forma remota desde la sala de control. Esto permite localizar rápidamente conexiones erróneas en la instalación, con lo que los errores de conexión son menores y más rápidamente solucionados (reducción de los tiempos de parada y pérdidas de producción). 4.4 Ventajas de los Buses de Campo (continuacion) • Reducción de la complejidad del sistema de control en términos de hardware: • Reducción drástica del cableado. • Se elimina la necesidad de grandes armarios de conexiones para el control del equipamiento asociado. • Reducción del número de PLCs. Al reducir el hardware se reduce el tiempo de instalación y el del personal necesario para ello. Existen pasarelas para la interconexión de diferentes buses de campo. El principal problema se plantea a la hora de tomar la decisión de qué bus utilizar, debido a la gran variedad de buses existente. Para su elección hay que tener en cuenta una serie de factores como tamaño y tipo de la instalación. 4.5 Normalización Se han realizado muchos intentos de normalización de buses de campo. Finalmente se establecieron una serie de reglas genéricas, incluidas en una norma de la IEC (comité TC65C-WG6). Dichas recomendaciones son: • Nivel físico: bus serie controlado por maestro. Comunicación semidúplex en bada base. • Velocidades: 1 Mbps para distancias cortas y de 64-250 Kbps para distancias largas. • Longitudes: 40 m para la máxima velocidad y 350 m para velocidades más bajas. • Número de periféricos: máximo de 30 nodos con posibles ramificaciones hasta 60 elementos. • Cable: par trenzado apantallado. • Conectores: bornes industriales o DB9/DB25. • Conexión-desconexión en caliente (on-line). 4.5 Normalización • Topología: bus físico con posibles derivaciones a nodos periféricos. • Longitud máxima de las ramificaciones: 10m. • Aislamientos: 500 Vca entre elementos de campo y bus. • Seguridad intrínseca: opción de conectar elementos de campo con tensiones reducidas para atmósferas explosivas. • Alimentación: opción de alimentación a través del bus. • Longitud mínima del mensaje: 16 bits. • Transmisión de mensajes: posibilidad de diálogo entre cualquier par de nodos sin repetidor. No excluye maestros ni repetidores ‘transparentes’. • Maestro flotante: posibilidad de maestro flotante entre nodos. • Implementación del protocolo: los chips para el protocolo deben estar disponibles comercialmente y no protegidos por patente. Casi todas las especificaciones que se dan son de nivel físico, y están muy abiertas en los niveles de enlace y de aplicación. 4.6 Características de algunos Buses de Campo A continuación se presentan los buses de campo de más utilización en la actualidad y sus principales características: • Profibus: es un bus de campo impulsado por fabricantes alemanes. • Estándar abierto bajo norma DIN 19.245 • Variantes: Profibus DP, FMS y PA. • Es un subjuego de MINIMAP (usada en niveles superiores con más prestaciones). • Concreta bastante el nivel de aplicación. • Utiliza topología en bus o árbol. • Medio físico: RS-485, fibra óptica y enlaces módem y radio. • Acceso al medio: Multimaestro (paso de testigo con maestro flotante). • Fabricantes: Bosch, Siemens, ABB, AEG, Bauer, Danfoss, Endress + Hauser, ... 4.6 Características de algunos Buses de Campo (continuacion) • ASi (Actuator Sensor Interface). Desarrollado en común por once fabricantes de actuadores, sensores y sistemas de control y dos universidades. • Sistema abierto. • Topología en árbol, estrella o bus. Posibilidad de derivaciones, que no necesitan terminadores. • Acceso al medio: Maestro-esclavo. • Longitud máxima 100m (hasta 300 con repetidores). • Cable normalizado 2x2,5 mm2 de potencia o 2x1,5mm2 plano tipo ASi, que permite conexionado directo con tomas de tipo vampiro. • Velocidad de transmisión de 167 Kbps.• Datos transmitidos digitalmente por modulación sobre la corriente de alimentación. • Muy utilizado en conjunto con Profibus DP para instalaciones industriales. • Fabricantes: asociación ASi con más de 160 fabricantes (Siemens, Scheneider Electric, Crouzet, Danfoss, Bürkert, … 4.6 Características de algunos Buses de Campo (continuacion) • Modbus: marca registrada de Gould Inc. • Estándar de uso. No está recogido en ninguna norma internacional, pero está muy extendido (comenzó en los 80s, empleándose por muchas compañías). • Topología en bus. • Medio físico: RS-485 semidúplex con par trenzado, RS-422m BC 4-20 mA o fibra óptica. • Acceso al medio: Maestro-esclavo • Fabricantes: Modicon, Crouzet, Sncheneider Electric, … 4.6 Características de algunos Buses de Campo (continuacion) • Bitbus: marca registrada por Intel. • Cedido a dominio público: protocolo abierto. • Alta velocidad y bajo coste. • Cumple las normas de la IEC. • Bus síncrono (con reloj o bien autorreloj NRZI), controlado por el microcontrolador 8044 (ASIC) • Ventaja: la interfaz 8044 de bajo coste está disponible. Es la que gestiona completamente el protocolo. Existe software de aplicación. • Inconvenientes: no recogido en ninguna norma internacional y ha tenido muy poca implantación. • Fabricantes: Intel, Adicom, Analog Devices, Hitachi, Honeywell, Phoenix, Whesting House, etc. 4.6 Características de algunos Buses de Campo (continuacion) 4.6 Características de algunos Buses de Campo (continuacion) Tabla 1. Características de algunos buses de campo. Otros buses de campo: Profibus, Modbus, Modbus Plus, Jbus, Bitbus, Hart, WorldFIP, DeviceNet, Lonworks, EIB, Fieldbus Foundation, FIP, ASi, CAN, ArcNet, BACnet, CEBus, InterBus-S, ISP, P-net, SDS, SP50. 