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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO

“ESTUDIO PARA LA APLICACION DE PRACTICAS DEL LABORATORIO DE PROCESOS AUTOMATIZADOS E INTEGRADOS POR COMPUTADORA (LPAIC).”

TESIS QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO EN ROBOTICA INDUSTRIAL PRESENTA: ALEJANDRO CEDILLO MARTINEZ

ASESORES: M.en C. JOSE GUADALUPE TORRES Y ORTEGA ING. MARINA ESPITIA BADILLO

MEXICO,D.F. 2008

AGRADECIMIENTOS A Dios Por haberme dado la fortaleza y el valor necesarios para poder salir avante de cualquier situación que se me ha presentado en mi vida. Por permitirme conocer a tantas personas que en algún momento de mi vida me han brindado su apoyo y de las cuales he aprendido tanto. A mi Madre. Por su apoyo incondicional a lo largo de mi vida. Por todos los sacrificios, privaciones, tristezas y desvelos por los cuales tuviste que pasar y soportar para brindarme una educación no solamente escolar sino en mi persona. Por los cuidados y el gran amor que siempre me has dado, porque gracias a todo esto he logrado alcanzar mis objetivos. A mi Familia y Amigas. Por sus palabras de aliento en el momento que más lo necesitaba. Por enseñarme a no rendirme ante nada, a creer en mí, a no detenerme hasta haber alcanzado mis metas. A mis Maestros. Por su apoyo, confianza y consejos brindados tanto al M. en C. José Guadalupe Torres y Ortega como a la Ing. Marina Espitia Badillo.

INDICE

Objetivo. Introducción. Capítulo 1 Antecedente Histórico HMI y SCADA.

1.1 Historia de la Automatización Industrial. 1.2 Contexto Histórico de HMI. 1.3 Sistema SCADA.

Capítulo 2 HMI (Human Machine Interface).

2.1 ¿Qué es y para qué nos sirve HMI? 2.2 Funciones de un software de HMI. 2.3 Modelos para un HMI. 2.4 ¿Qué es una Interfaz?

2.4.1 Agentes de la Interfaz. 2.4.2 Tipos de Interfaces. 2.4.3 Reglas para el Diseño de una Interfaz. 2.4.4 Pasos para diseñar una Interfaz.

2.5 Lo más Nuevo dentro de HMI. 2.6 PLC.

2.6.1 Historia del PLC. 2.6.2 Definición de PLC. 2.6.3 Estructura de un PLC. 2.6.4 Software del PLC – Conceptos básicos. 2.6.5 Lenguajes de Programación. 2.6.6 PLC S7-300.

Capítulo 3 Sistema SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition).

3.1 Definición y utilidad del sistema SCADA. 3.2 Características principales del sistema SCADA. 3.3 Funciones de un sistema SCADA. 3.4 Arquitectura de un sistema SCADA.

3.4.1 RTU (unidad terminal remota). 3.4.2 MTU (unidad terminal maestra). 3.4.3 Transductores. 3.4.4 ¿Cómo se transmite la información en un

sistema SCADA? 3.4.4.1 Topologías de un sistema de

comunicación LAN. 3.5 Redes LAN mas utilizadas en un sistema SCADA.

3.5.1 Ethernet. 3.5.2 Token Ring. 3.5.3 Arcnet.

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3.6 Tipos de Cables. 3.6.1 Two wire open lines. 3.6.2 Cable de par torcido. 3.6.3 Cable coaxial. 3.6.4 Cable de Fibra Óptica.

3.7 PROFIBUS. 3.8 FIELDBUS (bus de campo). 3.9 MPI. 3.10 SCADA y la Internet. 3.11 Software que utilizan el sistema SCADA.

3.11.1 Simatic WinCC. Capítulo 4 Prácticas HMI.

4.1 Descripción del sistema del LPAIC. 4.2 Funcionamiento del LPAIC. 4.3 Sistema de Control. 4.4 Diagrama de comunicación del LPAIC. 4.5 Listado de entradas y salidas

4.5.1 Listado de I/O del PLC Maestro. 4.5.2 Listado del PLC Esclavo del FMS. 4.5.3 Listado del PLC Esclavo de la “Celda de

Pintura”. 4.5.4 Listado del PLC Esclavo del Almacén

Matricial. 4.6 Pasos a seguir para dar de alta un proyecto utilizando

el software WinCC. 4.7 Listado de entradas y salidas de los equipos que

conforman el LPAIC utilizadas en el software WinCC. 4.7.1 Listado de I/O de la Banda Transportadora

Conveyor. 4.7.2 Listado de I/O del FMS de HMI. 4.7.3 Listado de I/O del Almacén de HMI. 4.7.4 Listado de I/O de la Célula de Pintura. 4.7.5 Listado de I/O del Sistema de Visión. 4.7.6 Control de HMI.

4.8 Prácticas HMI/SCADA. ANEXO A GLOSARIO BIBLIOGRAFIA CONCLUSIONES

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Objetivo. Realizar un trabajo de tesis de la Interface Hombre Máquina (HMI) para que de esta forma, se logre entender e identificar la estructura, la operación y la configuración de los sistemas HMI – SCADA. Objetivos Específicos.

Ayudar en la formación académica de los alumnos dentro de lo que se conoce como HMI - SCADA.

Lograr entender desde un enfoque sistémico las redes de control y la automatización

industrial de acuerdo con los conceptos e integración SCADA.

Brindar los conocimientos necesarios para el correcto uso del software utilizado en el LPAIC de la ESIME Azcapotzalco.

Justificación. En la presente tesis se dan a conocer los fundamentos tanto teóricos como prácticos de la Interfase Hombre Máquina (HMI) con la finalidad de servir de apoyo a la realización de este tipo de prácticas y coadyuvar en la formación académica de los alumnos de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica.

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INTRODUCCION

El desarrollo tecnológico en general ha sido muy rápido para las expectativas que se han trazado a través del tiempo y gracias a esto la robótica siendo una ciencia o rama de la tecnología se ha beneficiado creciendo de igual manera; teniendo como principal prioridad el facilitar la vida a los seres humanos, ayudar en las tareas que resulten monótonas, agotadoras, de alta precisión y en trabajos que pongan en riesgo la integridad física de las personas. Una de las ramas en las que se divide la robótica y que actualmente ha tomado un auge verdaderamente importante por no decir imprescindible es en el desarrollo del control distribuido en la industria, el cual va de la mano con el desarrollo en las comunicaciones. Los sistemas o redes de comunicación, utilizados en entornos industriales se encuentran sometidos a una problemática específica, la cual limita en gran medida su diseño y los diferencia de las redes de datos o redes de oficina. Cada vez como se mencionó, se hace indispensable el disponer de dispositivos inteligentes para realizar el control, la adquisición de datos o la supervisión de manera remota de procesos de almacenamiento, fabricación e inclusive de distribución. Para dar respuesta a esta problemática, se dio origen a los microcontroladores, microprocesadores y a los controladores lógicos programables (PLC’s); siendo que un PLC o un microprocesador puede controlar una o mas variables de un determinado sistema realizando un control directo de las mismas y por si esto fuera poco, estos equipos denominados de “control local” pueden comunicarse con otros elementos (equipos) de su nivel y con otros de nivel superior de supervisión; pero se hace referencia que lo antes mencionado solo es en cuanto al control se refiere. La tarea de supervisión y adquisición de datos en sus inicios resultaba y resulta ser una labor muy agotadora ya que la misma se debía de realizar de forma manual, y se dice resulta ya que todavía en nuestros días hay empresas que siguen sin automatizar sus procesos originando con esto pérdidas para la misma. En sus inicios, el operador tenía que ir hacia cada puesto de control, puestos que en ocasiones no se localizaban dentro de la planta sino que se encontraban en sitios remotos de la misma para recabar los datos que serian utilizados para mejorar el proceso, la calidad del producto terminado, recabar información de datos tales como, temperatura, presión, etc., para saber en qué momento se debería de dar mantenimiento a las máquinas, inclusive para saber si se había originado alguna falla en cualquier dispositivo que afectara en el desarrollo del proceso. Para resolver ésta problemática, se da origen a un sistema especialmente diseñado para esta labor y que actualmente se conoce y es empleado dentro de la industria como sistema SCADA. Sin embargo el sistema SCADA por sí solo nos sirve para recabar información de una o más instalaciones distantes y/o enviar instrucciones de control a las mismas, si se deseara tener un control sobre cualquier dispositivo que integre el proceso se debe de emplear un sistema HMI, el cual significa Interface Hombre Máquina; es decir, es la interacción que existe entre un ser humano y una máquina o proceso.

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La industria HMI nació, particularmente de la necesidad que existía de estandarizar la forma de controlar y monitorear distintos sistemas remotos, tales como PLC’s, entre otros mecanismos de control. HMI es un software utilizado para controlar, monitorear y determinar el estado de un sistema de control y automatización, para esto es necesario tener una interfaz entre el sistema y el usuario. HMI, es la interfaz; es el punto en el que los seres humanos y máquinas logran ponerse en contacto; transmitiéndose de manera mutua no sólo información, órdenes y datos sino también intuiciones, sensaciones y nuevas formas de ver las cosas. En nuestros días hay diversas empresas como SIEMENS, FESTO, ABB, Omron, Logitek, sólo por mencionar algunas que ofrecen el software HMI pero complementado con el sistema SCADA, dándonos como resultado una herramienta con enormes ventajas y por ende muy útil dentro de cualquier proceso en la industria. A continuación se dará una descripción breve de los capítulos en los cuales se encuentra estructurada la presente tesis. El primer capítulo titulado “Antecedente Histórico HMI y SCADA”, se va a hacer mención del contexto histórico de la automatización industrial así como de HMI y de los primeros sistemas SCADA. En el segundo capítulo a tratar lleva por título “HMI (Human Machine Interface)” en donde se va a dar a conocer la definición, utilidad, el desarrollo del mismo tanto de HMI, de una Interfaz y de un PLC. El tercer capítulo titulado “Sistema SCADA”, se hace mención del concepto, las partes en que se encuentra conformado el sistema SCADA, redes de comunicación y tipos de cables que se utilizan para conectar éstas redes y que son empleadas en el mismo. Dando a conocer las características del software que es utilizado en el Laboratorio de Procesos Automatizados Integrados por Computadora (LPAIC) de la ESIME Azcapotzalco. Por último pero no menos importante tenemos el cuarto capítulo que lleva por nombre “Prácticas HMI” en donde se hace una descripción de cómo se encuentra conformado el LPAIC, su funcionamiento, el sistema de control y se da un listado de entradas y salidas que son utilizadas tanto por el PLC Maestro como por el software WinCC. Si bien es cierto que el campo en el que más se emplea el sistema HMI – SCADA es en la industria; cabe mencionar que también es utilizado en escuelas de nivel superior en la formación académica de los alumnos con el propósito principal de que tengan una mejor preparación y un mayor conocimiento para así afrontar los retos que se les presenten en la industria.

CAPITULO 1 Antecedente

Histórico HMI y SCADA

En el presente capítulo se dará a conocer los orígenes históricos del concepto y de los

primeros sistemas HMI, así como del sistema SCADA.

Capítulo 1 Antecedente Histórico

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1.1 Evolución de la Automatización Industrial. La automatización industrial tiene sus orígenes en la revolución industrial ya que los elementos mediante los cuales se llevaban a cabo las tareas de control se daban gracias a dispositivos electromagnéticos con la aparición de la energía eléctrica se empleaban motores, relés, temporizadores, contadores, etc., y mecánicos; siendo que presentaban un inconveniente y era que cada vez que se hacían automatizaciones mas complejas el tablero de control eran cada vez mas grandes. Hacia la década de los 50’s, da origen a la electrónica y con ello a la utilización de los semiconductores con los cuales se reduce el tamaño de los tableros de control y por ende se reduce el numero de averías ocasionadas por el desgaste de los componentes; por una parte se pensaría que era una gran ayuda pero tenia un gran problema en cuanto a flexibilidad se refiere ya que un sistema de control solo servia para una aplicación en específica y no era reutilizable. Gracias al problema antes mencionado y a la constante y creciente demanda industrial, en el año de 1968 las empresas Ford y General Motors, diseñan las especificaciones con las cuales debe de cumplir un controlador electrónico programable para que pueda ser considerado realmente útil dentro de la industria; logrando con ello que Bedford associates sea el encargado de diseñar y desarrollar un prototipo de “controlador industrial”, que por muchos es y puede ser considerado como el primer PLC de la historia ya que presentaba las características que requería en esos momentos la industria y que eran las siguientes:

Era reutilizable. Adaptado para entornos agresivos (hecho para ser utilizado en la industria). Fácilmente programable por técnicos eléctricos. Implementado con electrónica de estado sólido; es decir, utilizando semiconductores.

Los primeros PLC’s, eran utilizados para mantener el control en los procesos secuenciales tales como transporte, cadenas de montaje, etc., aunque presentaba una desventaja ya que si bien era cierto que se había conseguido que el PLC fuera reutilizable o como ahora se conoce reprogramable, su memoria era cableada y por lo tanto muy costosa. A comienzos de la década de los 70’s, aparece el microprocesador junto con los primeros ordenadores digitales; también se comenzaron a implementar las primeras memorias con semiconductores y con ello dejando de lado a las memorias cableadas a causa de que las memorias con semiconductores presentaban una mayor flexibilidad y eran mas fáciles de programar. A pesar de que ya se contaban con los microprocesadores, éstos aun no eran utilizados en la industria a causa de su robustez, la dificultad con la que se contaba en cuanto a conexión con equipos mecánicos se refiere y por último la dificultad en la programación.


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A mediados de los 70’s, en los autómatas se van agregando el microprocesador y las memorias con semiconductores logrando con ello reprogramar sin tener la necesidad de volver a cablear aumentando de este modo la flexibilidad; y por si esto fuera poco se podía realizar cálculos matemáticos y tener una comunicación con un “ordenador central” el que a su vez tenia la función de controlar la planta enviando órdenes a los autómatas que se encargaban de controlar cada proceso. También se da el nacimiento de los primeros DCS (Sistemas de Control Distribuido) y que son controladores lógicos al igual que los PLC’s solo que estos últimos en principio eran los que dominaban por decirlo de alguna manera en el control de las variables analógicas. Así, tanto los DCS como los PLC’s trabajaban a la par en el control discreto de variables on / off. Fue hasta finales de los años 70’s cuando se logran dar mejoras en los autómatas y entre las que destacamos las siguientes:

La capacidad de gobernar bucles de control. Mayor memoria. Conexión mas flexible de sensores – actuadores. Mejores lenguajes de programación. Comunicaciones más potentes.

Para 1980 se continúa con las mejoras en los autómatas siendo las más representativas:

Dimensiones mas reducidas. Mayor velocidad de proceso. Gran variedad en cuanto a lenguajes de programación se refiere tales como

GRAFCET, listas de instrucciones, etc. Técnicas de control mucho más complejas entre las que podemos mencionar PID,

inteligente, fuzzy. Para 1990, cuando los sistemas de control basado en PC hicieron su aparición en la automatización industrial, los partidarios de éstos sistemas siendo mas poderosos y con una mayor flexibilidad afirmaban que los sistemas antes mencionados podrían dejar de lado tanto a los PLC’s como a los DCS’s en diversas aplicaciones. Cierto es que la PC tenía mucho que ofrecer, sin embargo no lograría hacer a un lado a las plataformas de control industrial ya probadas por lo menos no en la forma de una PC de escritorio. La PC se contemplaba como la mejor opción a la hora de integrar una funcionabilidad avanzada; como puede ser la conectividad de base de datos, en el control analógico, integración y en la simulación basados en Web y comunicación de datos con terceros. Aunque el problema que presentaba este tipo de control basado en PC, es que aquellas PC’s que corren en sistemas operativos estándares con un hardware común, resultan bastante frágiles como para brindar un control industrial confiable.


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Como resultado a todas las innovaciones antes mencionadas se obtuvo la aparición de controladores híbridos el cual nos permite tener un manejo de las variables analógicas y digitales y que van de la mano con características como el tener un procesador de punto flotante para cálculos personales, tener un servidor Web interactivo el cual facilita las tareas de control y monitoreo, un flash compacto removible para la recolección y registro de datos, el contar con puertos seriales múltiples y que a su vez se encuentre conectado por medio de buses de campo para así tener una comunicación con terceros. En nuestros días contamos con una gran variedad de autómatas híbridos que son compactos, sencillos y modulares para aplicaciones no solo industriales sino inclusive domésticas, presentando grandes posibilidades de ampliación; y con una gran tendencia a una evolución de forma continua en los sistemas de comunicación constituyendo redes de autómatas que permitan implementaciones mucho mas complejas y a su vez más seguras. Las nuevas características de los sistemas de automatización tienden a reunir características de los sistemas de control distribuido como:

Apertura. Tolerancia a fallas. Concurrencia. Escalabilidad. Transparencia.

Como nota se debe de tomar en cuenta que un sistema de control industrial se encuentra conformado por dos áreas bien definidas que son la parte operativa y la parte de control. En la parte operativa encontramos los dispositivos de hardware y software que son los que brindarán la información necesaria para llevar a cabo las operaciones de planta que sean necesarias por medio de una interfase que sea amigable y pueda ser comprendida fácilmente por el operador. Para la parte de control se cuentan con dispositivos tales como PLC’s, DCS’s, o PC industriales, entre otros; los cuales nos servirán para llevar a cabo las acciones de control en conjunto con los actuadores; entre éstos dispositivos existe una comunicación vertical, es decir, desde la parte de control hacia la operativa y viceversa y comunicaciones horizontales, esto es, una comunicación entre distintos dispositivos de control.


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1.2 Contexto Histórico de HMI. Antes de comenzar a dar una referencia específica del origen del término HMI, se hará mención de un hombre llamado Marshall McLuhan (Figura 1.1); ya que él fue el primero en tener una visión de este concepto, claro está que no es tal y como lo conocemos en nuestros días pero gracias a ésta visión se dio pie para que éste fuera posible; puesto que él dio origen y logró reestructurar varios términos o para ser exactos pudo verlos con un enfoque distinto, originando que futuros investigadores se basarán en su trabajo para dar principio al concepto HMI.

Figura 1.1 Marshall McLuhan.

Marshall McLuhan, nació en Edmonton, Alberta, Canadá; profesor de literatura inglesa, crítica literaria y Teoría de las Comunicaciones; es considerado como uno de los fundadores de los estudios de los medios así como un visionario en cuanto a la sociedad de la información se refiere, podría decirse que fue un hombre adelantado a su época. El pensamiento que tenía este personaje con respecto a los medios de comunicación se basaba en dos ideas principales que son:

1) Somos lo que vemos. 2) Formamos nuestras herramientas y luego éstas nos forman.

Este autor clasifica a la era de la humanidad en tres fases que son las siguientes:

a) La Era Preliteraria o tribal; en la cual menciona que antes de que la escritura se extendiera se vivía en un espacio acústico, esto es, la palabra hablada.

b) La Era de Gutemberg; con la invención de los tipos móviles, se obligó al ser humano a tener una comprensión mucho mayor; debido a la escritura se logró una estructura que modificó al espacio en algo limitado, estructurado.

c) La Era Electrónica; en las propias palabras del autor la tecnología electrónica no depende de las palabras habladas y puesto que la computadora es la extensión del sistema nervioso central, cabe la posibilidad de extender la conciencia.


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McLuhan, es el creador de varios conceptos muy utilizados en nuestros días, acerca de los medios de difusión masiva y la sociedad de la información, tales como, la Galaxia Gutemberg, la Aldea Cósmica y el término que nos compete como lo es “La descripción de los Medios de Comunicación como Extensiones de la Persona”. A continuación daremos una breve descripción de los términos antes mencionados.

Galaxia Gutemberg; en este concepto hace referencia a los cuatro siglos que van desde la difusión de la imprenta en Europa hasta las primeras décadas del siglo XIX; cuando el telégrafo proporcionaría un cambio de forma drástica en la historia de la comunicación.

Aldea Cósmica; McLuhan hace mención del ciclo existente entre los medios-mensajes y el hombre-usuario, haciendo una referencia a 3 distintos tipos de innovaciones tecnológicos, que son:

1. Innovación eléctrica; el telégrafo y el teléfono, medios que redujeron el espacio psicosocial, como el autor lo menciona, en comparación con otras extensiones como los medios de transporte.

2. Innovación electrónica; dispositivos centrados particularmente para el uso de válvulas.

3. Tecnologías recientes; se abarca todas las ideas convencionales de comunicación, logrando que la comunicación y la información vayan de forma integrada y universal asociando todos los aspectos de la comunicación humana como lo sería desde el entretenimiento hasta la salud y la educación.

Mientras que para la gran mayoría de las personas piensa en los “medios” como fuentes que nos dan noticias o información; en 1964, McLuhan creó su propia definición de ésta palabra, ya que para él todo “medio” es una extensión de nuestra mente, de nuestro cuerpo, de nuestro ser, no importando el tipo de tecnología o elemento que fuera. En base a lo mencionado anteriormente, podríamos decir que la ropa es una extensión de la piel; la bicicleta o el automóvil son una extensión del pie humano y por último la computadora se considera como una extensión del cerebro. En 1967 Marshall afirma que el medio es el mensaje y explica que no se debe de entender al mensaje como la información o el contenido ya que se deja a un lado una característica muy importante que tiene el mensaje la cual es el poder que logran tener para modificar el curso y funcionamiento de las actividades y relaciones humanas. Por lo escrito anteriormente, en palabras de Marshall, se define al “mensaje de un medio” como todo cambio de escala, ritmo o pautas que ese medio provoque en las sociedades o culturas.


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Cabe mencionar que cuando McLuhan hace referencia a la palabra “información” que un medio transmite, no se refiere al contenido del mismo, sino al modo en que nuestros sentidos físicos responden a un medio e inclusive al modo en que participan en él: dándonos como resultado los medios de alta definición (medios calientes) y los de baja definición (medios fríos). Un ejemplo de los medios de alta definición serían la imprenta, la radio, las fotografías, las conferencias; y ejemplos de medios de baja definición serían el teléfono, el habla, la televisión, entre otros. Hay que hacer hincapié en que algunos investigadores, cometen el error de utilizar el término HCI (Interacción Humano Computadora) para referirse al término HMI; pero son términos muy diferentes ya que en el primer caso como su nombre lo indica se refiere a la relación existente entre el ser humano y una PC y el término HMI involucra la palabra máquina en lugar de computadora haciendo que el concepto sea más amplio ya que puede abarcar no sólo a computadores u ordenadores sino también a robots, aparatos de diagnóstico, de investigación, automóviles, etc. A continuación se hará mención de algunos investigadores y las distintas definiciones que surgieron para el término Interacción Humano Máquina: En el año 1989, Booth menciona que “es el intercambio de símbolos entre dos o más partes asignando a los participantes en el proceso comunicativo los significados de esos símbolos”. Johnson, en 1992 considera a la interacción hombre máquina como “el estudio de la interacción entre la gente, los ordenadores y las tareas”. Las dos definiciones anteriores se encuentran relacionadas de cómo la gente y los ordenadores pueden realizar tareas de manera interactiva y de la forma en que tales sistemas interactivos son diseñados. Para el año de 1993, Lewis y Reiman hacen mención que “las interfaces básicas de usuario son aquéllas que incluyen menús, ventanas, teclado, ratón, etc.; esto es, todos aquellos canales por los cuales se permite la comunicación entre el hombre y la máquina”; basándonos en la definición ya mencionada, se deduce que el término máquina lo utilizan para referirse a una computadora. Por lo mencionado con anterioridad, podemos decir que una Interface Hombre Máquina tiene como objetivo principal estudiar:

El hardware y el software, ambos en función de la interacción. Los modelos mentales de los usuarios con relación al modelo del sistema. Las tareas realizables por el sistema y su adaptación a las necesidades del usuario. El impacto en las organizaciones.


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Todo lo escrito con anterioridad se encuentra basado en cuanto a cómo se originó el término HMI como lo conocemos en nuestros días; es decir, las personas que lograron tener una visión diferente, revolucionaria acerca de éste tema. Sin embargo, a continuación se dará a conocer los primeros “controles a distancia”, es decir de los primeros sistemas HMI que existieron ya que como es de suponerse antes no se contaba con la ayuda del PLC y para realizar un control a distancia se ocupaban otros elementos. Aparece la “telemetría” en la cual si la presentación de los datos es realizada de forma inteligible, ya nos proporciona la base para el desarrollo de un sistema de control y monitorización a distancia. Un ejemplo de la telemetría, lo podemos observar de manera clara en la Figura 1.2; el llenado de un depósito de agua desde una mina; en donde unos sensores se encargan de vigilar el nivel de agua del depósito y el de la mina, informando a la bomba de cuándo debe ponerse en marcha para bombear agua al depósito, si existe nivel suficiente en éste o simplemente indicarle en qué momento debe detenerse, si el depósito esta lleno o el nivel de la mina es insuficiente. Desde el centro de control podríamos ver la evolución del nivel de la estación y de esta forma decidir las acciones adecuadas si se presentase algún problema.

Figura 1.2 Medida a Distancia.

Con la invención del tubo de rayos catódicos (CRT) junto con la del teclado, sustituyeron alas máquinas de escribir, los teletipos y las tarjetas perforadas y con ello dieron origen a las primeras Interfaces Hombre Maquina (HMI). La distribución típica de las tarjetas perforadas utilizadas en los primeros sistemas de cálculo automatizados, eran de 80 columnas de 25 líneas cada una; mas tarde se emplearon los caracteres ASCII para incluir caracteres gráficos. Los primeros lenguajes de programación gráfica se fueron adaptando a las nuevas posibilidades que ofrecía la técnica; por ejemplo, permitieron cambiar los colores de cada celda de las 2000 presentes en una pantalla de ordenador. Los primeros paquetes de software para el control y adquisición de datos utilizaban las capacidades gráficas del lenguaje BASIC sobre la parrilla de 80x25 celdas.


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El primer impedimento apareció cuando se pretendía superar la barrera de los 640Kb. La estructura inicial de memoria de los primeros ordenadores personales basados en la CPU 8088 de Intel, se había fijado en 1Mb, sin embargo se creyó que era muy grande por lo tanto IBM dividió la memoria en 4 grupos. En los años 90’s, la compañía Phar Lap encontró la manera de solventar el problema con ayuda de los suplementos de memoria (base, extendida, expandida, etc.). Los principales desarrolladores de sistemas de interfaces gráficas eran Intellution y Cimplicity. En donde Cimplicity desarrollo su sistema por encargo del gobierno estadounidense, basado en DOS y difícil de utilizar. Intellution por otra parte, su sistema también se basaba en MS-DOS con los gráficos del programa sencillos de manejar. La Interfaz Hombre Máquina comprende los sinópticos de control cuya función es la de representar de forma simplificada el sistema bajo control y los sistemas de presentación grafica. En un principio los paneles sinópticos eran de tipo estático colocados en grandes paneles plagados de indicadores y luces; con el tiempo han ido evolucionando junto al software en forma de representaciones gráficas en pantallas de visualización de datos (PVD). 1.3 Sistema SCADA. Cuando se habla de los antecedentes históricos de un sistema SCADA no se puede dejar de lado a los “Sistemas de Control Distribuido” ya que los sistemas SCADA modernos fueron creados a partir de estos sistemas, se puede decir que es la versión mejorada de los mismos, claro esta que tienen sus pequeñas diferencias como se vera mas adelante pero no son significativas ya que los elementos que utiliza un DCS los pueden utilizar dentro de un SCADA. Un SCADA es un sistema basado en computadores que permite supervisar y controlar a distancia una instalación de cualquier tipo. Cabe mencionar que la diferencia que tienen con los sistemas de control distribuido (DCS) es que los sistemas SCADA cuentan con un lazo de control el cual es generalmente cerrado por el operador. Los DCS tienen como característica principal el realizar las acciones de control en forma automática. Hoy en día es fácil hallar un sistema SCADA realizando labores de control automático en cualquiera de sus niveles no importando que su labor principal sea la de supervisión y control por parte del operador. Un DCS, se refiere a un sistema de control por lo general de un sistema de fabricación, proceso o cualquier tipo de sistema dinámico, en la que los elementos no están en la ubicación central, sino que se distribuyen en todo el sistema con cada uno de los componentes subsistema controlado por uno o más controladores. Todos los controladores se encuentran conectados por redes para la comunicación y la supervisión. En un DCS existe una comunicación entre cada controlador de proceso; esto es, hay una comunicación horizontal.


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Los primeros miniordenadores fueron utilizados en el control de procesos industriales desde el comienzo de la década de 1960. La IBM 1800, por ejemplo, fue una de las primeras computadoras que habían de entrada / salida de hardware para recoger las señales de proceso en una planta de transformación de campo en contacto con los niveles (para digital puntos) y señales analógicas para el dominio digital. A principios del decenio de 1970 Instrumento Taylor Company, (que ahora forma parte de ABB) ha desarrollado el sistema de 1010, la empresa Foxboro el sistema FOX1 y Bailey Controla el 1055. Todas estas aplicaciones DDC se ejecutará en los mini-ordenadores (DEC PDP 11, Varian Máquinas de datos, MODCOMP etc.) y conectados a las especialidades de entrada / salida de hardware. La DCS se introdujo en 1975; las empresas japonesas de ingeniería eléctrica Honeywell y Yokogawa presentaron su propia producción de DCS’s casi al mismo tiempo, con los sistemas TDC-2000 y Centum respectivamente. Estados Unidos por su parte también en este mismo año presentó su controlador universal denominado “UCS-3000”, basada en Bristol. Para 1980, las empresas Bailey y Fischer & Porter Company, dan a conocer el sistema RED-90 e ICD-4000 respectivamente; en nuestros días ambas empresas pertenecen a la empresa conocida como ABB. La DCS se produjo en gran parte debido a la mayor disponibilidad de las microcomputadoras y la proliferación de microprocesadores en el mundo de control de procesos. Los ordenadores ya han sido aplicados a la automatización de procesos desde hace algún tiempo en forma de Control Directo Digital (DDC) y Punto de Ajuste de Control. El modelo central para el DCS es la inclusión de los bloques de la función de control. Una de las primeras incorporaciones del software orientados a los objetos fueron los módulos de función, los cuales son independientes de los bloques de código y los módulos de función llevan a cabo tareas que son esenciales para el control de los procesos, tales como la ejecución de los algoritmos PID. Una de las principales ventajas de los DCS, es la comunicación digital distribuido que existe entre los controladores, estaciones de trabajo y otros elementos de computación. La atención se centro debidamente en las redes ya que la importante línea de comunicación para tramitar las solicitudes, tuvo que incorporar funciones específicas, tales como el determinismo y la redundancia. Como resultado, muchos proveedores se enfocaron en la IEEE 802,4 para lograr la creación de redes estándar. Esta decisión creó las condiciones para la ola de migraciones necesarias cuando la tecnología de la información se trasladó a la automatización de procesos y IEEE 802,3 en lugar de IEEE 802,4 prevaleció como el control de LAN. El sistema DCS es un amplio término que se utiliza en una variedad de industrias, para vigilar y controlar los equipos distribuidos, tales como:

Las grandes redes de energía eléctrica y generación eléctrica las plantas. Sistemas de control ambiental. Las señales de tráfico. Sistemas de gestión del agua.


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Refino de petróleo plantas. Plantas químicas. La industria farmacéutica. Redes de sensores. De carga seca a granel y el petróleo transportista buques.

Una DCS utiliza normalmente diseñados como procesadores de controladores y aplicaciones tanto de propiedad interconexiones y protocolos para la comunicación. Entrada y salida de los módulos forma los componentes de la DCS. El procesador recibe la información de módulos de entrada y envía información a los módulos de salida. Los módulos de entrada reciben la información de entrada de los instrumentos en el proceso (campo) y transmite instrucciones a los instrumentos de producción en el campo. El bus eléctrico, conecta el procesador y los módulos a través de multiplexores/demultiplexores. Los buses también conectan los controladores distribuidos con el control central y, por último, la interfaz hombre-máquina (HMI) o el control de consolas. A continuación se mostrara un cuadro comparativo de las principales características entre los DCS y sistemas SCADA, haciendo hincapié en que estas no deben de considerarse como limitantes entre ambos sistemas.

ASPECTO SCADA DCS Tipo de Arquitectura. Centralizada. Distribuida. Tipos de Variables. Desaclopadas. Acopladas. Área de acción. Áreas geográficamente

distribuidas. Área de la planta.

Unidades de Adquisición de Datos y Control.

Remotas y PLC’s. Controladores de lazo y PLC’s.

Medios de Comunicación. Radio, satélite, líneas telefónicas, LAN, WAN y conexión directa.

Redes de área local y conexión directa.

Base de Datos. Centrada. Distribuida. Tipo de Control Predominante. Lazos de control cerrados por el

operador. Control secuencial y regulatorio.

Lazos de control cerrados de forma automática por el sistema. Control secuencial batch, algoritmos avanzados, etc.

CAPITULO 2 HMI

(Human Machine Interface)

Definición de los términos HMI e Interface, así como las características que le compete a cada uno de ellos.

Capítulo 2 HMI (Interfaz Hombre Máquina)

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La industria HMI nació, particularmente de la necesidad que existía de estandarizar la forma de controlar y monitorear distintos sistemas remotos, tales como PLC’s, entre otros mecanismos de control. HMI es un software utilizado para controlar, monitorear y determinar el estado de un sistema de control y automatización, para esto es necesario tener una interfaz entre el sistema y el usuario. HMI, es el punto en el que los seres humanos y máquinas logran ponerse en contacto; transmitiéndose de manera mutua no sólo información, órdenes y datos sino también intuiciones, sensaciones y nuevas formas de ver las cosas. Sin embargo, la interfaz también puede llegar a ser una limitante en cuanto a la comunicación se refiere ya que todo aquello que no sea posible expresar a través de ella permanecerá fuera de nuestra relación mutua, y todo esto se debe en gran medida a que se puede llegar a tener un pobre diseño y una escasa atención a los detalles de la tarea a realizar. Es indispensable que se cuente con el conocimiento necesario del sistema para que con ello se logre un funcionamiento adecuado ya que se debe de proporcionar las entradas del mismo para así interpretar correctamente las salidas. Hay que hacer mención que las interfaces no son necesariamente entre el ser humano y una computadora sino para cualquier elemento mecánico, un ejemplo sería el tacómetro de un automóvil, el cual nos permite monitorear lo que sucede en el vehículo para así si existiera un problema el ser humano se de cuenta a tiempo para poder darle una solución adecuada al mismo. Este software es utilizado de manera gráfica textual y auditiva ya que nos proporciona estas opciones para poder tener una fácil identificación del proceso requerido: inclusive mediante la utilización del teclado de la computadora y movimientos del Mouse se pueden controlar algunas variables de un sistema dependiendo del tipo de programa que se esté empleando para ello; como por ejemplo activar, desactivar un paro de emergencia o en su defecto activar una variable en específico cuando el usuario así lo necesite.


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2.1 ¿Qué es y para qué nos sirve HMI? Las siglas HMI (Human Machine Interfaz), significan Interfaz Hombre Máquina; y como definición tenemos la siguiente: “es la interface ó interfaces entre el ser humano y una máquina ó proceso”. La Interfaz Hombre Máquina nos sirve para controlar y monitorear un proceso. Cuando se hace mención del término “controlar”, se hace referencia a arrancar y detener las máquinas, entendiendo como máquinas ya sea una computadora, robots, motores, etc. Y para este caso monitorear es recabar información del proceso de forma manual. Existen tipos de HMI; los cuales se desarrollan dentro de un entorno de programación gráfica, llamados “Desarrollos a Medida”, tales como, Visual Basic, VC++, Delphi, sólo por mencionar algunos. Y los llamados “Paquetes Enlatados”; son paquetes de software que contemplan la mayoría de las funciones estándares de los sistemas SCADAS, entre los que tenemos FIX, Win CC, Wonderware, entre otros. Cabe mencionar que a los sistemas HMI también se les conoce con el término “software HMI”. 2.2 Funciones de un software HMI. Existen una infinidad de funciones o tareas de las cuales se encarga el software HMI, sin embargo, de entre todas ellas; se pueden clasificar en cuatro grandes grupos como lo son el monitoreo, la supervisión, las alarmas y el control; dando una definición de éstos a continuación:

1) Monitoreo; se obtienen y muestran datos en tiempo real. 2) Supervisión; ésta función nos permite la opción de reajustar las condiciones de trabajo

del proceso directamente desde la computadora. 3) Alarmas; nos permite reconocer eventos que no se encuentren predeterminados dentro

del proceso y reportarlos; las alarmas son reportadas basadas en límites de control preestablecidos.

4) Control; ésta función nos va a ayudar para aplicar ciertos logaritmos con la finalidad de ajustar los valores del proceso y así mantenerlos en los límites preestablecidos.

2.3 Modelos para un HMI. Cuando hablamos de modelos, nos referimos a las distintas formas de concebir una Interfaz Hombre Máquina; entre los cuales tenemos tres muy importantes que son la visión del usuario, la del programador y la del diseñador. Cabe mencionar que en el momento de realizar algún modelo de los antes mencionados, se deben de tener en consideración a los restantes y si es posible realizarlos en conjunto.


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A. Modelo del Usuario; es la visión muy personal del usuario acerca del sistema, esto es,

la forma en que el usuario espera o quisiera que se comporte. La interfaz en sí debe de facilitar el proceso de crear un modelo, el cual resulte efectivo; para ello es recomendable que al crear el modelo se trabaje utilizando una percepción de metáforas, esto es, que se relacione el sistema con algo ya conocido por el usuario. Como ejemplo de una metáfora de escritorio de Windows tenemos la Figura 2.1 y como metáfora de un proceso industrial en la Figura 2.2.

Figura 2.1. Metáfora del escritorio de Windows 95. Figura 2.2. Metáfora de un Proceso Industrial.

B. Modelo del Programador; los conocimientos del programador incluyen tanto la

plataforma como las herramientas de desarrollo, las especificaciones, el sistema operativo, mas no quiere decir que pueda ofrecerle al usuario las metáforas y los modelos más adecuados.

C. Modelo del Diseñador; El diseñador recopila y logra combinar tanto la información del

usuario, esto es, sus ideas, necesidades y sus deseos; como el material con el que dispone el programador, para así diseñar un software adecuado que logre cubrir las exigencias del usuario como del programador.

El presente modelo describe aquellos objetos que utiliza el usuario, su presentación al mismo, así como las distintas técnicas de interacción para su manipulación; y se divide a su vez en tres partes que son: Presentación.- Lo definimos como aquello que llama la atención del usuario, cabe mencionar que la presentación no es lo más importante y un abuso en la misma puede traer como resultado una distracción para el usuario, por ello debe de tenerse mucho cuidado al realizarla. Interacción.- Son los distintos dispositivos que utilizará el usuario para comunicarse con el software.


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Relación entre los Objetos.- El diseñador establece la metáfora adecuada que encajará con el modelo mental del usuario.

A continuación, se dará a conocer la definición de “Interfaz”, así como los distintos tipos que existen, esto con la finalidad de que se tenga un concepto más claro del mismo. 2.4 ¿Qué es una Interfaz? Es lo que facilita la interacción, la comunicación entre dos sistemas de distinta naturaleza; generalmente entre el ser humano y una máquina. De manera más específica existe un término conocido como “interfaz de usuario”, el cual se define como el conjunto de componentes utilizados por los seres humanos para comunicarse con las computadoras y como ejemplos más comunes se puede mencionar el teclado, el mouse, entre otros. Cuando hablamos de interacción nos estamos refiriendo a las distintas formas en que los usuarios se pueden comunicar con una máquina, ya que la interfaz no es el único medio. Las distintas formas de interacción entre un ser humano y una máquina más importantes o más usadas se mencionan a continuación. De interfaz; es una forma de dar instrucciones directamente al ordenador, pueden tener la forma de teclas de función (F1, F2, etc.), de caracteres, abreviaciones cortas, etc. De menús y formularios; son un conjunto de opciones las cuales se logran ver en la pantalla y que además se pueden seleccionar y la selección de una de ellas nos debe de dar como resultado normalmente un cambio en la interfaz. Uno de los problemas con los que se cuenta es que los menús ocupan mucho espacio en la interfaz y se trata de resolver con los llamados menús desplegables (pop up). De Manipulación Directa; éste término se utiliza para describir sistemas que cuentan con características tales como una representación continua de los objetos y de las acciones de interés, un cambio en la sintaxis de los comandos ocasionada por la manipulación de objetos y acciones y por último, las acciones rápidas, incrementales y reversibles que provocan un cambio visible en el objeto seleccionado. De Interacción Asistida; se utiliza la metáfora del asistente personal o agente que colabora con el usuario en el mismo ambiente de trabajo, dando como resultado que el usuario en lugar de dirigir la interacción, trabaja en un entorno cooperativo., esto es, comunicándose, controlando eventos y realizando tareas.


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2.4.1 Agentes de la Interfaz. Un agente de interfaz puede ser considerado por el usuario como un programa que le proporciona ayuda, mas no debe de considerarse como una herramienta dentro de la interface de manipulación directa. Cabe mencionar que logra observar varias interacciones del usuario ates de llegar a realizar una acción ó en su defecto con una sola interacción puede lograr hacer varias acciones y así actuar en determinados períodos de tiempo, mismos que se le han programado con anterioridad. El agente de la interfaz logra leer la entrada que el mismo usuario hace presente en la interfaz y puede hacer cambios que el usuario visualiza en la pantalla. Siendo las características más importantes de los agentes de interfaz las que se mencionan a continuación. La Inteligencia; logran trabajar en distintos entornos y adaptarse a innumerables situaciones, y la ventaja que se tiene es que no utilizan el mismo tipo de solución a un problema dado. El Uso Personal; los agentes de interfaz inteligentes se adaptan, llegan a aprender del usuario y no se limitan a un tipo de solución de un determinado problema ya que el usuario puede decidir otra solución a la pre establecida por el programa. Estos agentes pueden llegar a tomar decisiones en situaciones que resultan incómodas para el usuario pero nunca deberán de forzar a tener un cierto comportamiento. La Autonomía; suelen trabajar en segundo plano y si no se les pide realizar una función en específica se mantienen esperando a que el usuario decida realizar una acción y mantienen a las fuentes de información accesibles. Los Asistentes; nos ayudan en el uso de aplicaciones ya existentes logrando exponernos de una manera fácil y entendible qué es lo que se ha de hacer, siendo que pueden entender palabras habladas, escritas o acciones gráficas e interpretarlas. Los asistentes deben de cumplir con una característica muy importante la cual es la flexibilidad en la manera en que reciben las instrucciones, siendo éstos más flexibles que los menús y que las macros ya que el usuario solamente dice lo que quiere hacer y como ejemplo de esto tenemos a lo asistentes de Power Point, wizards entre otros. 2.4.2 Tipos de Interfaces.

Interfaces de Usuario, dentro de estas tenemos las siguientes: I. Interfaz de hardware; se refiere a aquéllos dispositivos utilizados para ingresar

datos, tales como el ratón, el teclado, la pantalla visualizadora. II. Interfaz de software; ésta se encarga de otorgar información acerca de los datos,

procesos y las herramientas de control y que son visualizados por el usuario en la pantalla.


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Interfaces de líneas de mandatos (command-line user interfaces CUIs); fue la primer

forma de interacción hombre-máquina que existió; utilizando el MS-DOS para tal efecto; como ejemplo se muestra la Figura 2.3; las ventajas que se tiene al utilizar este tipo de interface es que las instrucciones son concisas y es controlado por los usuarios, claro esta, éstas ventajas sólo son válidas para aquéllos que son expertos en el manejo de éste tipo de sistema. En cuanto a desventajas se refiere, el usuario debe de memorizar los distintos comandos que se utilizan, suele tener varios comandos con significado parecido como por ejemplo DEL y ERASE y por si esto fuera poco, no es flexible con los nombres, como ejemplo tenemos que debe escribirse DEL y no DELETE para que lleva a cabo la instrucción; por lo mencionado con anterioridad es muy común que se produzcan errores.

Figura 2.3. Ejemplo de una pantalla de MS-DOS.

Interfaces de menús; se presenta al usuario una serie de opciones, las cuales se

muestran en la pantalla (véase la Figura 2.4) y la selección se realiza por medio de un código en particular, esto nos permite navegar dentro de un sistema, presentándonos rutas que nos llevan de un sitio a otro, seleccionar distintos elementos y poder visualizar distintos tipos de información de manera simultánea.

Figura 2.4. Ejemplo de una Interface de Menú en forma de cascada.


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Interfaces gráficas (graphical user interfaces GUIs); en esta interfaz se muestra de

manera gráfica, una representación del sistema, esto es, del ordenador de los programas, datos, objetos así como la interacción con ellos. Utilizando este tipo de interfaz, no sólo nos permite presentamos la información sino también manipular los objetos e información que aparecen en la pantalla.