5 OPC (OLE for Process Control) La arquitectura informática para la industria incluye los diferentes niveles descritos con anterioridad (gestión, control, campo-proceso y entrada-salida). El objetivo de OPC es que en la industria se puedan utilizar herramientas estándar (paquetes SCADA, bases de datos, hojas de cálculo) para construir un sistema que responda a sus necesidades de mejora de la productividad. Para ello es necesario desarrollar una arquitectura de comunicaciones abierta y efectiva que se centre en el acceso a los datos, no en los tipos de datos, es decir, que sea independiente del tipo de bus de campo o de datos empleado en cada una de las partes del proceso productivo y empresarial. Hay muchas aplicaciones cliente que requieren datos de dispositivos y acceden a ellos desarrollando controladores o drivers de forma independiente. Esto implica: • Duplicación de esfuerzos: todos los programas necesitan un driver para un determinado hardware (p.e. un bus de campo). • Falta de consistencia entre drivers: hay características del hardware no soportadas por todos los drivers. • Cambios en el hardware: hacen que los drivers queden obsoletos. 5 OPC (OLE for Process Control) (continuacion) • Conflictos de acceso: generalmente, dos programas no pueden acceder simultáneamente al mismo dispositivo puesto que poseen drivers independientes. Los fabricantes de hardware no pueden desarrollar un driver eficiente utilizable por todos los clientes debido a las diferencias de protocolos entre clientes. Figura 3. Diferencias entre la arquitectura convecional y OPC. 5 OPC (OLE for Process Control) (continuacion) OPC proporciona un mecanismo para extraer datos de una fuente y comunicarlos a cualquier aplicación cliente de manera estándar. Los fabricantes de hardware pueden desarrollar servidores optimizados para recoger datos de sus dispositivos. Dando al servidor un interfase OPC permite a cualquier cliente acceder a dichos dispositivos. Origen de la especificación OPC OPC se basa en la tecnología OLE/COM (Object Linking and Embedding / Component Object Model) de Microsoft. Esta es la tecnología que permite que componentes de software (escritos en C y C++ por expertos en un sector) sean utilizados por una aplicación (escrita en Delphi o VisualBasic para otro sector). De esta forma se desarrollarán componentes en C y C++ que encapsulen los detalles de acceder a los datos de un dispositivo, de manera que quienes desarrollen aplicaciones empresariales puedan escribir código en VisualBasic que recoja y utilice datos de planta. El diseño de los interfases OPC soporta arquitecturas distribuídas en red. El acceso a servidores OPC remotos se hace empleando la tecnología DCOM (Distributed COM) de Microsoft. 5 OPC (OLE for Process Control) (continuacion) Figura 4. Integración de sistemas heterogéneos con OPC. 5 OPC (OLE for Process Control) (continuacion) Figura 5. Arquitectura general y componentes OPC. Arquitectura de un Servidor OPC Un servidor OPC se compone de varios objetos que se ajustan a la norma COM (Component Object Model): • El objeto servidor: contiene información sobre la configuración del servidor OPC y sirve de contenedor para los objetos tipo grupo. • El objeto grupo: sirve para organizar los datos que leen y escriben los clientes (ej.: valores en una pantalla MMI o en un informe de producción). Se pueden establecer conexiones porexcepción entre los clientes y los elementos de un grupo. Un grupo puede ser público, es decir, compartido por varios clientes OPC. • El objeto item: representa conexiones a fuentes de datos en el servidor (no son las fuentes de datos en sí). Tiene asociados los atributos Value, Quality y Time Stamp. Los accesos a los items OPC se hacen a través de los grupos OPC y los clientes pueden definir el ritmo al cual el servidor les informa sobre cambios en los datos. El acceso a los objetos COM se hace a través de interfases, que son lo único que ven los clientes OPC. Los objetos descritos son representaciones lógicas que no tienen porqué coincidir con la implementación que se haga del servidor OPC.
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