En esta interface en particular, se utiliza la forma de trabajar objeto-acción, esto es, el usuario selecciona el objeto y posteriormente la acción a realizar sobre el mismo.

Interfaces orientadas a objetos (object oriented user interfaces, OOUIs); el aspecto de

esta interface es bastante similar al que tienen las interfaces gráficas, su diferencia consiste en que las interfaces gráficas se encuentran enfocadas hacia la aplicación como tal. En la Tabla 1, se hace una comparativa de las diferencias más importantes existentes entre las interfaces gráficas y las orientadas a los objetos.

El objetivo principal de esta interface es que el usuario se enfoque en sus labores, mas no en el ordenador y mucho menos en cómo utilizar las aplicaciones y ficheros necesarios para lograr esto.

Interfaces Gráficas (GUIs) Interfaces orientadas a los Objetos (OOUIs)

La aplicación consiste en un icono, una ventana principal y varias secundarias.

El producto radica en una colección de objetos y las vistas de los mismos.

Los iconos simbolizan aplicaciones o ventanas abiertas.

Los iconos representan objetos, los cuales se pueden manipular directamente.

Los usuarios deben de abrir las aplicaciones necesarias para poder trabajar con los objetos

deseados.

Los usuarios abren objetos como vistas en el escritorio.

Da al usuario las funciones necesarias para que pueda realizar sus tareas.

Provee al usuario de los materiales necesarios para que logre llevar a cabo sus tareas.

Se enfoca en la tarea principal determinada por la aplicación.

Se enfoca en las entradas y salidas de los objetos y las tareas.

Las tareas relacionadas, son soportadas por otras aplicaciones.

Las tareas relacionadas son soportadas por el uso de otros objetos.

La estructura que presenta es rígida en cuanto a la función se refiere.

La estructura que presenta es flexible en cuanto al objeto se refiere.

Los usuarios pueden quedar atrapados en una tarea.

Los usuarios no deben de quedar atrapados en una tarea.

Los usuarios deben de seguir la estructura con la que ya cuenta la aplicación.

En este caso los usuarios pueden realizar sus tareas con el formato que a ellos más les

convenga. Para realizar distintas tareas, se necesitan el

mismo número de aplicaciones para igual número de tareas.

Se utilizan pocos objetos, los cuales nos pueden servir para realizar distintas tareas, esto es se

pueden reutilizar.

Tabla 1. Diferencias entre GUIs y OOUIs.


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2.4.3 Reglas para el Diseño de una Interfaz. Al diseñar una interface debe de tomarse en cuenta las habilidades cognitivas y perceptivas de las personas y tratar de, ó adaptar el programa a ellas. Uno de los principales objetivos de una interfaz es lograr reducir la dependencia de las personas de su propia memoria, esto es no obligándolas a recordar cosas innecesarias como por ejemplo información aparecida en ventanas anteriores o a repetir operaciones ya hechas (introducir un mismo dato varias ocasiones). También es necesario que se plantee el modelado de las tareas para las cuales va a ser diseñada la Interface, independientemente del enfoque general del análisis de las tareas; la persona encargada de diseñar la interfaz debe de definir y clasificar las tareas. Por último y no por ello menos importante debe de tomarse en cuenta el tiempo de respuesta, refiriéndonos específicamente al tiempo que necesita el sistema para expresar los cambios de estado al usuario. Es muy recomendable que dichos tiempos sean de una duración aceptable, ya que si son muy largos, debe de notificarse al usuario que la “petición” ha sido tomada en cuenta y que se está trabajando en ella ya que si no se hiciere podría provocar frustración e incluso estrés en el usuario, por el contrario si dichos tiempos son demasiado cortos puede causar en el usuario un estado de desconcierto ya que no logrará asimilar la información y por ende llevarle al error todo ello por el exceso de velocidad. La variabilidad se refiere a la desviación del tiempo medio de respuesta siendo una característica importante dentro del tiempo de respuesta ya que si se tiene una variabilidad pequeña, permite al usuario establecer un cierto ritmo y si es demasiado largo puede provocar en el usuario cierta incertidumbre llegándose a preguntar si realizo la acción correcta. Se deben de tomar en cuenta ciertas reglas antes de diseñar una Interfaz; las cuales se describirán a continuación:

1. Dar control al usuario; se debe de dar al usuario la posibilidad en lugar de suponer qué es lo que éste desea hacer, la interfaz que se diseñe debe de ser lo suficientemente flexible para que pueda adaptarse a los requerimientos de los distintos usuarios que utilizarán el programa. Para lograr lo mencionado anteriormente, se debe de cumplir con algunos principios tales como: usar adecuadamente los modos de trabajo, permitir a los usuarios usar el teclado y el mouse, permitir que el usuario pueda interrumpir su tarea en el momento que lo desee y logre continuarla más tarde, utilizar mensajes y textos descriptivos, permitir deshacer las acciones e informar de su resultado, que se logre tener una cómoda navegación dentro del producto y una sencilla salida del mismo y tener distintos niveles de uso del producto para usuarios con distintos niveles de experiencia.


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2. Reducir la carga de memoria del usuario; la Interfaz se debe diseñar de tal forma que

logre evitar que el usuario tenga que almacenar y recordar información. Se debe de permitir al usuario copiar, pegar, deshacer así como mantener los últimos datos introducidos. Proporcionar indicaciones visuales de donde está el usuario, que puede hacer y que esta haciendo, así como las funciones deshacer, rehacer y todas aquellas acciones por defecto. Asociar acciones a los objetos así como presentar al usuario sólo la información que necesita. Presentar al usuario sólo aquella información que necesita. Utilizar metáforas del mundo real, como ejemplo tenemos la Figura 2.5, en la cual se puede apreciar una agenda telefónica y como ejemplo de una mala metáfora se aprecia en la Figura 2.6, son íconos que se utilizan en el software de Lotus Organizer.

Figura 2.5. Metáfora de una agenda Figura 2.6. Íconos de Lotus Organizer

3. Consistencia; Se logra dar al usuario utilizar el conocimiento adquirido en otros

programas. Proporcionar al usuario las indicaciones sobre el proceso que está siguiendo.

Consistencia en los resultados de las interacciones; esto es obtener una misma respuesta ante la misma acción, ya que los elementos estándar de la interfaz deben de comportarse siempre de la misma forma. Se debe de fomentar la posibilidad de poder explorar la interfaz sin que se tenga el temor de alguna acción negativa.

4. Atajos para usuarios frecuentes; se da cuando la interfaz que se esta utilizando, nos

permite tomar atajos dentro de la misma con el fin de reducir el tiempo de respuesta y aumentar la productividad.


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2.4.4 Pasos para diseñar una Interfaz.

• Reunir y analizar la información del usuario; concretar por medio de distintos tipos de requerimientos, qué tipos de usuarios van a utilizar el programa, qué tareas y cómo las van a realizar; por último qué cosa esperan los usuarios del programa y en qué tipo de entorno se desenvuelven los mismos ya sea físico, cultural, social, etc.

• Diseñar la interface de usuario; es de suma importancia dedicarle tiempo y recursos a

esta parte en específica, antes de pasar a la siguiente parte que es la codificación, ya que en este paso se definen los objetivos del programa, las distintas tareas del usuario, los objetos y las acciones de la interfaz, las vistas y las representaciones visuales de los objetos y ventanas. De hecho todos los objetos visuales se pueden hacer primero a mano para después depurarlos con las herramientas adecuadas.

• Construir la interface de usuario; en esta fase se realiza un prototipo del programa,

con la finalidad de poder visualizar y realizar una prueba acerca de qué forma va a quedar, para que posteriormente, se logre codificar definitivamente.

• Validar la interface de usuario; en esta fase se den de realizar pruebas del producto, lo

ideal es que se realicen con los usuarios que van a utilizar el mismo. Se debe de tener cuidado en realizar un diseño que comience del usuario y no del sistema.

• Presentación de información; no es recomendable que se coloquen demasiados objetos

en la pantalla y los existentes deben de colocarse de una forma bien distribuida; esto con la finalidad de que los objetos no influyan en el usuario.

• Elementos de diseño de pantalla y percepción visual; en este paso en particular, se

toma en cuenta distintos factores, el color; sin embargo es el elemento que con más frecuencia es mal utilizado ya que no deben de utilizarse colores que después de un determinado período de tiempo ocasione cansancio al usuario, para evitar esta situación primero debe diseñarse en blanco y negro para luego comenzar a elegir los colores adecuados.

El Análisis de Audio; hay que tomar en cuenta si es más apropiado utilizarlo que la información visual, efectuado lo anterior se debe determinar el sonido adecuado y por último tener la opción de personalizar el sonido esto es, aumentar o disminuir el volumen así como su desactivación. El Análisis de Animación; lo podemos definir como un cambio existente en cuanto al tiempo se refiere de la apariencia visual de cualquier elemento gráfico. Nos puede ser de gran ayuda para mostrar el estado de un objeto en particular o explicar su comportamiento.


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El Diseño Internacional; se debe de poner un gran interés y cuidado en esta parte ya que contamos con las diferencias culturales como son las distintas terminologías, dibujos, formatos de teléfonos, de calendarios, etc.

2.5 Lo más Nuevo dentro de HMI. Actualmente, existe una interacción entre el ser humano y las máquinas, la cual resulta de bajo costo y muy accesible; ésta interacción se le conoce con el nombre de “Device Net”. Devicenet es un protocolo de comunicación utilizados en la automatización de la industria para así lograr una interconexión entre los dispositivos de control, los cuales son utilizados para el intercambio de datos. Antes de adentrarnos mas en el tema primero haremos mención del origen histórico de esta red, originalmente Devicenet fue desarrollada por la empresa estadounidense (Allen Bradley) y que ahora pertenece a “Rockwell Automation” en el año de 1993; este tipo de red es muy utilizada en el mercado americano cubriendo un 60% de este en E.U.A y en chile un 40% y suele aplicarse en las mas variadas industrias desde la minera hasta la industria salmonera y alimenticia. Es un bus de campo económico para componentes industriales (sensores, paneles de control, entre muchos otros), ayudándonos a reducir el costo en cuanto al cableado individual de los equipos se refiere y para mejorar las funciones de diagnóstico específicas por componente. Esta red se desarrollo para satisfacer las necesidades de la industria de contar con un medio de comunicación que fuese aceptado universalmente y que aunado a lo anterior tuviese la capacidad de ser compatible con la mayoría de los dispositivos empleados en la planta. Device Net, es una red abierta, permitiéndonos que en una red de control y automatización se conecten distintos dispositivos suministrados por diferentes proveedores sin la necesidad de construir interfaces dedicadas para cada uno de los dispositivos. Lo mencionado anteriormente se logra con un bus de campo, el cual, es un sistema de transmisión de datos que simplifica la instalación y operación de máquinas y equipamientos industriales utilizados en procesos de producción. Son redes digitales, bidireccionales, multipunto las cuales se encuentran montadas sobre un bus serie que conectan dispositivos como PLC’s, transductores, sensores, actuadotes y dispositivos inteligentes, todo esto con una capacidad de diagnóstico, control, mantenimiento y de comunicarse bidireccionalmente a través del bus. Utiliza un Controller Area Network (CAN) como espina dorsal y la tecnología se define como una capa de aplicación para cubrir una amplia gama de perfiles de dispositivo; las aplicaciones típicas incluyen el intercambio de información, dispositivos de seguridad y los controladores de dispositivos E/S, cada dispositivo y/o controlador es un nodo en la red.


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Con el fin de promover Devicenet a nivel mundial, Rockwell Automation decidió compartir esta tecnología a terceros, y gracias a esto fue adoptada por la “Open Devicenet Vendor Association” (OVDA), una organización independiente situada en Norteamérica, no lucrativa y que fue fundada en 1995, con el objetivo de apoyar mundialmente la evolución de sus especificaciones y su misión es la de promover la normalización de este protocolo y con ello propiciar la mejoría de las funcionalidades de la norma con la finalidad de satisfacer las necesidades de conectividad de la planta moderna. Devicenet es un bus de campo muy económico para componentes industriales tales como detectores ópticos, de fin de carrera, convertidores de frecuencia terminales de válvulas, paneles de mando, entre otros. Se utiliza para eliminar el costoso cableado y así mejorar las funciones de diagnostico por componente. Una red Devicenet consiste en una rama o bus principal de hasta 500 metros con varias derivaciones de hasta 6 metros cada una donde se conectan los distintos dispositivos de la red. En cada red Devicenet se pueden conectar hasta 64 nodos y cada uno a su vez puede soportar un número infinito de E/S, aunque lo normal son 8, 16 o 32. Características de Devicenet:

Utilización CAN por su capa de enlace de datos y el CIP (Common Industrial Protocol) para la parte superior de capas en la red.

Sigue el modelo OSI (Open Systems Interconnection), una norma ISO para

comunicaciones de red por lo que todas las funciones necesarias se encuentran definidas, desde la física hasta la aplicación de la metodología y el protocolo para la comunicación de control de datos y la información a través de las redes.

Sin fisuras y puente de enrutamiento de Devicenet a otros PIC Networks que

actualmente incluyen Ethernet/IP y Controlnet.

Ha adoptado el esquema productor/consumidor, esto es, que la información que es producida por una sola fuente en la red, alimenta de manera simultanea a todos los posibles receptores dejándoles a estos receptores la “decisión” de tomar o no en cuenta el mensaje recibido. Al hacer lo antes descrito se obtiene una mejor utilización de la banda ancha y una agilización en el tiempo de respuesta en la red.

Permite que los dispositivos que se encuentran conectados a la red se puedan enlazar

como maestro/esclavo, como una arquitectura de control distribuido mediante la comunicación peer-to-peer (entre pares) o productor/consumidor; esta ultima fue desarrollado para las pistas de comunicación mas sofisticadas tales como Fieldbus (FF) y Controlnet. La relación maestro/esclavo es la mas sencilla de entender ya que el PLC o scanner es el maestro y aquellos dispositivos entrada/salida son los esclavos, el esclavo solo “habla” cuando se le interroga y solamente hay un maestro por red.


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Los nodos pueden ser insertados o eliminados sin tener que desconectar la fuente de

energía de la red, además se dispone de fuentes de energía adicionales que se pueden conectar en cualquier lugar de la red, ya que en ocasiones se necesita energizar dispositivos que consumen grandes cantidades de energía de una fuente externa como válvulas solenoides, etc.

El número máximo de nodos por red es de 64 en topología de bus con derivaciones.

Distancia máxima de 100 a 500 metros y hasta 2 kilómetros con repetidores y en

velocidades de 125, 250 y 500 kbps.

Reemplazo automático de nodos, no requiere de programación ni de un elevado nivel de diagnósticos.

Utiliza dos pares trenzados que son control y alimentación, con una alimentación de

24Vdc con opción de redundancia. Devicenet al igual que otros PIC Networks sigue el modelo OSI el cual define un marco para la aplicación de protocolos de red en siete capas que son: física, enlace de datos, red, transporte, sesión, presentación y aplicación. Las redes que siguen este modelo definen una completa funcionalidad de la aplicación de la red física a través de la capa interfaz de usuario. Al igual que con todos los PIC Networks, Devicenet implementa el PIC en los servicios de gestión de datos. A continuación se explicará 3 de las siete capas antes mencionadas.

Capa Física; los nodos son distribuidos por medio de una topología trunkline-dropline; ésta topología permite una facilidad en el cableado y tener acceso a la red de distintas formas. Los nodos pueden ser removidos e insertados muy fácilmente, con ello se reduce la inactividad en la producción y el tiempo en la resolución de problemas. Dado que la capa física es aislada del dispositivo, la comunicación y el dispositivo pueden compartir el mismo bus.

Capa de Enlace de Datos; Devicenet utiliza un bus serial diferencial (Controller Area

Network) como su capa de enlace de datos; el uso de la CAN requiere banda ancha para transmitir los mensajes; además un pequeño procesador puede ser seleccionado en el diseño del dispositivo gracias a la facilidad en que el procesador puede analizar los datos.

Red; una conexión debe de ser basada inicialmente ya sea por un UCCM

(Desconectado Mensaje Manager) o por un Grupo 2 Desconectado Port, a partir de ahí mensajes implícitos y explícitos pueden ser enviados y recibidos. Los mensajes explícitos son los paquetes de datos generales que requieren una respuesta de otro dispositivo, es la recopilación de datos sensibles tales como configuraciones o el tiempo. Los mensajes implícitos son paquetes de datos en donde el tiempo es crítico, es decir son aquéllos paquetes de datos que necesitan enviarse en tiempo real a través de la red. Un mensaje explícito de conexión tiene que ser usado para establecerse primero


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ante un mensaje implícito antes de que la conexión se haga. Una vez que la conexión se hace, la CAN hace una identificación de datos y de rutas para el nodo correspondiente.

Beneficios:

Proporciona una red flexible y de conexión sencilla ofreciendo un control descentralizado y permitiendo la conexión de dispositivos de distintas marcas gracias a la interoperatividad y su formato abierto y estándar.

Con su instalación se obtiene una reducción en el cableado, del tiempo de puesta en marcha y del soto de la instalación ya que elimina la necesidad de recorrer largas distancias de cable.

Los altos en la producción se minimizan, esto debido a que proporciona información de diagnostico permitiendo con ello llevar acciones preventivas y eficaces agilizando las labores de mantenimiento y reparación.

Si se avería algún módulo esclavo es posible sustituirlo de forma inmediata sin la necesidad de quitar la alimentación.

Permite que la información de la planta se encuentre disponible en tiempo real al proporcionar un procesamiento de datos a alta velocidad, mayor seguridad de datos.

Los mercados y aplicaciones más significativas para este tipo de tecnología son: líneas de ensamblaje para automóviles, de alimentación y bebidas, de fabricación de semiconductores, manipulado y empaquetado de material, papeleras, cementeras, canteras, clasificación y tratamiento de RSU, entre otros. Esto es a grandes rasgos lo más nuevo existente en cuanto a HMI se refiere y que como se dijo resulta ser mucho más sencillo de usar, así como el costo es relativamente pequeño, características que deben de ser tomadas muy en cuenta. Hay que recordar que los primeros software de HMI eran sistemas en los cuales solamente teníamos la característica principal de controlar las máquinas, esto es, encenderlas o apagarlas, lograr cambiar la tarea a realizar entre otras funciones; si se tenía la necesidad de realizar cualquier tipo de captura de datos con referente a niveles de temperatura, niveles de presión, estado de funcionamiento de las máquinas, etc., éstos se tenían que realizar de forma manual ocasionando con ello pérdidas de tiempo y un desgaste físico por parte del usuario encargado de realizar dichas tareas. Por los inconvenientes mencionados anteriormente, los sistemas HMI recientes, en su gran mayoría, por no decir que todos, tienen como complemento el sistema SCADA. Los sistemas SCADA, son de gran ayuda cuando se requiera de recabar datos ya que lo hacen de manera automática.


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2.6 PLC El PLC es una parte fundamental en un sistema HMI/SCADA ya que es el elemento que nos permite no solamente tener comunicación con los demás dispositivos que conforman nuestro proceso sino que nos permite controlarlos, por ende, haremos referencia a este dispositivo en cuanto a su funcionamiento, su historia y las partes en que se encuentra conformado. 2.6.1 Historia del PLC. El control de los procesos industriales era hecho de forma cableada con ayuda de contactores y relés, hay que destacar que a la persona encargada de estos dispositivos se le exigía que tuviera grandes conocimientos técnicos para poder realizar la instalación de este tipo de dispositivos y además de darles un buen mantenimiento. El problema con los relés era que cuando los requerimientos dentro de la producción cambiaban, esos mismos cambios se necesitaban realizar en el sistema de control, lo cual nos hace ver la nula flexibilidad de estos dispositivos. Los relés son dispositivos mecánicos y con una vida limitada, por ende, se necesitaba una estricta manutención y por si esto fuera poco en la gran mayoría de las ocasiones se necesitaban realizar cientos o incluso miles de conexiones entre relés ocasionando con ello el tener un gran esfuerzo técnico y aun un desembolso económico mayor. En 1960 el PLC fue introducido por vez primera en la industria y esto fue a causa de la enorme necesidad que se tenía de eliminar el excesivo costo que se producía al reemplazar el sistema de control basado en relés y contactores. Para tratar de resolver el problema que tenia la industria en aquellos años, la empresa Bedford Associates propuso un dispositivo al que llamaron Controlador Digital Modular (MODICON) a un fabricante de coches; aunque cabe mencionar que otras empresas propusieron a su vez esquemas basados en un ordenador, uno de los cuales se basaba en el ordenador PDP-8. Aunque el MODICON-084 resultó ser el primer PLC a nivel mundial que fue producido de manera comercial. No solamente se tenía que dar una nueva generación de controladores sino que tenían que satisfacer las necesidades de la industria entre las cuales podemos mencionar que los nuevos controladores debían de ser sencillos de programar por los ingenieros que laboraban en la empresa o en su defecto por el personal de mantenimiento, su tiempo de vida debía de ser largo, que éstos nuevos dispositivos trabajaran sin mayor problema en ambientes industriales adversos y por último pero no menos importante los cambios en el programa si éste era requerido tendría que hacerse de forma sencilla. La solución ante las exigencias establecidas por parte de la industria se logró con la utilización de una técnica de programación “familiar” y cambiar los relés mecánicos por relés de estado sólido. Para mediados de los años 70’s, las tecnologías predominantes en PLC’s eran las máquinas de estado secuenciales y CPU’s basados en desplazamiento de bits. Los AMD-2901 y 2903 fueron muy populares en el MODICON y en los PLC’s AB. Los microprocesadores convencionales cedieron la potencia necesaria para resolver de manera rápida y completa la lógica de los pequeños PLC’s. Por cada modelo de microprocesador había un modelo de PLC.


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Para 1973, se da la aparición del bus Modicon (Modbus) y entre las innovaciones del PLC se puede mencionar que comenzaron a aparecer las habilidades de comunicación; esto es, que permitía al PLC comunicarse con otros PLC’s y en conjunto podían estar aislados de las máquinas que controlaban; también podían enviar y recibir señales de tensión variables entrando con ello en el mundo analógico. Sin embargo, gracias a la falta de un stándar aunado con un continuo cambio tecnológico ha hecho que en la comunicación de los PLC’s exista una gran variedad de sistemas físicos y protocolos incompatibles entre si ya que cada fabricante sacaba su propio sistema. La década de los 80’s fue cuando se redujeron las dimensiones del PLC y se comenzó a realizar la programación con programación simbólica por medio de ordenadores en lugar de las clásicas terminales de programación. Se produjo un intento de estandarización en las comunicaciones con el protocolo denominado MAP (Manufacturing Automation Protocol) de General Motor’s. En los 90’s se muestra una reducción en el número de protocolos y en la modernización de las capas físicas de los protocolos más populares que lograron seguir en funcionamiento de la década de los 80’s. Se desarrolla un stándar más, el IEC1131-3 y con el se intenta unificar el sistema de programación de todos los PLC’s en un único estándar internacional. En la actualidad existen PLC’s que pueden ser programados en diagramas de bloques, lenguaje C, lista de instrucciones y texto estructurado inclusive al mismo tiempo (véase la Figura 2.7). Hay que mencionar que antes de que apareciesen los PLC’s en la industria ya existía un concepto muy importante llamado HMI. Al principio como ya se menciono al principio de este capitulo se trataba de armarios con lámparas, interruptores, botones e indicadores; éstos armarios se solían acompañar con un dibujo simbólico de la máquina. Con la aparición de los PLC’s y el sistema de comunicación en la decaed de los 70’s, posibilitaron la aparición del OP (operador).

Figura 2.7. Estructura Lógica de un PLC.


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2.6.2 Definición de PLC. Las siglas PLC quieren decir Controlador Lógico Programable aunque también es conocido como autómata programable y como definición tenemos la siguiente: “es un dispositivo electrónico diseñado para controlar en tiempo real y en medio industrial procesos secuenciales”. En la Figura 2.8 se muestra un PLC.

Figura 2.8. PLC.

Un PLC suele ser de dimensiones algo grandes si son empleados para los procesos industriales, sin embargo hay unos más pequeños utilizados para uso personal, esto es que inclusive se pueden usar en el hogar como por ejemplo para automatizar que se enciendan las luces de la casa, que se abra o cierra la puerta de la misma e inclusive para abrir la puerta de la cochera; hoy en día a estos edificios se les conoce como “edificios inteligentes”. Aunque el PLC se suele utilizar solo si se desea satisfacer alguna o todas las necesidades siguientes de un proceso industrial:

Procesos de producción que cambien de forma constante. Procesos secuenciales. Instalaciones de procesos complejos y amplios. Chequeo de programación centralizada de las partes del proceso. Espacio reducido.

Hay muchas aplicaciones que se le pueden dar a los PLC’s, aunque de manera general las podemos englobar en tres grandes grupos que son la maniobra de máquinas, la señalización y control y por ultimo la maniobra de instalaciones. Actualmente el costo de adquisición de los PLC’s es muy variado ya que hay PLC’s según sean las necesidades del proceso que se quiera automatizar. Haciendo una comparativa entre las ventajas y desventajas de este dispositivo de control son más las ventajas en la utilización de un PLC dentro de un proceso industrial como las siguientes:

Menor tiempo de elaboración de los proyectos. Mayor aumento de productividad. Mayor índice de ventas.


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Posibilidad de añadir modificaciones sin costo extra en otros componentes. Mínimo espacio de ocupación. Mantenimiento relativamente económico. Menor costo de mano de obra. Posibilidad de tener el control de distintas máquinas con el mismo PLC. Menor tiempo de puesta en funcionamiento. Si el PLC queda pequeño en cuanto a exigencias del proceso se refiere, éste puede ser

de utilidad para otras máquinas o para otros sistemas de producción. Y entre las desventajas se tienen:

Capacitación del personal. Costo elevado para su adquisición.

2.6.3 Estructura de un PLC. Respecto a su disposición externa los PLC’s pueden tener o contener varias secciones tales como una fuente de alimentación, un CPU, un módulo de entrada, un módulo de salida, una terminal de programación y los periféricos dentro de un mismo módulo o en su defecto cada una de ellas separadas por diferentes módulos, así se pueden distinguir PLC’s compactos y modulares. La estructura básica de cualquier Controlador Lógico Programables es: Fuente de Alimentación; es la encargada de convertir la tensión de la red comúnmente de 220 VCA a una baja tensión (24 VCC), siendo ésta la tensión de trabajo que se maneja en los circuitos electrónicos que conforman al PLC. CPU; es el cerebro del sistema ya que es la encargada de recibir las ordenes del operario por medio de la consola de programación y el módulo de entradas; a continuación las procesa para enviar las respuestas al módulo de salidas. En su memoria se encuentra guardado el programa que esta destinado a controlar el proceso. Módulos de Entradas; a éste módulo se unen de forma eléctrica todos los captadores (pulsadores, finales de carrera, sensores, interruptores, etc.). La información que es recibida en el módulo se envía a la CPU para de esta manera ser procesada de acuerdo a la programación que se encuentre en la memoria del PLC. Hay dos tipos de captadores que se pueden conectar al PLC y son los activos y los pasivos. Los captadores activos son dispositivos electrónicos que necesitan ser alimentados por una tensión para que varíen su estado lógico y existen detectores inductivos, capacitivos, fotoeléctricos. En la Figura 2.9 tenemos el diagrama de éstos.

Figura 2.9. Captadores Activos.


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Mientras que los captadores pasivos son los que cambian su estado lógico activado-no activado gracias a una acción mecánica (finales de carrera, interruptores, pulsadores, etc.). en la Figura 2.10 se muestran los captadores pasivos.

Figura 2.10. Captadores Pasivos.

Módulos de Salidas; se encarga de activar y desactivar los actuadores (bobinas de contactores, motores pequeños, lámparas, etc.), en donde la información enviada por las entradas a la CPU, una vez que ha sido procesada es enviada al módulo de salidas para que así sean activadas y a la vez los actuadores que en ellas se encuentran conectados. Dependiendo el tipo de proceso que va a controlar el PLC, se pueden utilizar distintos módulos de salidas y entre los más comunes tenemos los siguientes:

Módulos de Salidas a Relés; se utilizan en circuitos de corriente continua y corriente alterna y se encuentran basados en la conmutación mecánica, por la bobina del relé de un contacto eléctrico normalmente abierto.

Módulos de Salidas a Triacs; al igual que los anteriores se utilizan tanto en circuitos de

corriente alterna como de corriente continua que necesiten maniobras de conmutación bastante rápidas.

Módulos de Salidas a Transistores a Colector Abierto; el uso de éste tipo de módulos

es exclusivo de los circuitos de corriente continua, de manera similar que en los triacs, es utilizado en circuitos que necesiten maniobras de conexión-desconexión muy rápidas. La forma en que se conecte los actuadores a los módulos de salidas dependerá del tipo de módulo utilizado.

Terminal de Programación; también llamada consola de programación es la que permite comunicar al operador con el sistema, las funciones básicas de la misma son la transferencia y modificación de los programas, la verificación de la programación y dar información del funcionamiento de los procesos. Como consolas de programación se pueden utilizar las que son construidas específicamente para el PLC que son de tipo calculadora o en su defecto un ordenador personal para la PC, el cual debe de tener un software especialmente diseñado para la programación y el control del PLC. En las Figuras 2.11 y 2.12 respectivamente, se muestran una terminal de programación portátil y una terminal de programación compatible con la PC.


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Figuras 2.11 y 2.12. Terminal de programación Portátil y compatible con la PC.

Periféricos; son elementos que no intervienen directamente en el funcionamiento del PLC pero facilitan la albor del operario y entre los más comunes podemos mencionar las impresoras, los cartuchos de memoria EEPROM, visualizadores y paneles de operación, entre otros. 2.6.4 Software del PLC – Conceptos básicos. En cuanto al software se refiere, existe una gran variedad de éstos como PLC’s hay disponibles en el mercado ya que la elección de un software depende de las necesidades que se tenga con respecto al proceso que se desee automatizar. Sin embargo existen ciertos conceptos que deben de tenerse lo suficientemente claros y los cuales se darán a conocer a continuación. Primeramente se encuentran los “operandos” y dentro de los cuales hay tres tipos que son:

Entradas; son las diferentes entradas digitales que llegan al PLC, se encuentran agrupadas en grupos de 1 byte, y éstos a su vez se encuentran numerados de forma correlativa atendiendo a su posición en los bastidores. El primer byte corresponde a la parte superior de la tarjeta más próxima la CPU correspondería a las 8 primeras entradas de la tarjeta. Las entradas en el programa se encuentran clasificadas de una forma en especifico como por ejemplo (E0.1) en donde la “E” nos indica que es una entrada, el “0” nos indica el número de byte y por último el “1” nos indica el número de la entrada.

Salidas; son las diferentes salidas digitales en donde el criterio de clasificación sigue el

mismo criterio que se encuentra en las entradas, solo que para este caso en especifico en lugar de ocupar la letra E se utiliza la letra “A” y la numeración del byte comienza en el numero “36”. Como ejemplo tenemos (A36.0) en donde “A” indica que es una salida, “36” el número de byte y por último el “0” el número de la salida.

Marcas; son resultados intermedios del programa y pueden ser utilizados como

entradas o salidas; su clasificación parte del mismo criterio que se aplica para las entradas lo único que cambia es que en lugar de la letra E se utiliza la letra “M”. como ejemplo se tiene (M0.1) en donde “M” indica que se trata de una marca, el “0” el número de byte y por ultimo el “1” el número de la marca.


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A continuación tenemos los “nemónicos”; los cuales son símbolos o abreviaturas que es utilizada por el programador para facilitarse la tarea a la hora de realizar el programa y dependiendo del lenguaje que se encuentre empleando, puede utilizar solamente las entradas, las salidas o las marcas o bien puede emplear nemónicos que le sean fáciles de recordar. Módulo de Programa; se puede definir como una hoja en blanco en donde se pueden escribir datos, órdenes, funciones, y se tienen 4 tipos que son:

DB; son módulos que contienen exclusivamente datos. FB; son módulos que contienen funciones. OB; son módulos que sirven para organizar otros módulos. PB; son los módulos que contienen las órdenes.

Segmento; se puede definir metafóricamente hablando como una línea dentro de la hoja (dentro del módulo de programa). Constantes; especifican el formato de los datos y dentro de las cuales podemos encontrar las siguientes:

KC; constante que utiliza caracteres ASCII. KF; constante en número natural sin coma. KG; constante en número natural con coma. KH; constante en hexadecimal. KM; constante en binario. KT; constante de temporización. KZ; constante de contador.

Operadores; son las operaciones que el PLC es capaz de realizar y que se pueden utilizar en el programa. Puerta “Y”; realiza la función lógica de una compuerta AND, en donde activa su salida solamente cuando todas sus entradas se encuentran activadas. A continuación en la Figura 2.13 se muestra su símbolo y el circuito equivalente.

Figura 2.13. Símbolo y circuito equivalente de una compuerta AND.

Temporizador; la función que desempeña dentro del programa es la de dar un determinado tiempo (por lo regular en segundos o centésimas de segundos) a una conexión determinada para que después de que paso el tiempo establecido realice una acción como por ejemplo abrir o cerrar una válvula, etc. Para determinar el tiempo que se ha fijado se debe de interpretar el valor de una constante (KT) y la cual se encuentra conformada por:


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El valor; es el número de pulsos que tiene que contar y que además no puede superar

un valor de 3 cifras. La retícula; indica el tamaño de los pulsos que se van a contar y su clasificación es: 0=

centésimas de segundo; 1= décimas de segundo; 2= segundos y 3= intervalos de 10 segundos.

Por ejemplo, podemos encontrar lo siguiente (KT 5.3) en donde nos indica que se activara una salida transcurridos 50 segundos. Lo anterior se deduce de la siguiente manera “KT” es el nombre de la constante; el número “5” es el valor y por ultimo el “3” es la clasificación por la cual hay que multiplicar el valor; esto es, la clasificación “3” ya mencionada con anterioridad equivale a intervalos de 10 segundos por lo tanto se multiplica “5” x 10 = 50 segundos. Puerta O; realiza la suma lógica (función OR), basta que una de las entradas se encuentre activada para que la salida se active; equivale a tantos contactos en paralelo como entradas disponga la función. A continuación en la Figura 2.14 se muestra su símbolo y el circuito equivalente.

Figura 2.14. Símbolo y circuito equivalente de una compuerta OR.

2.6.5 Lenguajes de Programación. El software no es otra cosa que los distintos lenguajes de que nos servirán para programar al PLC y que el mismo debe de reconocer, así como el conjunto de instrucciones y operandos a los que recurrimos para lograr la programación deseada. Como ya se mencionó los PLC’s vinieron a revolucionar la industria y a sustituir a los contactores y a los relés, por ende la comunicación que debían de tener los PLC’s tendría que ser muy similar a la que se venia utilizando. El lenguaje que se utilizaría debía ser fácil de interpretar por los técnicos electricistas que estaban en continuo contacto con la instalación y los lenguajes más significativos se dan a conocer a continuación: Lenguajes a Contactos (LD;) es el que presenta una mayor similitud con el que es utilizado por un electricista ya que se elaboran cuadros de automatismos; muchos PLC’s incluyen módulos especiales del software para poder programar de manera grafica, en la Figura 2.15 se da un ejemplo de este lenguaje.


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Figura 2.15. Esquema de un Lenguaje a Contactos.

Lenguaje por Lista de Instrucciones; en los PLC’s denominados gama baja, son la única forma de programarlos, ya que consiste en elaborar una lista de instrucciones o nemónicos que son asociados a los símbolos y su combinación dentro de un circuito eléctrico de contactos, hay que mencionar que éste tipo de lenguaje es en la gran mayoría de los casos la forma mas rápida de programar e incluso la más segura. Un ejemplo de este tipo de lenguaje lo podemos observar en la Figura 2.16.

Figura 2.16. Lenguaje por Lista de Instrucciones.

GRAFCET (SFC); se encuentra diseñado especialmente para resolver problemas asociados con los automatismos secuenciales, las acciones a realizar son asociadas a las etapas y a las condiciones que se deben de cumplir dentro de las transiciones, en la Figura 2.17 se da un ejemplo de este tipo de lenguaje. Muchos de los autómatas existentes en el mercado permiten la programación utilizando GRAFCET ya sea en modo grafico o por modo de instrucciones y por si esto fuera poco se puede utilizar para resolver problemas de automatización de manera teórica para después convertirlo a plano de contactos.

Figura 2.17. Lenguaje GRAFCET.


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Plano de Funciones Lógicas; resulta sencillo de utilizar para técnicos con conocimientos en circuitos de puertas lógicas ya que la simbología que se utiliza para ambos casos es equivalente. En la Figura 2.18 se da un ejemplo de este tipo del Plano de Funciones Lógicas.

Figura 2.18. Plano de Funciones Lógicas.

2.6.6 PLC S7-300. Este PLC en específico pertenece a la marca SIEMENS y es utilizado en los sistemas HMI/SCADA, sin embrago no quiere decir que sea exclusivamente para este trabajo, ya que dependiendo del proceso que se desee automatizar se deberá de escoger el PLC más adecuado para el trabajo. Sin embargo se le otorga un cierto interés ya que es el controlador que se utiliza en el Laboratorio de Procesos Automatizados Integrados por Computadora. Ideado especialmente para aumentar la cadencia y disminuir sensiblemente los tiempos ciclo y de respuesta y aumentar la calidad del proceso, opera más allá de los límites de prestaciones anteriores, asegurando la adquisición y tratamiento de señales (analógicas o digitales) a cualquier velocidad y en cualquier forma en que se presenten, de allí que es ideal para usarlo en maquinarias de embalaje y en máquinas herramientas, sector agroalimentario o en industria química o farmacéutica. Posee una CPU cuya velocidad es 100 veces mayor a las convencionales; la más potente de sus 5 CPU no necesita más de 0.3 ms para ejecutar 1024 instrucciones binarias. Cuenta con una memoria de programa de 16k instrucciones de capacidad máxima, 1024 entradas/salidas digitales y 32 módulos dentro de un sólo sistema, alta potencia de cálculo con aritmética de 32 bits en Interfaces Multipunto (MPI). Es de tamaño pequeño, rápido y universal son las características más representativas de este PLC; por si esto fuese poco tiene numerosos módulos de extensión, teniendo comunicabilidad por bus, funcionalidades integradas de visualización y operación.


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Dentro de la estructura del S7-300 se cuenta con los siguientes módulos:

Fuente de alimentación (PS) CPU Módulos de señales (SM) Módulos de función (FM) Procesador de comunicaciones (CP).

En la Figura 2.19 se muestran las principales componentes del PLC S7-300.

Figura 2.19. Componentes del PLC S7-300.

Tanto en los módulos de entrada como en los de salida pueden ser conectados otros dispositivos. Por ejemplo en los módulos de entrada se pueden conectar sensores inductivos, capacitivos, ópticos, etc., interruptores, pulsadores, llaves, finales de carrera, detectores de proximidad. En los módulos de salida se pueden conectar electroválvulas, contactores, variadores de velocidad, alarmas, etc. Cabe mencionar que este PLC nos permite adaptarlo según a las necesidades de los usuarios; es decir, que se le pueden adaptar otros componentes tales como:

Módulos de suministro de energía. Módulos de Interfaces para conexión de racks múltiples en configuración multi-hilera.

El tamaño de la CPU independientemente del modelo es de 80cm de largo, 12.5cm de alto y 13cm de profundidad. Hablando de los módulos sus medidas son de 40cmx12.5cmx13cm respectivamente. El S7-300 requiere una alimentación de 24VDC; por ésta razón los módulos (fuentes) de alimentación de carga transforman la tensión de alimentación con la que se cuente a una de 24VDC.


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A través de cables de bus PROFIBUS, pueden comunicarse varios S7-300 entre sí y con otros controladores SIMATIC S7. Para programar los S7-300 se precisa una unidad de programación (PG). La PG se conecta a la CPU a través de un cable específico (cable PG). Las áreas de aplicación del SIMATIC S7-300 incluyen:

Sistema de Transporte; permite programar y monitorear rápidamente aplicaciones como por ejemplo bandas transportadoras ya que la programación basada en arrastrar y soltar ayuda a configurar la lógica de marcha/paro para motores con mando por pulsador, permitiendo seleccionar contadores para supervisar el número de piezas producidas.

Controles de Entrada y Salida; permite una integración fácil en dispositivos de espacio reducido.

Sistemas de Elevación; nos permite tener el control sobre una gran variedad de sistemas de elevación de material. La vigilancia de secuencias de control arriba/abajo así como la capacidad de tomar decisiones eficientes en cuanto a tareas de control complejas son algunas de las tareas asistidas por todas las instrucciones residentes en el PLC.

Algunas otras aplicaciones de las cuales podemos hacer mención son las siguientes:

Líneas de Ensamblaje. Máquinas Expendedoras. Sistemas de Embalaje. Mezclador. Controles de bombas. Equipos de Tratamiento y Manipulación de material. Máquinas Textiles.

Para configurar y poner en funcionamiento un controlador programable S7-300 se ofrecen una serie de componentes; los componentes más importantes y su función se dan a conocer en la siguiente tabla. La configuración tanto del PLC S7-300 como del S7-200 de la marca SIEMENS se dan a conocer de forma más específica en el Anexo A.


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Dentro del capítulo 3, se va a tratar de manera más detallada lo que es un sistema SCADA, características principales, los softwares más utilizados en la industria, así como el funcionamiento del software que es utilizado en el Laboratorio de Procesos Automatizados Integrados por Computadora.

CAPITULO 3 Sistema SCADA

(Supervisory Control And Data Acquisition)

En el presente capítulo se dará a conocer la definición del sistema SCADA, características,

tipos de comunicación, así como los softwares más utilizados en la industria, dándole relevancia

al software WinCC.

Capítulo 3 Sistema SCADA

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Los primeros sistemas SCADA eran sistemas de telemetría los cuales proporcionaban reportes periódicos de las condiciones de campo, poniendo atención en las señales que representaban medidas y/o condiciones de estado en ubicaciones de campo totalmente remotas. Dichos sistemas ofrecían capacidades bastante simples en cuanto a monitoreo y control se refiere. Para la adquisición de datos, los sistemas SCADA realizaban esta tarea por medio de los tableros, luces y los registradores de mapa de tira. El operador a cargo de este equipo tenía que realizar la supervisión de cada uno de ellos para así obtener dicha información, esto ocasionaba pérdida de tiempo, sin mencionar el desgaste físico para el operador. Este tipo de dispositivos eran y aun hoy en día son utilizados en las plantas y fabricas para la supervisión y adquisición de datos. En la Figura 3.1 se muestra un ejemplo de los primeros equipos que eran utilizados para la adquisición de datos

Figura 3.1 Primer Equipo utilizado para la adquisición y supervisión de datos.

El sensor utilizado en este tipo de tableros contaba con innumerables ventajas entre las cuales se destacan las siguientes:

No se utilizaba software alguno, ni tampoco CPU’s, RAM o ROM para que este funcionara.

Los sensores se conectan directamente a los interruptores, a las luces (leds) y se

ubicaban delante del tablero principal.

En la mayoría de los casos resultaba ser muy sencillo y sobre todo económico si se deseaba agregar un dispositivo a los que ya se encontraban conectados tal como un interruptor o indicador.

En cuanto a las desventajas que se tenían se enumeran las siguientes:

Tal y como se puede apreciar en la Figura 8 se necesitaba conectar un sensor para cada dispositivo que se fuera a emplear, por ende, la cantidad de alambre utilizada era inmanejable si se contaba con un excesiva cantidad de sensores.


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La reconfiguración del sistema era una tarea muy difícil por todos los elementos con

los que se contaba.

En cuanto al almacenamiento de datos del proceso se refiere, la obtención de los mismos era mínima y difícil de manejar.

Por ultimo si se deseaba recabar alguna información del proceso alguien tenía que estar

supervisando constantemente el mismo para obtener los datos deseados. Con el advenimiento de los CPU’s, y otros dispositivos electrónicos, los fabricantes de electrónica digital incorporaron un equipo conocido como PLC el cual es uno de los sistemas de mando mas utilizados en nuestros días en la industria. Como se origino la necesidad de controlar cada vez mas dispositivos dentro de la planta, así mismo los PLC’s fueron evolucionando ya que en sus orígenes estos eran grandes y actualmente son pequeños en cuanto a dimensiones se refiere. Mientras la tecnología iva avanzando, los ordenadores tuvieron que asumir el papel de manejar la recolección de los datos ayudados por los comandos de control y con la presentación de la información sobre una pantalla de CRT; así mismo, los ordenadores nos proporcionaron la capacidad de programar el sistema para lograr realizar funciones de control mucho más complejas. Los sistemas SCADA automatizados fueron modificados de gran manera con distintos programas de aplicación para poder atender los requisitos de algún proyecto en particular. En la actualidad los proveedores de SCADA, se encuentran diseñando sistemas enfocados a resolver las necesidades de diversas industrias con módulos de software industria-específicos disponibles para proporcionar las capacidades requeridas. La gran mayoría de los sistemas SCADA de hoy en día se están convirtiendo en una parte muy importante de la estructura en cuanto al control de máquinas y a recabar información se refiere. Estos sistemas ya no son vistos por la industria como simples herramientas operacionales sino como un recurso importante que proporciona un control e información de un proceso. Dentro de este rubro continúan sirviendo como centro de responsabilidad para las operaciones de la empresa, esto es, para lo que quiere hacer y desarrollar, siendo que también logran proporcionar datos a los sistemas y usuarios que se encuentren fuera del área de la empresa; los cuales dependen de la información oportuna y en la cual pueden llegar a basar sus decisiones económicas. Gran parte de los proveedores de sistemas SCADA han tomado en cuenta la tendencia antes mencionada y por ende se encuentran desarrollando métodos eficientes para así lograr hacer disponibles los datos mientras se protegen la seguridad y el funcionamiento del sistema SCADA.


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3.1 Definición y utilidad del sistema SCADA. Antes de poder dar una definición de lo que es un sistema SCADA, debemos de saber el significado de las siglas SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) que traducidas al español significa Supervisión, Control y Adquisición de Datos. Y como definición tenemos la siguiente: “es un sistema central capaz de controlar, monitorear y recabar información de un sitio, sistema o proceso a distancia”, el proceso no precisamente tiene que ser de tipo industrial en específico. Todo esto con la finalidad de realizar una serie de análisis o estudios con los cuales se pueden obtener indicadores que permitirán una retroalimentación sobre el operador e incluso del proceso mismo. Los sistemas SCADA son una aplicación de software diseñada para funcionar sobre ordenadores en el control de producción, proporcionándonos una comunicación con los dispositivos de campo entre los cuales tenemos los controladores autónomos, los PLC’s, etc., logrando controlar cualquier tipo de proceso de forma automática desde una computadora. Y por si esto fuera poco, nos permite enviar la información que es generada dentro del proceso de producción a diversos usuarios, tanto del mismo nivel como hacia otros supervisores dentro de la empresa o en su defecto la información puede ser dividida de forma tal que solamente sean recibidos aquéllos datos que sean de utilidad para cada área en específico dentro de la empresa, tales como para el área de control de calidad, supervisión, mantenimiento, etc. La mayor parte del control del proceso es realizado de manera automática por una Unidad Terminal Remota (UTR) o en su defecto por un PLC (Controlador Lógico Programable). Para un sistema SCADA, en cuanto a la supervisión, control y adquisición de datos se refiere, se pueden tener varios subsistemas; como por ejemplo en el caso de la adquisición de datos, ésta tarea puede estar a cargo de un PLC el cual recibe las distintas señales generadas dentro del proceso y a su vez las puede enviar a estaciones remotas utilizando un determinado protocolo; aunque esta misma tarea puede ser llevada acabo de otra forma, esto es, utilizando una computadora para la adquisición de los datos empleando un hardware y hecho esto que la información sea transmitida hacia un equipo de radio utilizando un puerto serial para ello. Al utilizar un PLC para un sistema SCADA se cuentan con ventajas y desventajas entre las cuales destacamos:

La computadora puede guardar y grabar una gran cantidad de datos. Los datos pueden desplegarse cada vez que el usuario lo requiera. Pueden conectarse una gran cantidad de sensores. El operador puede incorporar las simulaciones de los datos reales en el sistema. Pueden recopilarse distintos tipos de datos del RTU. Se puede tener acceso a los datos desde cualquier sitio.


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Las desventajas que se presentan son:

El sistema visto de manera general es mucho mas complicado que el que se utilizaba en forma de tablero.

Se requiere que se tenga conocimientos en distintas áreas tales como, analistas de sistema y programación.

En cuanto a las tareas de supervisión y control, éstas se encuentran mucho más relacionadas al software que conforma a SCADA ya que dentro del mismo el operador es capaz de visualizar con ayuda de una pantalla, cada una de las estaciones con las que se cuenta y al hacer mención del término estaciones nos referimos a los distintos equipos ya sean máquinas, computadoras, etc., que se encuentren controlados por el sistema SCADA, también el operador puede saber el estado en que se encuentra cada estación, si existen situaciones de alarma para así tomar las acciones pertinentes y esto se logra mediante buses especiales o redes LAN. En la Figura 3.2, se hace referencia de un ejemplo de la aplicación de un sistema SCADA dentro de las áreas industriales. Se puede ver claramente como el sistema SCADA controla dos PLC’s que a su vez tienen la facilidad de controlar varios elementos como el abre o cierre de válvulas, encendido o apagado de motores, etc., y que además entre otras funciones podemos mencionar el poder monitorear procesos físicos, químicos, etc., llevar un control de la producción, de la calidad, e inclusive poder saber qué equipo necesita mantenimiento, así como poder llevar un tratamiento histórico de la información, una administración y que serán explicadas de manera más detallada más adelante.

Figura 3.2 Ejemplo de la aplicación de un Sistema SCADA.


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3.2 Características principales del sistema SCADA. Existen ciertas características que deben de ser tomadas en cuenta para así poder elegir el sistema SCADA más adecuado a las necesidades de la empresa y las cuales se enlistan a continuación:

1. Permitir la adquisición de datos de cualquier equipo así como la comunicación tanto interna como externamente.

2. La programación e instalación del sistema SCADA debe de ser sencilla y no

representar un problema al hacerlo; debe de contar con interfaces gráficas que sean capaces de mostrar un esquema básico y real del proceso.

3. En cuanto al sistema se debe de tener la posibilidad de una expansión y crecimiento del

mismo, debe de ser flexible; esto es, poder adecuarse a las necesidades futuras del proceso y de la industria.

4. Deben de ser fáciles de utilizar, sin muchas exigencias del hardware de la PC y contar

con interfaces amigables para el usuario.

5. Posibilidad de programación numérica, que permitirá realizar cálculos aritméticos sobre la CPU del ordenador.

6. Generación de datos históricos de las señales que son enviadas del proceso, esto es,

que se debe de contar con un registro de lo que sucede en el proceso y esto puede ser dado en cuestión de horas, días, semanas o inclusive meses.

3.3 Funciones de un sistema SCADA. Las funciones son las tareas que le permita realizar al operador, tareas con las cuales debe de cumplir el sistema SCADA y entre las cuales tenemos las siguientes:

Control remoto de instalaciones y equipos; con ayuda de este sistema se puede encender o apagar cualquier equipo de manera remota, automática y manual como por ejemplo encender motores, abrir válvulas, activar alguna máquina, etc., permitiéndonos ajustar valores de referencia, parámetros, etc.

Supervisión de instalaciones y equipos; el operador es capaz de conocer el estado en

que se encuentran las instalaciones y los distintos equipos que son controlados por el sistema, lo que le permitirá dirigir las tareas de mantenimiento, estadísticas de fallas, entre otras, si así lo requiriera el equipo.

Procesamiento de datos; la información que es recabada del proceso es analizada y

comparada con datos anteriores y con datos de otros puntos de referencia obteniendo como resultado una información mas confiable y verídica.


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Generación de reportes; el sistema debe de permitir generar reportes con datos

estadísticos del proceso en un lapso de tiempo o en tiempo real, el cual es determinado por el operador y las necesidades del proceso.

Visualización gráfica dinámica; un sistema SCADA es capaz de darnos imágenes en

movimiento, con ayuda de estas imágenes se podrá representar el comportamiento del proceso, dándole al operador la impresión de estar dentro del lugar en donde se está llevando a cabo el proceso si éste se encontrase en un lugar lejano del mismo.

Almacenamiento de información histórica; nos permite almacenar los datos adquiridos

del proceso para poder ser analizada posteriormente y el tiempo en que permanecerá almacenada dependerá del operador o de aquella persona que se encargo de realizar el programa para la supervisión y control del proceso.

Representación de señales de alarma; gracias a esta función se puede alertar al

operador de cualquier falla o condición que se encuentre fuera de los parámetros preestablecidos que pudieran surgir en el equipo durante el proceso; éstas señales pueden ser tanto sonoras como visuales.

Programación de eventos; nos brinda la posibilidad de programar subprogramas que

nos brinden de manera automática reportes, gráficas de curvas, estadísticas, entre otras tareas.

3.4 Arquitectura de un sistema SCADA. Cuando hablamos de arquitectura nos estamos refiriendo estrictamente a los elementos físicos que conforman un sistema SCADA; siendo de suma importancia, ya que de ellos dependerá en gran medida del buen funcionamiento no solo del mismo sino también del proceso al cual se le desee incorporar este sistema y son: la unidad central (MTU), la unidad remota (RTU), los sistemas de comunicación, la interfaz hombre máquina (HMI) y por último los transductores. A continuación se dará una descripción de cada uno de los elementos mencionados con anterioridad; el único dispositivo que no se describirá será HMI ya que a éste se le ha hecho referencia en el capítulo 2. 3.4.1 RTU (unidad terminal remota). Se encuentra constituida por todo elemento que envíe cualquier tipo de información a la unidad central, por ende es parte del proceso productivo y su ubicación se encuentra por lo general dentro de la planta. El RTU son dispositivos que tienen como base microprocesadores e interfaces de entrada y salida, permitiéndonos obtener señales de forma independiente del o los procesos para así poder enviar la información generada a una sala de control utilizando para ello técnicas de


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transmisión de datos, y en ésta sala de control se haya el sistema SCADA, el cual nos permitirá poder visualizar las variables enviadas por la RTU en donde será procesada. El RTU es conectado al equipo de manera física y se encarga de leer los datos de estado tales como abierto o cerrado de una válvula o de un interruptor, lee las medidas de presión, voltaje, flujo o corriente. Gracias a estos dispositivos se pueden leer el estado de los datos digitales o medidas de los datos analógicos. Un sistema puede estar conformado por varios RTU’s, siendo capaz de captar un mensaje que esté diseccionado hacia él, decodificándolo, actuando y respondiendo si fuera necesario y esperar por un nuevo mensaje. De manera mas detallada en la Figura 3.3 se muestra cómo las señales entran en forma de bloque y en la Figura 3.4 se muestra qué señales salen del RTU, las cuales son repasadas brevemente, después de haber hecho esto el RTU compara la información del campo sobre los valores analógicos guardando esta información en la memoria hasta que la unidad maestra los solicite; si la estación maestra los solicita entonces el RTU procede a codificar y transmitir la información hacia la MTU.

Figuras 3.3 y 3.4. Señales de entrada y salida en la RTU.

La conexión existente entre un RTU y los dispositivos de campo es en la gran mayoría de las veces realizadas vía conductor eléctrico, el RTU se encarga de proveer la potencia para los sensores y los actuadotes, siendo que algunas veces éstos elementos vienen provistos son un equipo de soporte si llegara a existir una falla en la alimentación de energía y es conocido como UPS (uninterruptible power suply). Una RTU, también puede recopilar información del “dispositivo maestro” y ejecutar los procesos que se encarga de controlar éste dispositivo. En la Figura 3.5 se puede apreciar la forma en que se conecta un dispositivo RTU.


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Figura 3.5. Conexiones de un dispositivo RTU.

Una RTU por lo general debe de contar con módulos analógicos y digitales, pero se suele dar el caso en que se emplean un módulo análogo mixto y un módulo digital dando como resultados que se tenga 4 entradas analógicas (8 bits de resolución), 2 entradas digitales, 1 salida digital y 2 salidas analógicas (8 bits de resolución). La unidad remota debe de ser lo bastante flexible como para que en el se pueda tener o emplear distintas interfaces de comunicación y lo más conveniente es que cuente con interfaces tales como:

• RS-232/RS-442/RS-485 • Microwave/MUX • Conexión satelital. • Los protocolos de paquete X.25 • Radio vía trunked/VHF/UHF/900 MHz.

Cabe mencionar que una RTU cuenta o se encuentra conectada a una fuente de poder la cual debe de cumplir con ciertos requerimientos técnicos para un buen funcionamiento del equipo y entre los cuales destacamos que debe de poder operar con un voltaje de 110 / 240 VAC ± 10% a 50 Hz o con voltajes de 12/24/48 VDC ± 10%. Las baterías que debe de tener son de plomo o de cadmio – níquel, considerando que lo mas conveniente es que sean recargables, contando con una duración de 20 horas de operación y un tiempo de recarga que no exceda las 12 horas. Existen otros parámetros que deben de ser monitoreados y transmitidos de forma constante hacia la estación principal o estación maestra (MTU) y es la lectura de la batería analógica y la alarma de la batería empleada para el voltaje, si éste se pudiese encontrar fuera del rango considerado como normal.


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En cuanto a la comprobación y mantenimiento se refiere, los fabricantes de hoy en día ofrecen un procedimiento de prueba para de esta forma poder comprobar las comunicaciones entre la RTU y la estación maestra o para simular una estación maestra o una estación remota en el sistema; en la Figura 3.6 se puede apreciar las tres configuraciones comúnmente empleadas para este propósito. Las funciones que se utilizan en este procedimiento de prueba son básicamente tres; la primera son los interruptores de mensaje; en donde nos permite enviar mensajes simulados hacia la unidad remota o a la estación maestra. La segunda son los indicadores del mensaje; en donde se despliega y transmite los datos del receptor. Y por ultimo tenemos el modo de funcionamiento; aquí el usuario selecciona uno de los tres modos que se pueden aplicar dentro del procedimiento de prueba, dentro de los cuales tenemos una prueba específicamente dirigida a la RTU, otra dirigida hacia la MTU y por ultimo entre la RTU y la estación maestra. Hay que destacar que en ocasiones los proveedores suelen proporcionar un test de prueba adicional.

Figura 3.6. Configuraciones típicas empleadas para comprobación

del funcionamiento en una RTU.

Existen requisitos primordiales que deben de ser considerados antes de poner a funcionar un sistema RTU y los cuales son:

Hardware; la expansibilidad de un RTU comúnmente es de 200 puntos tanto analógicos como digitales.

El número máximo de RTU’s en un sistema no debe de exceder los 255. Sistema modular; en cuanto a la instalación se refiere no importa el orden en particular

o la posición que tenga cada módulo. Funcionamiento, si en algún módulo tuviese una falla, éste no debe de afectar a los

demás.


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La minimización en cuanto al consumo de energía. La generación de calor debe de ser mínima. Debe de contar con una gran inmunidad al ruido el cual se puede deber entre otras

situaciones al ambiente áspero en el que se encuentre. En condiciones operacionales normales, la temperatura a la que debe de estar expuesto

es entre -10 a 65 ºC. La humedad relativa debe de ser de un 90%. Indicación clara de diagnósticos. El estado de los LED’s debe de encontrarse visible. Debe de contar con un diagnóstico para detectar si se produjera una falla en el sistema

local. Debe de contar con un diagnóstico para detectar si se produjera una falla en el sistema

remoto, es decir que el sistema no se encontrase dentro de la planta. Verificar en qué estado se encuentra cada módulo y cada canal (I/O); esto es si el

programa se encuentra activo o existe una falla, si las comunicaciones están bien o hay alguna falla, etc.

Todos los módulos deben de estar conectados a un sólo tipo de bus. La interconexión física de los módulos hacia el bus debe de ser conveniente para poder

funcionar sin inconveniente en condiciones ambientales extremas. La instalación eléctrica debe de ser sencilla. El reemplazo del módulo debe de ser fácil de realizar.

Normalmente un RTU suele instalarse en un lugar lejano y en condiciones extremas, por ello, las consideraciones ambientales que deben de tomarse en cuenta son las siguientes:

El rango de temperatura ambiente va desde los 0° hasta los 60 °C, pero suele darse los casos que van desde los -30 °C hasta los 60 °C.

El rango de temperatura de almacenamiento debe de ir de los -20 °C hasta los 70 °C. 3.4.2 MTU (unidad terminal maestra). La unidad terminal maestra o también llamada computadora central, es el centro o cerebro de cada sistema SCADA; siendo el dispositivo que emite todas las órdenes, realiza la captura de los datos que genera el proceso, guarda la información, manda la información a los diversos equipos que conformen a SCADA, inclusive es la interfaz con las personas que se encuentran encargadas en el proceso. Una MTU es comparable como tener una o mas estaciones del operador junto con una red de área local conectada a un sistema de comunicación el cual consiste en un módem y un sistema de radio comunicación para así recibir y transmitir. De ser posible es recomendable que se utilice un sistema landline en lugar de un sistema de radio comunicación ya que para este caso el módem se unirá de manera directa al landline. Normalmente no hay módulos de entrada/salida que se encuentren conectados de manera directa a la unidad maestra, aunque se puede dar el caso de que un RTU se encuentre localizado relativamente cerca del cuarto de la estación maestra.


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Las características que deben de presentar un MTU son:

La interfaz del operador debe de desplegar el estado en que se encuentra cada RTU y poder habilitar el mando hacia el operador cuando se lo requiera.

Guardar la información de los RTU’s. Alarma de datos del RTU.

La estación maestra debe de cumplir con dos objetivos principales:

Obtener los datos de campo de forma periódica de los RTU’s y de las estaciones submaster.

Tener un control sobre los dispositivos remotos a través de la estación del operador. Como se podrá apreciar en la Figura 3.7, existen distintas combinaciones de sistemas posibles en cuanto a la conexión física entre la estación maestra y los demás dispositivos que se controlarán por medio de ella.

Figura 3.7. Conexiones físicas entre el MTU y los distintos dispositivos.

En ocasiones suele ser recomendable preparar una estación submaster con la finalidad de controlar los sitios dentro de un área en específico, en la Figura 3.8 se muestra la arquitectura de una estación submaster; mas no debe de caerse en contradicción, ya que la submaster tendrá funciones distintas en comparación con la unidad terminal maestra y son las siguientes:

Adquirir los datos de cada RTU que se encuentren en un área en específico. Desplegar los datos adquiridos en una estación del operador local. Enviar los datos hacia la unidad terminal maestra. Servir de interfaz entre la unidad maestra y el RTU al tratar de enviar cualquier tipo de

instrucción.


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Figura 3.8. Arquitectura de una estación submaster.

Existen tres funciones básicas que debe de realizar una unidad maestra y que le sirven como distintivo para ser considerada como tal y son:

El establecimiento de las comunicaciones; esto es configurar cada RTU, inicializar cada RTU dentro de los parámetros entrada/salida y por último encargarse del control, transmisión y adquisición de los datos de cada RTU.

Funcionamiento en el enlace de las comunicaciones; en un arreglo amo-esclavo registre los datos que le envíe cada RTU, sean procesados y sea enviada una respuesta hacia el RTU que corresponda.

Los diagnósticos; se encarga de proporcionar información de diagnostico exacta sobre un mal funcionamiento de un RTU y los posibles problemas; por si esto fuera poco, predecir problemas potenciales como por ejemplo las cargas excesivas de datos.

Existen tres componentes dentro del software de la unidad terminal maestra:

El software del sistema operativo. El software del sistema SCADA el cual debe estar configurado correctamente. La aplicación del software SCADA.

Hay también el firmware necesario para un correcto funcionamiento y es conocido como BIOS que actúa como una interfaz entre el sistema operativo y el hardware de la computadora. Acerca de lo mencionado con anterioridad, se pueden mencionar como ejemplos los sistemas MS-DOS, Windows, Windows NT y en los distintos sistemas UNIX.


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El MTU es el encargado de enviar la información a todos los RTU’s que conformen al sistema y por lo regular utiliza el mismo medio y el mismo protocolo que el RTU utiliza para enviarle la información. Las comunicaciones existentes son iniciadas por los programas dentro del MTU el cual puede ser activado por las instrucciones de forma manual por parte del operador, éste procedimiento es muy poco utilizado o por otros programas que conforman al MTU y que comienzan la comunicación con los RTU’s de manera automática, cabe mencionar que éste método es el que se utiliza en un 99%. La unidad terminal maestra no sólo mantiene una comunicación con cada RTU sino también con elementos como copiadoras y CRT’s que conforman la interfaz del operador y para lograrlo utiliza los mismos protocolos que emplea una computadora convencional, ya que en muchos casos los MTU’s son los responsables de enviar los datos que se generan a las computadoras que se encuentran en las distintas áreas que conforman la empresa. En algunos casos se utilizan los protocolos conocidos como propietario, de productos abiertos que se diseñan sobre todo para el sistema de computadoras que usarán las comunicaciones. A éste nivel comunicación (par a par), es más común que se dé la comunicación del amo-esclavo. De los tipos de comunicaciones o protocolos antes mencionadas, las encargadas de realizarlo son las redes LAN’s, las cuales se darán a conocer con mas detalle mas adelante. 3.4.3 Transductores. Los transductores son elementos que tienen como función principal el cambiar una señal, para así obtener una mejor medición de las variables en un determinado fenómeno. Y como definición tenemos la siguiente: “es un dispositivo encargado de transformar un determinado tipo de energía o variable física de entrada (fuerza, presión, temperatura, velocidad, etc.) en una diferente de salida”. Hay que tomar en cuenta que los transductores siempre consumen algo de energía por lo que la señal medida suele resultar debilitada. Es muy utilizado en la industria, en la agricultura, en aeronáutica, en la robótica, en la medicina, etc. Los transductores se conocen con distintos nombres en las diferentes disciplinas técnicas como por ejemplo sensores ya sean de presión, temperatura, velocidad, etc., detectores, galgas, sonda, captadores, etc. Características de un transductor:

Exactitud; al hablar de exactitud nos referimos a que el valor verdadero de la variable se pueda detectar sin errores sistemáticos positivos o negativos en la medición. Al hacer distintas mediciones de la variable, el promedio de error entre el valor real y el valor medido debe de tender a ser cero por ello la medición deber de ser lo mas exacta posible.

Rango de Funcionamiento; éste debe de ser amplio, exacto y preciso en todo el rango

de funcionamiento.

Velocidad de Respuesta; el transductor debe de ser capaz de responder a los cambios de la variable detectada en un tiempo mínimo, lo ideal sería que se tuviese una respuesta instantánea.


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Calibración; el tiempo y los procedimientos necesarios para llevar a cabo la calibración

deben de ser mínimos, no teniendo que hacer la calibración de manera frecuente.

Fiabilidad; debe de ser confiable, esto es, no debe ni puede estar sujeto a fallos frecuentes durante su funcionamiento.

A los transductores los suelen clasificar de maneras distintas, por ello para no crear confusión alguna a continuación se mencionaran las formas mas comunes en que suelen clasificarlos. Clasificación de los transductores dependiendo de la forma de la señal convertida:

Transductores analógicos; son aquéllos que proporcionan una señal analógica continua como por ejemplo el voltaje o corriente eléctrica y cabe mencionar que esta señal puede tomarse como el valor de la variable física que se desea medir.

Transductores digitales; son aquéllos que producen una señal de salida digital ya sea

en la forma de un conjunto de bits de estado en paralelo o formando una serie de pulsaciones que pueden ser contadas, pero en ambas estas señales representan el valor de la variable medida. Las ventajas con las que se cuenta al usar este tipo de transductores es que son más compatibles con las computadoras digitales.

Clasificación de los transductores de acuerdo a su funcionamiento:

Capacitivos; son aquéllos que convierten un cambio de la magnitud que se desea medir en un cambio de capacidad.

Resistivos; convierten un cambio en la magnitud a medir en un cambio en la

resistencia y éste cambio en la resistencia son realizables por distintos medios como por ejemplo a causa de movimientos en el contacto móvil de un reóstato, por aplicación de esfuerzos mecánicos, cambios en la temperatura, etc. Un claro ejemplo lo tenemos en los potenciómetros, las galgas extensiométricos en donde se utilizan la variación de la resistencia eléctrica de los hilos para como mecanismo capaz de detectar las fuerzas a que son sometidas.

Inductivos; son los encargados en convertir un cambio de la magnitud en un cambio de

la autoinductancia de un devanado único. La inductancia de una bobina depende de la forma en que las líneas de flujo magnético atraviesen sus arrollamientos. Los cambios de inductancia pueden efectuarse mediante el movimiento de un núcleo ferromagnético interior al devanado o mediante de cambios de flujo introducidos externamente en un devanado con un núcleo.

Electromagnéticos; convierten un cambio de la magnitud a medir en una fuerza

electromotriz inducida en un conductor debido a un cambio en el flujo magnético en ausencia de excitación, y éste cambio es realizado por un movimiento en el electroimán y un imán o porción de material magnético. Como claros ejemplos tenemos los tacómetros.


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Fotovoltaicos; son transductores activos que convierten un cambio de la iluminación

incidente sobre una unión semiconductora en un cambio en la tensión generada en dicha unión; el ejemplo más representativo es el de las células solares fotovoltaicas.

Fotoeléctricos; se encargan de cambiar la radiación incidente sobre algunos materiales

tales como metales, en emisión de electrones que pueden configurar una corriente eléctrica añadiendo un generador externo y una resistencia.

Termoeléctricos; convierten la diferencia de temperatura existente entre las uniones de

dos materiales distintos seleccionados en un cambio en la fuerza electromotriz generada. Este tipo de transductores, consisten en un par de barras o hilos de metales distintos unidos por uno de los extremos que es el que se utiliza como unión caliente mientras que el otro se utiliza como unión fría o de referencia. La temperatura de la unión de referencia puede ser cualquiera, sin embargo, usualmente se mantiene al punto de hielo aunque para algunas aplicaciones puede utilizarse de manera satisfactoria como referencia la temperatura ambiente. En este caso, hay que corregir el valor observado, sumándole una tensión igual a la que se obtendrá mediante una diferencia de temperaturas igual a la que hay entre la unión de referencia.

Piezoeléctricos; convierten un cambio en la magnitud a medir en un cambio en la carga

electrostática o tensión generada por ciertos materiales algunos cristales como el cuarzo y materiales cerámicos cuando se encuentran sometidos a un esfuerzo mecánico; aunque también se da el fenómeno inverso, cuando se aplica una tensión eléctrica a un material piezoeléctrico se tiene como resultado una deformación. Este principio se puede utilizar en cualquier situación en la que la variable a medir se pueda convertir en una fuerza que resulte en la deformación de un cristal adecuado.

3.4.4 ¿Cómo se transmite la Información en un sistema SCADA? Los sistemas SCADA necesitan un medio de comunicación tanto para poder enviar la información que es recopilada del proceso como para poder recibir las órdenes o ejecuciones del programa, mismas que son decretadas por el operador; para este fin se utilizan distintos medios de comunicación tales como vía red, puertos GPIB, telefónica e inclusive vía satélite, para lograrlo, es necesario contar con computadoras remotas ya sea que se encuentren dentro o fuera del área de producción y que las mismas envíen la información a una computadora central que a su vez ésta computadora central formará parte de un denominado “centro de control y gestión de la información”. Para poder lograr el intercambio de información entre la computadora central y los dispositivos existentes (PLC’s, computadoras, máquinas, sensores, etc.), se requiere de un medio de comunicación de manera física que pueden ser cableados (cable telefónico, cable coaxial, de fibra óptica, etc.) y los no cableados tales como ondas de radio, microondas y comunicación satelital.


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Cada fabricante de un sistema SCADA suele utilizar un protocolo de comunicación distinto no existiendo un estándar para la estructura de los mensajes, aunque si existen estándares internacionales que regulan el diseño de las interfaces de comunicación entre los equipos del sistema SCADA y los equipos de transmisión de datos. Entendiendo como protocolo de comunicación al conjunto de reglas y procedimientos que permite a las unidades remotas y a la computadora central el intercambio de información. Para que se dé una comunicación deben de existir tres elementos fundamentales que son un medio de comunicación sobre el cual se envían los mensajes, un equipo emisor que en tal caso podría ser el MTU y finalmente un equipo receptor para el cual se le puede asociar con los RTU. Tanto el MTU como el RTU tienen la posibilidad de descifrar la señal recibida y logrado esto extraer la información pero la única desventaja es que carecen de una interfaz con el medio de comunicación. En la Figura 3.9 se puede ver la conexión de los equipos con las interfaces para el medio de comunicación; los módems también llamados DCE, Data Communication Equipment (Equipo de Comunicación de Datos), son capaces de recibir la información de los MTU y RTU para hacer los cambios necesarios en la forma de la información y enviarla por el medio de comunicación hacia el otro DCE, el cual recibe dicha información para ser transformada una vez más para así ser leída por el DTE.

Figura 3.9. Conexión de Equipos de Comunicación.

En los sistemas SCADA más comunes la comunicación se da por medio de buses especiales y redes LAN dentro de las cuales existen tres tipos diferentes que son las más utilizadas dentro de la industria y son Ethernet, Token Ring y Arcnet, sin embargo antes de dar una definición de cada una de ellas primero se dará una definición de lo que es una red LAN así como los distintos tipos de topología existentes ya que el funcionamiento como tal de las distintas redes LAN mencionadas con anterioridad se basa en el tipo de topología que habrá de utilizarse según las necesidades de la empresa y características del proceso, puesto que cada una tiene ventajas y desventajas con respecto a las demás. Una red LAN es un sistema de comunicación entre computadoras que permite el intercambio de información, teniendo como característica principal que la distancia entre las computadoras debe de ser pequeña, éste tipo de redes se caracterizan por su tamaño restringido, topología, alta velocidad y por tener una tecnología de transmisión. Otra definición más técnica hace mención que una red LAN es “un grupo de nodos que se comunican entre sí geográficamente en un área limitada, por lo general dentro de un edificio o dentro de un campus de edificios”. Las velocidades que maneja son de entre 10 y 100 Mbps teniendo un bajo índice de errores. Dentro de este tipo de red podemos mencionar a INTRANET, la cual es una red privada que


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utiliza herramientas tipo Internet con la única diferencia que se encuentra disponible solamente dentro de la empresa u organización. 3.4.4.1 Topologías de un sistema de comunicación LAN. El sistema de comunicación LAN cuenta con diferentes topologías (la topología de una red es el patrón de interconexión entre los nodos y un servidor) que son la topología tipo bus, la topología tipo anillo y por último la topología tipo estrella, y que se mencionan a continuación. En la Topología tipo Bus; todos los elementos que constituirán la red se conectan de manera lineal, es decir en serie por medio de un cable conocido como bus o backbone. Una vez que las computadoras se encuentran físicamente conectadas al bus, lo siguiente que debe de realizarse es instalar el software de red en cada computadora. La información que es emitida por un nodo (terminal o servidor), se propaga por todo el bus en ambas direcciones dando como resultado que alcance a todos los nodos; cada nodo de la red debe de encargarse de reconocer la información que es emitida y que recorre el bus para que de esta forma pueda determinar qué información le corresponde a él. Cuando un nodo desea iniciar una transmisión de datos, lo primero que debe de hacer es escuchar el medio para saber si se encuentra ocupado y si se da este caso debe de esperar hasta que el medio se encuentre libre. Si llegase a producirse una colisión, cada una de las estaciones reiniciarán su transmisión pero lo harán de manera tal que haya transcurrido un tiempo aleatorio entre cada una de ellas. La desventaja de utilizar este tipo de topología es que si uno de los enlaces entre cualquiera de las computadoras se rompe la red deja de funcionar, en cuanto a la palabra enlace hacemos referencia al medio por el cual se encuentran unidos físicamente (cable). En la Figura 3.10 se muestra un ejemplo de conexión de la topología tipo Bus. Cabe mencionar que ésta topología es utilizada en redes Ethernet.

Figura 3.10. Topología tipo Bus.

Topología tipo Anillo; en este caso los nodos que componen la red se encuentran de tal forma que crean un anillo cerrado conectados a él mediante enlaces punto a punto, esto es, conectados el uno con el otro. La información es transmitida en una única dirección describiendo una trayectoria circular, dicha información de la red pasa a través de cada nodo hasta que es recibida por el nodo al cual va dirigida.


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En este tipo de topología si existiese un fallo en un nodo éste afectará a los demás nodos que se encuentren conectados dentro de la red, aunque actualmente hay tecnología que mediante conectores especiales permite que la desconexión del nodo averiado para que el sistema siga funcionando. Se cuenta con un dispositivo llamado MAU el cual se encarga de administrar las comunicaciones entre computadoras sólo que éste trabaja con redes Token Ring. El tipo de cableado es económico en comparación con el que se utiliza en otros tipos de topología. En cuanto al anillo éste es fácilmente expandible si se requiriera conectar más nodos, sólo que durante el proceso de conectar más nodos, se debe de interrumpir la operación de la red; si se deseara mover físicamente algún nodo se debe desconectar para mover el nodo y reinstalar otra vez el nodo en su nuevo lugar. En la Figura 3.11 se da a conocer la conexión de una topología tipo anillo.

Figura 3.11. Conexión de una Topología tipo Anillo.

Topología tipo Estrella; todos los nodos que conformarán la red se encuentran conectados directamente mediante enlace punto a punto a una caja de conexiones llamada HUB o concentrador el cual se encuentra localizado al centro de la red, el concentrador tiene como tarea principal la de administrar las comunicaciones entre las computadoras. La ventaja que se tiene con ésta topología es que si una computadora no funciona no afecta a las demás siempre y cuando el servidor no este caído. Las redes que son construidas utilizando este tipo de topologías cuentan con una gran ventaja sobre las de tipo Bus ya que en una topología de tipo Bus el desconectar una computadora tiene como efecto que se colapse toda la red, en cambio en una topología de tipo estrella, se pueden conectar y desconectar computadoras a pesar de que la red se encuentre en operación sin causar ningún problema en la misma. Ésta topología resulta ser una buena elección siempre y cuando se cuente con varias unidades dependientes de un procesador. Hay que mencionar que el punto crítico de falla es el concentrador. El tipo de cable que se utilizan para realizar las conexiones son de par trenzado, coaxial ó de fibra óptica. En la Figura 3.12 se puede apreciar la conexión de la topología tipo estrella.


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Figura 3.12. Conexión de una Topología tipo Estrella.

3.5 Redes LAN más utilizadas en un sistema SCADA Hay de manera general tres tipos de redes LAN que son utilizadas dentro de un sistema SCADA para que exista una comunicación entre computadoras para obtener un intercambio de información y son Ethernet, Arcnet y Token Ring; hay varios factores que se deben de tomar en cuenta antes de elegir algún tipo de red, esto depende en gran medida de las características de nuestro proceso, y tal vez el factor que suele influir mas es el económico ya que como se vera a continuación las redes LAN ya mencionadas presentan diferentes características no solo de manera física sino a funcionamiento y precio. 3.5.1 Ethernet. Es un protocolo estándar de comunicación incorporado en el software y los dispositivos de hardware destinados a la construcción de una red LAN, convirtiéndose en el modelo estándar para las redes de área local en todo el mundo. Esta tecnología comenzó a ser desarrollada en el año 1972 y utilizada por primera vez en 1973 con una velocidad de trabajo de 2.94Mbps, pero para lograr obtener una velocidad de 10Mbps, las especificaciones formales de Ethernet fueron desarrolladas en conjunto por las corporaciones Xerox, Digital e Intel y publicadas para 1980. Las comunicaciones se logran gracias a un driver de comunicación que contenga el mismo protocolo de comunicación que los PLC’s utilicen. Un ejemplo claro de las ventajas y desventajas de éste tipo de red son dadas a conocer de manera visual en las Figuras 3.13 y 3.14 en donde se muestra la forma de conexión de los elementos antes y después de la aparición de Ethernet; ya que antiguamente cada fabricante diseñaba su propia tecnología LAN para sus PLC’s ocasionando con esto de que si en una fábrica se tenían instalados PLC’s de diversos proveedores, se necesitaba comprar a cada fabricante su tecnología LAN.


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Figura 3.13. Sin red Ethernet.

En cambio con la introducción de Ethernet, nos da la oportunidad de aprovechar la infraestructura que se encuentre en la fábrica utilizando tecnologías de red estandarizadas y que son económicas, ya que todas las computadoras que utilicen software HMI / SCADA se pueden conectar con cualquier PLC seleccionando solamente el driver más adecuado para entablar la comunicación (Figura 3.14).

Figura 3.14. Utilizando Ethernet.

La arquitectura Ethernet nos ayuda para obtener una detección de errores mas no para la corrección de los mismos; siendo que no cuenta con una unidad de control central, todos los mensajes son transmitidos por medio de la red a todos los dispositivos; cada dispositivo es responsable de reconocer su propia dirección y aceptar los mensajes dirigidos a ella.


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Este tipo de redes, pueden estar conectadas físicamente hablando de forma inalámbrica, para este caso se utilizan las ondas de radio de dos vías de comunicación inalámbrica con un HUB, utilizando tarjetas inalámbricas, aunque este tipo de redes son más flexibles de usar, requieren un cuidado especial en la configuración de seguridad. Los elementos de una red Ethernet son la tarjeta de red, los repetidores, los concentradores, los conmutadores, los nodos de red y por último el medio de interconexión. La tarjeta de Interfaz de red (NIC) permite que una computadora tenga acceso a una red local, cada tarjeta tiene una única dirección MAC que le permite ser identificada en la red, cabe mencionar que una computadora conectada a la red se le denomina nodo. El repetidor se encarga de aumentar el alcance de una conexión física recibiendo las señales para después retransmitirlas todo esto con la finalidad de evitar su degradación que se pudiera presentar a través del medio de comunicación, utilizado para unir dos áreas locales que tengan misma tecnología teniendo solamente dos puertos. El puente es el elemento encargado de interconectar los segmentos de la red haciendo el cambio de tramas entre las redes basado en una tabla de direcciones que le dice en qué segmento se encuentra ubicado una dirección MAC. El concentrador o HUB tiene el mismo principio de funcionamiento de un repetidor sólo que el concentrador permite la interconexión de varios nodos, para ser más exactos, su funcionamiento consiste en recibir una trama de Ethernet por uno de sus puertos y la repite por todos sus puertos restantes sin ejecutar ningún proceso sobre las mismas. Para el conmutador funciona como el puente solo que a diferencia de éste el conmutador permite la interconexión de varios segmentos de red, las velocidades a la que funciona es mucho más rápida y más sofisticado; otra función que pueden realizar es como redes virtuales y permiten su configuración a través de la propia red. Tipos de Ethernet. Los tipos de Ethernet, se definen dependiendo del rango y del tipo de cable que pueden usarse basados en la norma IEEE 802.3; dentro de ésta se encuentran contemplados los cables de par torcido, el cable coaxial y el cable de fibra óptica; en esta norma se hace referencia a las diferentes velocidades de transmisión y que van desde 1Mbps hasta los 10Mbps que pueden utilizarse en cuanto al tipo de banda ya sea normal o banda ancha. Los distintos tipos de Ethernet utilizados son: 10 Base 5; este es un sistema del cable coaxial y utiliza el cable original para los sistemas de Ethernet el cual es conocido con el nombre de “Thicknet”. El cable coaxial tiene una impedancia característica de 50 ohm y por lo regular el color característico del mismo es amarillo o naranja. Se le denomina 10Base5 porque la velocidad de transmisión que maneja es de 10Mbps y segmentos de 500 metros de longitud.


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Este tipo de sistema es muy difícil de trabajar ya que no puede tomarse directamente del nodo, y para solucionar este problema lo que se hace es realizar un cableado desde la bandeja hasta el transceiver electrónico (de la unidad MAU). Desde ahí, un cable que sirve de intermedio conocido como una interfaz de unidad de atadura (AUI), el cable es usado para conectar al NIC (Figura 3.15). Para este cable es recomendable que cuente con una longitud máxima de 50 metros; el cable del AUI, internamente se encuentra constituido por 5 pares tapados de forma individual, dos son utilizados para el mando y los datos, dos mas para la transmisión y la recepción y el último se emplea para la fuente de poder.

Figura 3.15. Cable AUI.

La conexión del MAU al cable puede hacerse cortando el cable e insertando un conector-N y un Tee coaxial, ésta conexión mecánica va sujeta directamente por encima del cable; la conexión eléctrica es hecha por una sonda que conecta al conductor del centro y los dientes afilados que de manera física perforan la vaina del cable para conectarse. En la Figura 3.16 se muestran los componentes del hardware de Ethernet 10Base5. La situación de la conexión es importante de tomarse en cuenta, esto para evitar las múltiples reflexiones eléctricas delante del cable, el cable “Thicknet” debe de ser marcado cada 2.5 metros con un anillo en color negro o castaño para indicar en donde debe ponerse un tap.

Figura 3.16. 10Base5 Componentes del hardware.


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Si este tipo de arquitectura se usa, hay ciertos requisitos que deben cumplirse tales como:

Cada segmento debe de estar a menos de 500 metros uno del otro para así evitar que la señal que se transmite sea débil.

No debe de haber más de 100 taps en cada segmento. Los taps deben de colocarse a una distancia de 2.5 metros entre cada uno de ellos. El cable debe de soportar una resistencia de 50 ohms o emplearse un cable con una

resistencia diferente dependiendo el uso que se le quiera dar. EL cable no debe de doblarse a un radio que exceda los 25.4cm o 10 pulgadas. La parte final del cable siempre debe de ir a tierra.

El cable conocido como “Thicknet” se usó de manera frecuente hasta el año 1995 ya que era considerado como soporte para este tipo de sistemas, pero a partir de la incorporación de Ethernet 10BaseT y con ayuda del cable de fibra óptica, eso ha quedado atrás. Cuando un MAU (tap) y el cable del AUI se utiliza, el borde del transceiver en el NIC no se emplea, de hecho existe un transceiver dentro del MAU y este se alimenta de la energía eléctrica del NIC lográndolo con ayuda del cable del AUI. Para que esto se entienda de una mejor manera, a continuación se muestra el diseño físico de una red Ethernet 10Base5 (véase Figura 3.17).

Figura 3.17. Diseño físico, Ethernet 10Base5.

10Base2; es otro tipo de cable coaxial utilizado en las redes Ethernet y comúnmente llamado “Thinnet” o en ocasiones “thinwire Ethernet”. De manera más técnica, el tipo de cable utilizado es un RG-58 A/U o C/U, con una impedancia característica de 50ohm y un diámetro de 5mm. El cable normalmente es conectado al los nodos del NIC por medio de un BNC T-pieza conector. Antes de emplear este tipo de sistema, se deben de cumplir con ciertos requerimientos, los cuales son:

La longitud máxima de un segmento del cable debe de ser de 185 metros y para NOT de 200 metros.

No deben de conectarse más de 30 transceivers por cada segmento utilizado. La impedancia de 50ohm debe de ser constante.


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Debe de haber un espacio mínimo de 0.5 metros entre nodo y nodo. El radio de la curvatura debe de ser mínimo de 5cm. No debe de usarse como un segmento el eslabón que hay entre dos segmentos

“Thicknet”. El uso del cable Thinnet era y es usado de manera frecuente en la industria y esto se debe a su bajo costo y la facilidad con la que se hace una red de este tipo. Sin embargo, existen ciertas desventajas que deben de ser consideradas, una de ellas y tal vez la mas importante es que si existe una falla en un cable, todo el sistema puede “derrumbarse” de manera rápida; para evitar tal problema, el cable a menudo se toma de los conectores hacia la pared con ayuda de otro conector incorporado conocido como make-break. En la Figura 3.18 se muestra el diseño físico de una red Ethernet 10Base2.

Figura 3.18. Diseño físico, Ethernet 10Base2.

10BaseT; los 10BaseT normal, conectan una red de computadoras, utilizando el tipo de cable AWG24 UTP (unshielded twisted pair) para la conexión al nodo. La topología física es de tipo estrella en donde los nodos son conectados a un HUB o también llamado concentrador. Concentrators puede conectarse a un cable principal el cual puede ser coaxial o de fibra óptica; el cable que va conectado al nodo puede ser de categoría 3 o 4 aunque se recomienda que se utilice el de categoría 5 para todas las instalaciones. El cable del nodo tiene una longitud máxima de 100 metros y consiste en dos pares uno utilizado para recibir y el otro para transmitir conectándose en forma de enchufe con los RJ-45. El HUB puede ser considerado internamente como un bus local y así la topología se considera aun como una topología de bus lógica. En la Figura 3.19 se muestra de manera esquemática cómo los nodos de la red Ethernet 10BaseT se interconectan al HUB.


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Las fallas son detectadas por el NIC y de esta manera la señal de entrada debe de ser transmitida por el HUB hacia todas las salidas. Desde el punto de vista electrónico, se debe de tener la certeza de que la señal más fuerte transmitida en el HUB no interfiera con la señal de entrada más débil; este efecto es conocido como la diafonía del fin lejana (FEXT) y para resolver este problema se utiliza la diafonía eco cancelación utilizando para ello circuitos especiales y que obviamente se pueden adaptar al sistema. Desventajas:

El cable no es muy resistente al ruido electrostático y por ende no es recomendable usarlo en ambientes de tipo industrial.

El cable es de bajo costo, pero se debe de tener en consideración la cantidad de HUB a utilizar.

La distancia del cable que va conectado desde el nodo hasta el HUB se limita a100 metros.

Ventajas del sistema:

Actualmente hay HUB’s inteligentes, los cuales determinan que segmento del HUB recibe la información, gracias a esto se mejora la seguridad en la red.

Pueden instalarse los flood en un nuevo edificio mientras se proporciona los espacios indicados para la instalación eléctrica, obteniéndose con esto una gran flexibilidad para la expansión futura.

Figura 3.19. Conexión esquemática de una red Ethernet 10BaseT.


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10BaseF; esta norma igual que los 10BaseT normal, se basa en una topología de tipo estrella que utiliza la instalación eléctrica de los HUB’s, la norma real ha tardado en actualizarse debido al trabajo y al desarrollo en otras áreas; la última actualización que se tuvo de esta norma fue en Septiembre de 1993, en donde se hace referencia a tres arquitecturas dentro de la 10BaseF y son:

10BaseFL 10BaseFP 10BaseFB

10Broad36; este tipo de arquitectura se encuentra incluida dentro de la norma 802.3, sin embargo ya no es instalada en los sistemas actuales, ya es obsoleta; utiliza un cable coaxial de 75ohm para la transmisión. Cada transceiver transmite en una determinada frecuencia y recibe en una totalmente diferente, los Tx/Rx requieren de una banda ancha de 14 MHz y 4MHz adicionales para la detección y realización de un reporte de las fallas que se pudieran suscitar, aunque como requisito se tiene que tener en total 36MHz. La longitud máxima del cable es de 1800 metros. 1Base5; como en el caso anterior ésta arquitectura se encuentra incluida dentro de la norma 802.3, resultando de igual manera obsoleta. El HUB utiliza como medio de transmisión un UTP, teniendo como longitud máxima 500 metros, la velocidad de transmisión es de 1Mbps, por ende si se deseara una velocidad mayor como por ejemplo de 10Mbps se necesitaría cambiar ésta arquitectura por una 10BaseT. 3.5.2 Token Ring. Este tipo de red fue creada en los años 70’s por IBM, teniendo una topología tipo anillo y una técnica de acceso de la información conocida como “paso de testigo”. Los datos son transmitidos a una velocidad de 4 a 16 Mbps, siendo que la velocidad dependerá sobre el tipo de cableado que se utilizará en la red. Comprendiéndose que todas las estaciones de trabajo que se encuentren conectadas a este tipo de red deberán de estar configuradas con la misma velocidad para que la misma funcione. Todas las estaciones de trabajo (computadoras) son conectadas por medio de un cable par trenzado pudiendo estar blindado o no y a su vez a un concentrador conocido como MAU (Media Access Unit), siendo este último el que contiene internamente el anillo. Si el cable se llegara a romper en algún lugar el anillo como tal desaparece, es decir el sistema deja de funcionar, para ello se utiliza un centro de cableado en forma de estrella llamados MAU que nos permiten detectar y corregir de manera automática cualquier falla en el cableado ya que si se llegara a romper el anillo se puede continuar operando si se puntea el segmento dañado. En la Figura 3.20 se muestra la conexión de ésta red, sin embargo no debe caerse en el error ya que de manera física la conexión quedará con una topología tipo estrella como se muestra en la figura, pero la topología lógica que es la que influirá en cuanto al funcionamiento es de tipo anillo.


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Figura 3.20. Conexiones de la red Token Ring.

El funcionamiento es relativamente sencillo de explicar y como ya se había mencionado la técnica que utiliza ésta red para transmitir la información es conocida como “paso de testigo” y consiste en que una sola estación de trabajo puede transmitir información en cualquier momento pero solamente lo logrará si en ese instante posee el Token (testigo) siendo éste el encargado de poder dar los permisos para transmitir los datos. El Token debe de encontrarse vacío para que de esta forma tome e introduzca los datos a transmitir, hecho lo anterior, el Token activa una señal indicando que el bus se encuentra ocupado, después de esto la estación de trabajo que va a transmitir la información, envía el Token con los datos hacia su destino. La estación que mandó la información puede corroborar si el Token logró entregar la información a la “estación destino” con lo que se conoce como Acuse de recibo el cual es mandado por la computadora que recibió la información y que no es otra cosa que un mensaje en el cual se indica que los datos fueron recibidos correctamente todo esto por medio del Token. Por último el Token es liberado para que pueda ser usado por cualquier computadora. Si el Token se encontrase ocupado y en ese momento otra estación de trabajo deseara enviar información, se le enviará un comando de espera antes de darle entrada a la nueva petición. El Token pasa de máquina a máquina en una sola dirección a lo largo de la red, por ende no se necesita especificar una ruta ya que cada paquete de información es transmitido a la estación de trabajo siguiente y así sucesivamente hasta que llegue a su destino; así si una estación de trabajo desea emitir información a otra estación de trabajo (receptora) pero si ésta se llegase a encontrar detrás de la estación de trabajo (emisora), el Token deberá de dar toda la vuelta hasta que llegue a su destino. La eficiencia de dicho sistema consiste en que las comunicaciones viajan siempre en una sola dirección por ende, sólo se permite que una sola información a la vez se encuentre viajando por el cable en un determinado momento. Y la única desventaja que se puede observar es que si algún nodo de la red se encuentra en mal estado o simplemente no sirve la comunicación en todo el anillo se vuelve obsoleta.


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La MAU es un concentrador de dispositivos en estrella, permitiendo establecer la topología en estrella de manera física a partir del anillo lógico tal y como se muestra en la Figura 3.21. Conteniendo un pequeño transformador de aislamiento para cada dispositivo que se encuentre conectado, brindándonos con ello protección ante las interferencias. Las MAU que se utilizan de manera común son aquéllas que tienen 8 puertas para conectar terminales, con esto estamos diciendo que a cada MAU se puede conectar 8 estaciones de trabajo (en este caso computadoras), teniendo otras 2 puertas una de entrada y otra de salida ya que con éstas dos últimas nos ayudan para poder extender el anillo si así se desea.

Figura 3.21. Conexión física en Estrella a partir del Anillo Lógico.

Si se llegara a superar el número máximo de estaciones de trabajo que se pueden conectar a una MAU se pueden añadir otras MAU y éstas se deben de conectar entre sí en forma de anillo tal como se muestra en la Figura 3.22 en donde los Patch cables sirven para conectar entre sí las MAU’s y los Lobe cables conectan a las estaciones de trabajo con las MAU. El cable que se conecta del MAU a la estación de trabajo puede tener una longitud máxima de 100 metros si se utiliza un cable Par Trenzado blindado ó de 45 metros si no es blindado; se debe hacer mención a que la longitud total de la red no debe superar los 366 metros. Comparando a Token Ring con Ethernet en cuanto a redes pequeñas a medianas con tráfico de datos pesados e refiere Token Ring es más eficiente. En cuanto a la implementación en esta red, es posible diseñar anillos que nos permitan saltar a un nodo que esté fallando para que la misma no tenga problema alguno y no se pierdan datos ni tiempo. Económicamente hablando las redes Token Ring resultan ser más caras que las Ethernet, con la única ventaja que las redes Token Ring son más estables.


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Figura 3.22. Conexión Física entre los MAU y estaciones de trabajo.

Token Ring cuenta con varios mecanismos para lograr detectar y posteriormente corregir las distintas fallas que se pudiesen presentar dentro del funcionamiento de la red; como por ejemplo se puede escoger cualquier estación de trabajo que se encuentre dentro de la red para que realice la función de “monitor de la red”; ésta se encargará de centralizar los recursos en base a sistemas de mantenimiento para las estaciones y a los tiempos, siendo una de las funciones principales la de detectar, remover los frames que han originado una falla y los cuales circulan en el anillo y hecho lo anterior generando un frame nuevo. 3.5.3 Arcnet (Attached Resource Computer Network). Esta red de área local fue desarrollada por Datapoint Corporation durante los años 70’s y es parecida en cuanto a la forma de transmitir la información con la red Token Ring ya que también utiliza la técnica conocida como “paso de testigo” para ese fin. Arcnet fue introducida al mercado de redes como la solución a los distintos problemas que solía presentar la red tipo estrella como son la limitación de estaciones de trabajo, la separación existente entre el servidor y las estaciones de trabajo, etc. La topología lógica que utiliza es de tipo bus y la topología física que utiliza es de tipo estrella, de hecho son una serie de redes estrella que se comunican entre sí, tal y como se muestra en la Figura 3.23, cabe mencionar que la distancia máxima que puede haber entre el servidor con cada una de las estaciones de trabajo que conformarán la red es de 1200 metros. Nos facilita en gran manera la instalación de las estaciones de trabajo sin que se tenga una disminución de la velocidad del sistema ya que se cuenta con más de un servidor de red y aunado a lo anterior, con las tarjetas de interfase nos permite instalar hasta 128 estaciones de trabajo por cada servidor que sea conectado a la red. El tipo de cable que se utiliza de manera común para realizar este tipo de conexión es el RG-62 coaxial siendo bastante caro ya que no solamente se utiliza para conectar esta red entre sí sino que también es utilizado por IBM para la conexión de sus computadoras 3270, dándonos


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una ventaja si es utilizado este tipo de cable ya que se puede instalar una red conocida como “Novell” permitiéndonos utilizar dos tipos de repetidores el activo y el pasivo. En la actualidad la mayoría de placas de red permiten el uso de “par trenzado” ofreciéndonos una solución práctica si se utiliza este tipo de red en distancias cortas; los segmentos de cable Arcnet se conectan a placas y HUBS utilizando conectores BNC giratorios. Soporta una velocidad de transferencia de hasta 2.5 Mbps; cada nodo de la red se encuentra conectado a un concentrador (HUB) activo o a uno pasivo, esto se utiliza cuando se desea distribuir las estaciones de trabajo desde un punto central. Un HUB activo nos da la facilidad de conectar nodos a una distancia de hasta 609 metros, teniendo 8 puertos de conexión, mientras que en uno pasivo la distancia máxima es de 30 metros, con 4 puertos. Entre dos HUB’s pasivos no se puede hacer una conexión directa, en cambio, entre dos HUB’s activos si es permisible definiendo una distancia máxima de conexión de hasta 6 Km., siendo posible hacer una conexión efectuando una combinación de ambos. El concepto HUB nos ofrece un método único para conectar las distintas estaciones de trabajo ya que se pueden usar HUB activos para distribuir las estaciones por distintos departamentos y el HUB activo de cada departamento se puede conectar a un tramo principal con la finalidad de así crear una red extendida.

Figura 3.23. Conexión en serie de redes tipo Estrella para Arcnet.

Como se mencionó con anterioridad para que la red Arcnet transmita información hacia las distintas estaciones de trabajo se utiliza el paso de testigo en donde éste no circula por un anillo físico sino dentro de un anillo lógico. Para poder acceder a la red cada estación de trabajo tiene asignado un número y el testigo pasa a cada estación en orden numérico, no importando que las estaciones se encuentren conectadas en ese mismo orden. Características:

Es la red con el hardware más barato. Velocidad máxima de transmisión de 2.5 Mbps. Número máximo de nodos en la red de 255; aunque en la mayoría de las aplicaciones

se recomienda no exceder de 100 dispositivos para tener un óptimo funcionamiento.


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Los nodos de manera automática buscan a aquel nodo que se encuentre más cercano para de esta manera crear un anillo.

Esquema de acceso al medio “Token Passing” (paso de testigo). Cuenta con reconfiguración automática; esto es, que un nuevo nodo se une al anillo sin

intervención de un software. Multi Master con la generación automática de Token. Chips de bajo coste. Diferentes opciones de cableado.

Beneficios:

Es utilizado en la industria para aplicaciones de alta velocidad. Multi Master permite la igualdad de acceso a todos los nodos. Softwares conductores son impulsadas por paquete. Alta inmunidad al ruido. Embedded utilizados en el diseño para la comunicación entre los controladores. Simple y bajo costo en cuanto al diseño de hardware se refiere, ya que se trata de un

chip transceptor. Sencillo de manejar ya que no se requieren de herramientas de desarrollo.

3.6 Tipos de Cables. En este elemento recae el que se tenga una óptima comunicación y por ende un rendimiento mayor del proceso; debe de escogerse de manera adecuada el tamaño y el tipo correcto de cable, para el tamaño, se debe de basar en los requisitos dependiendo de la aplicación en la cual se vaya a utilizar, mientras que en el caso del voltaje se debe de igualar o exceder dependiendo del voltaje que se desee ocupar dentro del circuito. Cuando ya se tenga el tipo y especificación del cable, lo siguiente es basarse en la susceptibilidad al ruido, a la transmisión de los datos y en los componentes del sistema. Cabe mencionar que la susceptibilidad al ruido de los componentes del sistema por lo general viene especificados por los fabricantes del equipo. Hoy en día existen muchos tipos de cables que son utilizados en los sistemas de comunicación de datos, sin embargo, los que se emplean de forma común para este propósito son los two wire open schemes (de dos sistemas de cable abierto), de par torcido, cable coaxial y de fibra óptica, cada uno de estos tipos de cables tienen características mecánicas, conveniencia en cuanto a la instalación y costos diferentes unos de otros. Los cables de “líneas de alambre abiertas”, de par torcido y coaxial, son manufacturados con conductores de cobre y revestidos con un aislamiento de plástico. Este tipo de construcción combina los elementos mas importantes como son las características eléctricas con una buena flexibilidad mecánica, aunado a lo anterior se cuenta con una fácil instalación y un bajo costo. El cable de fibra óptica es tecnológicamente muy diferente al anterior ya que usa un rayo de luz el cual es transmitido hacia las fibras de vidrio, raramente se usan los conductores de aluminio para la comunicación de los datos debido a su resistencia más alta y otras limitaciones físicas como la falta de flexibilidad.


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Para los cables de cobre la resistencia que se tenga depende del área medida en mm2 del conductor y la longitud del cable; esto es, en cuanto mas espeso sea el conductor, mas baja será la resistencia. La señal del voltaje depende de:

La línea actual; depende del receptor, esto es, de la entrada y salida de la impedancia. La resistencia del conductor; depende del tamaño y la longitud del alambre.

Para obtener un óptimo funcionamiento en la comunicación de los datos se debe de escoger el tipo y el tamaño mas adecuado del cable para la aplicación. Las reglas generales que se presentaran a continuación, son usadas en la mayoría de las aplicaciones existentes para la comunicación de datos, aunque se hace mención que en la actualidad existen muchos tipos de cables de par torcidos que tienen un buen desempeño y que en los cuales puede o no aplicarse las reglas siguientes:

Si se desea tener una baja velocidad en la transmisión de la información se debe de usar un tipo de cable que tenga una baja frecuencia como por ejemplo el cable de par torcido.

Si se desea tener una alta velocidad en la transmisión de la información se debe de usar un tipo de cable que tenga una alta frecuencia como por ejemplo el cable coaxial, de fibra óptica o un cable de par torcido de buena calidad.

Los cables resistentes a la interferencia del medio ambiente son aquéllos que están revestidos de cobre o los de fibra óptica.

Otra consideración muy importante que debe de tomarse en cuenta al momento de elegir un cable es su tipo de aislamiento exterior el cual le sirve de protección. Por ejemplo un cable puede tener las siguientes opciones:

Por debajo del aislamiento plástico, el cable se encuentra envuelto por una fina cinta de aluminio, proporcionándonos así una barrera protectora para la humedad, ya que si no tuviera este recubrimiento de aluminio la humedad penetraría el plástico después de un cierto período de tiempo.

Exteriormente cubierto de acero blindado para las áreas en donde se tiene un excesivo calor, en donde exista la posibilidad de una falla mecánica o inclusive de fuego.

Relleno con una ligera capa de petróleo, proporciona una buena protección en contra de la humedad.

Exteriormente cubierto con nylon proporciona protección contra roedores, además de que suministra una envoltura resbaladiza para facilitarnos la instalación en los conductos.

Cables plenum, hecho con el non del aislamiento tóxico para la instalación en non áreas de respiradero, si se llegase a incendiar no produce ningún tipo de gas que sea venenoso.

3.6.1 Two wire open lines. Son los tipos más simples de cables en cuanto a medios de comunicación y transmisión se refiere, es un tipo de cable cobrizo en donde cada uno se encuentra aislado del otro. Para la transmisión digital el esquema se limita a las proporciones de transmisión de 19kbps por encima de un rango de 50 metros y es susceptible al ruido espurio. Si un esquema de la


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modulación analógico se usa (FSK) entonces las distancias de varios cientos de kilómetros son posibles para el poste en donde se montó los sistemas de alambre abiertos. Las velocidades por arriba de 9600 baudios generalmente son posibles sin embargo aun son susceptibles al ruido. 3.6.2 Cable de par torcido. Los cables de par torcido son la solución más barata para la transmisión de los datos, manejando una velocidad de 1Mbps por 300 metros en cuanto a longitud máxima del cable (entre mayor sea la distancia menor la velocidad de transferencia de los datos), por lo tanto en algunos casos es mejor que se maneje una velocidad superior a los 10Mbps. El cable de par torcido pueden ser de dos tipos que son los STP (shielded twisted pair) y UTP (unshielded twisted pair). Existen pruebas que se han realizado en un ambiente de fabrica utilizando velocidades de transmisión que van desde los 100, 200 y hasta 500Mbps y en las que se ha tenido éxito es en las de 100 y 200Mbps, aunque también se han llevado cabo experimentos en laboratorio con velocidades de 1Gb en distancias cortas. El cable de par torcido se encuentra hecho de dos conductores idénticos aislados que son torcidos en toda su longitud, teniendo un número especifico de torceduras por metro, comúnmente son 40 torceduras por metro (o 12 torceduras por pie), se realiza esta torsión para así disminuir el efecto de la inducción electromagnética y electrostática. Una capa de tierra se pone a menudo alrededor de ellos para disminuir el ruido que se produce de manera electrostática. Debido al aumento rápido en los años 70’s del cable de par torcido para la aplicación de la comunicación de datos, el EIA desarrolló un sistema enfocado en la instalación eléctrica y selección de los cables UTP que son usados en la comunicación de datos, en base a normas y reglamentos; dividiendo a los cables UTP en 5 categorías las cuales se dan a conocer a continuación:

CATEGORIA 1 UTP Baja velocidad de datos y tono analógico. CATEGORIA 2 UTP Para datos ISDN. CATEGORIA 3 UTP Alta velocidad en la transmisión de datos y LAN. CATEGORIA 4 UTP La distancia extendida LAN. CATEGORIA 5 UTP La frecuencia extendida LAN.

Para hacer las conexiones de comunicación de datos a los módems, a las unidades de telemetría o al equipo de la computadora, se utilizan de forma común los conectores múltiples como por ejemplo de 9 pines, 15 pines, 25 pines, 37 pines, 50 pines, etc. Los conectores comúnmente son clasificados de la forma siguiente:

El tipo, el material con el cual se encuentra hecho o la especificación del conector. El número de pines asociados o conexiones. El género, es decir si es macho o hembra. El tipo de montado (enchufe o tapón).

Por ejemplo un conector que es de uso frecuente es el DB-25 SM en donde “D” nos especifica el tipo, el numero “25” el numero de pines y “M” que es macho.


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Existen distintos tipos de conectores usados por los fabricantes de computadoras como IBM, Hewlett Packard, Wang, Apple, etc., y por aquellos fabricantes de copiadoras, de equipo de radio, módems, instrumentación y actuadores, por ende solo se dará a conocer aquellos que son utilizados con mayor frecuencia en las áreas mencionadas con anterioridad:

DB-9, DB-15, DB-25, DB-37, DB-50. Amphenol de 24 pines. Cetronics de 36 pines. Telco de 50 pines. Berg de 50 pines. RJ-11 4-wire. RJ-11 6-wire. RJ-45 8-wire. DEC MMJ. M/34 (CCITT V.35). M/50.

Hay una amplia gama de conectores de tipo DIN, IEC, BS, y muchos otros para audio, video y aplicaciones de la computadora. Con todos éstos el requisito principal es asegurar la compatibilidad con el equipo a usar; los tipos de conectores que deben de usarse por lo general son recomendados en las especificaciones del fabricante. En la Tabla 2 se muestra las características eléctricas definidas para los cables y los conectores que se usan para las categorías 3, 4 y 5 de los cables UTP. Categoría

3 ≤ 10 MHz

Categoría3 ≥ 10 MHz

Categoría4 ≤ 10 MHz

Categoría4 ≥ 10 MHz

Categoría5 ≤ 10 MHz

Categoría 5 ≥ 10 MHz

Categoría5 ≤ 100

MHz Conector Atenuación (dB)

0.4

0.4

0.1

0.2

0.1

0.2

0.4

Impedancia del Cable (ohms)

100

100

100

100

100

100

100

Cable Atenuación (dB / km)

26 (1MHz)

98 (10MHz)

131

21 (1MHz)

72 (10MHz)

89 (16MHz)

102 (20MHz

20 (1MHz)

6.6 (10MHz)

82 (16MHz)

92 (20MHz)

220

Impedancia Patch Cord (ohms)

100

100

100

100

100

100

100

Patch Cord Atenuación (dB / km)

25 (1MHz)

98 (10MHz)

131

26 (1MHz)

98 (10MHz)

131

26 (1MHz)

98 (10MHz)

131

131

Tabla 2. Características eléctricas para cables y conectores.


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3.6.3 Cable Coaxial. Es un cable eléctrico hecho por dos conductores concéntricos, uno central o también llamado núcleo que se encuentra formado por un hilo sólido o trenzado de cobre y uno exterior en forma de tubo o vaina y constituido por una malla trenzada de cobre o aluminio; en comparación con otros tipos de cable resulta barato, flexible, ligero y muy fácil de manejar. En los años 80’s este tipo de cable fue el más usado pero bastante sencillo intervenir la línea para así obtener información de los usuarios sin su consentimiento. En la Figura 3.24 se puede apreciar la estructura de un cable coaxial.

Figura 3.24. Cable coaxial.

De manera general un cable coaxial consta de los siguientes elementos:

Apantallamiento; es el trenzado o la malla de metal (u otro material) que rodea algunos tipos de cable, su función es la de proteger los datos transmitidos de las señales electrónicas espúreas o también llamadas ruido ya que no logran pasar por el cable y por ende no se tiene una distorsión en los datos transmitidos. Hay cable con apantallado doble y es cuando contiene una lámina aislante y una capa de apantallamiento de metal trenzado; aunque para entornos que se encuentran sometidos a una gran cantidad de interferencia lo más recomendable es que se use un cable con apantallamiento cuádruple en donde tiene dos láminas aislantes y dos capas de apantallamiento de metal trenzado.

Núcleo; es el encargado de transportar las señales electrónicas que forman los datos y

puede ser sólido (normalmente de cobre) o de hilos. Lo que rodea al núcleo es una capa de aislante dieléctrica que la separa de la malla de hilo; la malla de hilo trenzada actúa como masa protegiendo al núcleo del ruido eléctrico y de la intermodulación. Lago de tomarse muy en cuenta es que el núcleo y la malla de hilo deben de encontrarse separados uno del otro ya que si no fuera así, el cable tendría un cortocircuito ocasionando que el ruido y las señales que se encuentren perdidas en la malla circulen a través del cable provocando con ello una falla en el dispositivo y por ende que se pierdan los datos.

Cubierta exterior; es una cubierta no conductora así que se encuentra hecha de goma,

teflón o plástico rodeando al cable por fuera. El cable coaxial es más resistente a interferencias y atenuación que el cable de par trenzado.


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Tipos de cable coaxial:

Cable Thinnet; tiene 0.64 cm. de grosor y se puede utilizar en la gran mayoría de los tipos de instalaciones de redes ya que es un cable flexible y sencillo de utilizar. Logra enviar una señal a una distancia aproximada de 185 metros antes de que la señal comience a sufrir atenuación. Thinnet está incluido en un grupo al cual se le denomina RG-58 teniendo una impedancia de 50 ohm, teniendo como característica principal el núcleo central de cobre y los diferentes tipos de cable de esta familia son RG-58/U (núcleo de cobre sólido), RG-58 A/U (núcleo de hilos trenzados), RG-58 C/U (especificación militar de RG-58 A/U), RG-59 (transmisión en banda ancha), RG-60 (mayor diámetro y considerado para frecuencias más altas que RG-59) y el RG-62 (utilizado para redes Arcnet).

Cable Thicknet; es rígido de 1.27 cm. de diámetro, el núcleo de cobre de éste cable es

más grueso que el que tiene el cable Thinnet ya que cuanto mas sea el grosor del núcleo más lejos se podrá transportar la señal, ya que el cable Thicknet puede transportar una señal a 500 metros y debido a la gran ventaja con la que cuenta en ocasiones se emplea como enlace central o backbone para conectar varias redes más pequeñas basadas en Thinnet.

Cloruro de Polivinilo (PVC); es un tipo de plástico utilizado para construir el aislante y

la clavija del cable en la mayoría de los tipos de cable coaxial. El cable coaxial de PVC es flexible y se puede instalar fácilmente a través de la superficie de una oficina, aunque cuando se quema desprende gases tóxicos.

Plenum; el cableado de tipo plenum contiene materiales especiales en su aislamiento y

en la clavija del cable, los cuales están certificados como resistentes al fuego y gracias a ello producen una mínima cantidad de humo reduciendo con ello el humo tóxico. El cable plenum se puede utilizar en espacios plenum y sitios verticales sin conductos. Aunque éste tipo de cable resulta ser más caro y menos flexible que el PVC.

Un espacio plenum es el espacio muerto que hay en muchas construcciones entre el falso techo y el piso de arriba utilizado para que circule el aire frío y caliente a través del edificio. Cabe mencionar que existen normas muy específicas en cuanto al tipo de cableado que se puede utilizar en esta zona ya que cualquier tipo de humo o gas en la zona plenum se puede mezclar con el aire que se respira dentro del edificio. En base a los tipos de cables mencionados con anterioridad, los cables mas gruesos son más difíciles de manejar; el cable fino es más flexible, fácil de instalar y barato. El cable grueso no se puede doblar con facilidad y por tanto es más complicado de instalar, siendo éste un factor de suma importancia cuando una instalación necesita llevar el cable a través de espacios estrechos como conductos y canales. Por último el cable grueso es más caro pero tiene una gran ventaja sobre el cable fino y es que logra transportar la señal más lejos. En la Tabla 3 se dan las distintas características de los cables de la familia RG.


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Tipo Impedancia

(Ω ) Núcleo Dieléctrico Diámetro Trenzado Velocidad

tipo (in) (mm) (in) (mm)RG-6/U

75 10 mm Sólido PE

0.185 4.7 0.332 8.4 Doble 0.75

RG-6/UQ

75 Sólido PE

0.298 7.62

RG-8/U

50 217 mm Sólido PE

0.285 7.2 0.405 10.3

RG-9/U

51 Sólido PE

0.420 10.7

RG-11/U

75 163 mm Sólido PE

0.285 7.2 0.412 10.5 0.66

RG-58/U

50 0.9 mm Sólido PE

0.116 2.9 0.195 5.0 Sencillo 0.66

RG-59/U


0.146 3.7 0.242 6.1 Sencillo 0.66

RG-62/U

92 Sólido PE

0.242 6.1 Sencillo 0.84

RG-62/A

93 ASP 0.242 6.1 Sencillo

RG-174/U


0.100 2.5 0.100 2.55 Sencillo

RG-178/U

50 7x0.1 mm Ag pltd Cu clad Steel

PTFE 0.033 0.84 0.071 1.8 Sencillo 0.69

RG-179/U

75 7x0.1 mm Ag pltd Cu

PTFE 0.063 1.6 0.098 2.5 Sencillo 0.67

RG-213/U

50 7x0.0296 en Cu

Sólido PE

0.285 7.2 0.405 10.3 Sencillo 0.66

RG-214/U

50 7x0.0296 en Cu

PTFE 0.285 7.2 0.425 10.8 Doble 0.66

RG-218

50 0.195 en Cu

Sólido PE

0.660 16.76 0.870 22 Sencillo 0.66

RG-223

50 2.74 mm PE Foam

0.285 7.24 0.405 10.29 Doble

RG-316/U

50 7x0.0067 in

PTFE 0.060 1.5 0.102 2.6 Sencillo

Tabla 3. Características de los cables RG.

PE: Polietileno. PTFE: Politetrafluoroetileno. ASP: Espacio de Aire de Polietileno.


82

3.6.4 Cable de Fibra Óptica. La capacidad de transmisión de los cables de fibra óptica satisfacerán en un futuro próximo los requerimientos existentes en la comunicación de datos permitiendo una velocidad en la transmisión de gigabits por segundo ya que actualmente hay sistemas que manejan una velocidad de 2.5Gbps y muy pronto serán de hasta 5Gbps. Los cables de fibra óptica se diseñaron para la transmisión de señales digitales por lo tanto no es conveniente utilizarlos para la transmisión de señales analógicas. Este tipo de cable suele resultar mas barato comparados con los cables coaxiales si se compara la capacidad de transmisión de datos por el costo de unidad; aunque la transmisión y el equipo receptor junto con los métodos complicados para terminar y unir estos cables ocasionan que el cable de fibra óptica sea un medio demasiado caro para la comunicación de datos. Los principales beneficios del cable de fibra óptica son:

Se cuenta con banda ancha (gran capacidad para enviar la información). Atenuación de la señal baja (características de gran velocidad y distancia). Seguridad en la señal inherente. Baja proporción de error. Inmunidad al ruido (impenetrable a EMI y RFI). Consideraciones logísticas. Total aislamiento galvánico en los extremos. Es muy seguro si se utiliza en áreas de alto riesgo. No se tiene interferencia o diafonía.

El principio de comunicación del cable de fibra óptica consiste en la propagación de luz por diferentes medios a distintas velocidades, de la misma forma en que lo hacen las ondas de radio. Cuando la luz de un medio de cierta densidad se mueve a otro de diferente densidad, la luz cambia de dirección, a éste fenómeno se le conoce como refracción. Es posible conocer el nivel que tiene un medio para propagar la luz expresándolo como una proporción a una referencia absoluta; esto es, la luz que viaja a través de un vacío (3x108m/seg.) o también conocida como la velocidad de la luz en el espacio libre. A esta proporción se le conoce como el índice refractivo y se calcula utilizando la siguiente fórmula:

11 C

Cvn =

donde: Cv= Velocidad de la luz en el vacío (m/seg.). C1= Velocidad de la luz en otro medio (m/seg.). n1= Índice refractivo para otro medio. En un medio típico de fibra óptica, la luz viaja aproximadamente a 2x108 m/seg., por consiguiente el valor del índice refractivo utilizando la ecuación anterior y sabiendo que el valor de la luz en el vacío es de 3x108 m/seg., es:

5.1.)/(102.)/(103; 8

8

11 ==

segmxsegmx

CCn v


83

Las fibras ópticas pueden ser explicadas en base a la ley de Willebrod Snell que dice: “los estados de la proporción del seno del ángulo de incidencia hacia el seno del ángulo de refracción (Sini/Sinr) son igual a la proporción de la velocidad de la luz en los dos medios de comunicación respectivos (C1/C2)”. Dando como resultado que esto sea igual a una constante (K), la cual es una proporción del índice refractivo de (n2/n1). Dándonos la siguiente fórmula:

1

2

2

1

nnK

CC

SinSin

r

i ===∠∠

Los cables de fibra óptica son manufacturados con un centro hecho de un cristal óptico, tanto el centro como el material que lo cubre, son tratados con cierto grado de impureza para que el índice refractivo sea diferente uno del otro. Las Figuras 3.25 y 3.26 muestran la construcción básica de una fibra óptica; ésta construcción principalmente permite al núcleo guiar los pulsos de luz hacia el receptor; la figura 3.25 muestra el principio de operación mientras que en la figura 3.26 se dan a conocer las medidas típicas de un cable de fibra óptica.

Figura 3.25. Principio de operación del cable de fibra óptica.

A causa de que el índice reflectivo del núcleo y el índice del revestimiento son diferentes, la luz que llega al núcleo pasa de forma aceptable por un ángulo de entrada a lo largo de la fibra sin que se pierda la luz en el revestimiento. Los ángulos que se forman en el llamado “cono de aceptación” son los ángulos de la luz que se mueve a través del cable, cuando la luz entra dentro de un ángulo mayor que éste, no se refleja en el revestimiento y por lo tanto se pierde. La fibra óptica por consiguiente, actúa como un conducto o también llamado “onda guía” para los pulsos de luz que son generados por una fuente de luz.

Figura 3.26. Medidas típicas de un cable de fibra óptica.


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Por lo general la fuente de luz que emite los pulsos de luz por medio del cable de fibra, es un diodo de inyección láser (ILD) o un LED, los cuales se encuentran operando a una longitud de onda de 0.85, 1.2 o 1.5µm (micrometros). Los distintos tipos de fibra generalmente son identificados por el número de caminos que la luz sigue para llegar al núcleo de la fibra y estos caminos son llamados “modos de propagación”. Existen dos modos principales en que la luz se propaga a través de una fibra óptica y son el multimodo y el monomodo. Fibras Multimodo; son más fáciles y más baratas que las fibras monomodo; el núcleo que contiene son 50 veces mayor que la longitud de onda de la señal de luz que se desea propagar. Un transmisor LED es lo que normalmente se utiliza como fuente de luz para este tipo de fibra ya que puede acoplarse con menos precisión que la que se necesita para un ILD. En la Figura 3.27 se da un ejemplo de cómo se propaga la luz de un LED por distintos caminos hasta llegar al receptor. La luz toma distintos caminos, por lo tanto es reflejada con ayuda de los dos extremos de la fibra, esto es, con ayuda del núcleo y del revestimiento. Las fibras multimodo tienen un cierto limite en cuanto a la velocidad de datos se refiere, por lo tanto, el receptor sólo puede diferenciar entre las señales pulsadas a una proporción de datos reducida, por consiguiente son usadas en aplicaciones de corta distancia (menores a 1 Km.), simples de diseñar y muy económicas; la distancia máxima es de 2 Km. usando diodos láser de baja intensidad.

Figura 3.27. Propagación de la luz de un LED en una fibra Multimodo.

Un factor bastante extenso a considerar en las fibras multimodo es el índice de la fibra ya que el tipo de índice usado afecta la manera en que las ondas de luz se reflejan o refractan fuera de las paredes de la fibra, véase en la Figura 3.28 de qué forma son los pulsos de luz transmitidos y como dependiendo del índice usado el pulso de luz que es recibido va cambiando considerablemente; los diámetros del núcleo en una fibra multimodo va de los 50 a los 100 µm (micrometros); sin embargo los dos diámetros que son usados de manera más común son de 50 y 62.5 µm. Dependiendo del tipo de índice de refracción del núcleo, la fibra mutlimodo se subdivide en dos tipos que son:


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Índice Escalonado; el núcleo tiene un índice de refracción constante en toda la sección cilíndrica y además tiene alta dispersión modal. Índice Gradual; en este caso, el índice de refracción en el núcleo no es constante, tiene menor dispersión modal y el núcleo se encuentra constituido por distintos materiales.

Figura 3.28. Características de las fibras Multimodo y Monomodo.

Fibra Monomodo; este tipo de fibra son caras y difíciles de fabricar, y solamente permite un solo camino o modo de propagación de los pulsos de luz dentro de la misma con un mínimo de reflexión; de manera común se utiliza los ILD’s como fuente generadora de los pulsos de luz. No presentan una dispersión alta y permiten una alta velocidad en la transferencia de datos a grandes distancias; cabe mencionar que estas fibras son mucho más delgadas que las fibras multimodo, aproximadamente de 5 a 10 µm. La fuente emisora de luz tiene que ser lo bastante poderosa y apuntar de forma precisa dentro de la fibra para superar cualquier desalineación existente y como ya se mencionó para este fin se utilizan los ILD’s como ésta fuente emisora de luz. Las especificaciones en las fibras ópticas son basadas en sus diámetros; por ejemplo si tenemos una fibra con las siguientes especificaciones 50/150 nos indica que tiene un núcleo de 50 µm y un diámetro del material que cubre al núcleo (cladding) de 150 µm. En la mayoría de los casos las fibras multimodo tienen un tamaño de 50/125 en Europa, y se maneja un tamaño de 62.5/125 en U.S.A y Australia; las capas pueden ir de los 200 a los 1000 µm de diámetro. Es común que en la especificación del cable se de a conocer el diámetro del revestimiento exterior. Unión de los cables de Fibra Óptica. Cuando apenas se comenzaba a utilizar el cable de fibra óptica, las conexiones y terminaciones eran un grave problema; esto ha mejorado pero aún se exige tener mucho cuidado para evitar pérdidas o problemas que afectarán el funcionamiento del sistema de comunicaciones.


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Hay tres métodos que son utilizados para unir éste tipo de cables y son:

Mecánico; en donde las fibras son hechas a la medida basándose en el arreglo de plug/socket y simplemente se ensamblan.

Químico; lo que se hace aquí es que las dos fibras son hechas a la medida dentro de un “arreglo de barril” con una resina epoxídica. Ya estando el horno caliente se agrega la goma.

Fusión de empalmado; en este procedimiento las dos fibras son soldadas a base de calor.

Para evitar las dificultades que se tienen en la terminación, los cables de fibra óptica pueden adquirirse con un proveedor que maneje las longitudes estándares tales como 10 m, 100 m y 1000 m que tengan los extremos cortados. Las limitaciones del cable de fibra óptica son:

El costo de la fuente y del equipo receptor son muy altos. Es difícil cambiar el interruptor tee-off de un cable de fibra óptica, la fibra óptica es

más conveniente para los sistemas de comunicación punto a punto. Las técnicas para la unión y terminado de las fibras (mecánico y químico) son difíciles

de realizar ya que se requiere hacer una alineación física precisa; además de contar con un equipo especializado y con personal capacitado para realizar dicha labor.

El equipo para probar el cable de fibra óptica es diferente y más costoso de los métodos tradicionales usados para las señales electrónicas.

Los sistemas de fibra óptica son usados casi exclusivamente para señales digitales binarias y en realidad no es conveniente usarlos para señales analógicas.

3.7 PROFIBUS. Fue en el año de 1987 en donde las compañías alemanas Bosch, Klöckner Möeller y Siemens, que iniciaron un proyecto de desarrollo de una arquitectura de comunicaciones industriales que permitiese una interconexión de equipos de distintos fabricantes. Siendo lo mencionado con anterioridad la base de un grupo de trabajo al cual se unieron otras empresas importantes tales como ABB, Landis&Gir, AEG, etc., inclusive también se unieron grupos técnicos estatales, universidades entre las que destacan la VDE y el Ministerio Federal de Investigación Alemán. La tarea esencial de este gran grupo de trabajo consistía en lograr desarrollar un sistema abierto de comunicaciones apto para poder integrar desde los transductores más sencillos y los elementos de campo, pasando desde los autómatas y controles numéricos hasta llegar a los miniordenadores que son utilizados para el diseño y gestión de la producción. Para el año 1990, se dio la posibilidad para que cualquier usuario o empresa se pudiera integrar a un consorcio denominado “PROFIBUS Nutzerorganisation”, la cual gracias a diversos comités sigue desarrollando y dando soporte al nivel de aplicación y certificación de productos. PROFIBUS, actualmente es el líder de los sistemas basados en buses de campo en Europa y cuenta con una aceptación a nivel mundial.


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Las áreas de aplicación son en manufacturación, automatización y generación de procesos. PROFIBUS es un bus de campo normalizado internacional, estandarizado bajo la norma EN 50 170. Actualmente, la gran mayoría de los fabricantes “líderes” de tecnología en cuanto a automatización se refiere, ofrecen interfaces PROFIBUS para sus dispositivos. Las siglas PROFIBUS significan “Process Field Bus”. Una red PROFIBUS no es otra cosa que un “protocolo descentralizado de comunicación”; con la pequeña particularidad que nos permite controlar varios elementos a distancia considerable de modo descentralizado utilizando un hilo. Una de las ventajas con que se cuenta al utilizar ésta red es que los componentes de distintos fabricantes se pueden comunicar entre sí sin necesidad de realizar ajustes especiales en las interfaces. Puede ser usado para transmisión crítica en el tiempo de datos a alta velocidad y para tareas de comunicación extensas y complejas. Esta versatilidad es gracias a que se cuenta con 3 “versiones compatibles” que son las que componen a la familia PROFIBUS y son: PROFIBUS DP

Diseñada específicamente para la comunicación entre los sistemas de control de automatismos y las entradas / salidas distribuidas.

Optimizado para alta velocidad. Conexiones sencillas y baratas

PROFIBUS PA

Diseñado para la automatización de procesos. Permite la conexión de sensores y actuadores a una línea de bus común, incluso en

áreas especialmente protegidas. Comunicación de datos y energía en el bus mediante el uso de dos tecnologías; basados

en la norma IEC 1158-2. PROFIBUS FMS

Solución general para tareas de comunicación a nivel de célula. Gran rango de aplicaciones y flexibilidad. Posibilidad de uso en tareas de comunicación que sean complejas y extensas.

Las CPU’s (PLC’s), S7-200 se pueden conectar a una red PROFIBUS DP utilizando para ello un módulo de ampliación EM 277 PROFIBUS DP. Las siglas DP quieren decir “Distributed Peripherals” que traducido significaría periferia descentralizada o distribuida. El módulo EM 277 permite utilizar las CPU’s S7-200 en calidad de esclavas DP en una red DP. Un maestro DP puede escribir y leer datos de la CPU S7-200 a través de la red DP, utilizando para ello el módulo EM 277 PROFIBUS DP. Modelo de memoria del maestro DP y del esclavo DP. El objetivo principal de una red PROFIBUS DP consiste en intercambiar datos, en donde el “maestro” escribe datos de salida en el “esclavo”. El esclavo responde a la petición de escritura con datos de entrada que se retornan al maestro.


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El “maestro” envía los datos al búfer de salida del esclavo también conocida como bandeja de recepción; el maestro lee datos del búfer de entrada del esclavo (bandeja de emisión) y los almacena en el área de entradas periféricas. Los búfers de entrada y salida se encuentran localizados en la memoria de variables (memoria V) de la CPU del S7-200. En la Figura 3.29 se muestra el modelo de memoria para transferir 16 bytes de salida y 16 bytes de entrada. Un enlace PROFIBUS DP siempre describe la transferencia de datos con respecto al maestro. Los datos que el maestro envía al esclavo se denominan siempre como “datos de salida”. Así los datos que el esclavo envía al maestro se denominan siempre como “datos de entrada”. En el esclavo los valores de datos procedentes del maestro se denominan salidas aunque se trate de las entradas del esclavo y los valores de datos enviados al maestro se denominan entrada aunque se traten de las salidas del esclavo.

Figura 3.29. Modelo de Memoria.

El maestro le comunica al esclavo la dirección inicial del búfer de salida (bandeja de recepción), enviando al esclavo el offset en la memoria V del búfer de salida como parte de la parametrización del esclavo. Si el offset es 0, el esclavo depositará el búfer de salida en VB0. Si el offset es 5000, el esclavo depositará el búfer de salida en VB5000. El maestro le comunica al esclavo el tamaño del búfer de salida (bandeja de recepción). Al configurar el maestro se puede indicar que escriba una determinada cantidad de bytes en el esclavo. El maestro envía dicha información al esclavo como parte de la configuración de éste. El esclavo utiliza la información para ajustar el tamaño del búfer de salida. Si el maestro le comunica al esclavo que existen 16 bytes de salida, el esclavo ajustará el tamaño del búfer de salida a 16 bytes. Si el búfer de salida comienza en VB5000, los datos de salida del maestro se escribirán en las direcciones comprendidas entre VB5000 y VB5015. El búfer de entrada (bandeja de emisión o datos a transferir al maestro) le sigue inmediatamente al búfer de salida. En la configuración del maestro también se puede indicar la cantidad de datos que debe enviar el esclavo. Este valor se escribe en el esclavo como parte de su configuración.


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El esclavo utiliza esta información para ajustar el tamaño del búfer de entrada. En el presente ejemplo, si el maestro deposita el búfer de salida en VB5000 y ajusta el tamaño a 16 bytes, el búfer de entrada comenzará en VB5016, directamente después del búfer de salida. Si el tamaño del búfer de entrada es también de 16 bytes, éste ocupará las direcciones comprendidas entre VB5016 y VB5031. Una vez establecido el enlace entre el maestro y el esclavo, la dirección del búfer de salida y el tamaño de cada búfer se podrán leer de la marca especial (SM) de la CPU. En la Tabla 4 se dan a conocer las marcas especiales que describen el primer módulo EM 277 conectado al bus de ampliación. Si el EM 277 es el segundo módulo inteligente (no un módulo de ampliación), las direcciones SM tendrán un offset de 50 (SMB250 a SMB279).

Marcas Especiales

Función

SMB200 a 215 Estas funciones contienen 16 caracteres ASCII que indican el nombre del módulo. SMB216 a 219 Estas direcciones contienen la versión de software del EM 277. Los dos primeros

caracteres indican el número principal de la versión del software y, los siguientes dos caracteres el número secundario. Ejemplo: Si SMB216-219 contienen el valor “0102”, la versión del software será 1.02.

SMW220 Esta dirección indica el estado de error del módulo EM277. Actualmente están definidos únicamente dos valores. El “0” indica que no se han detectado errores en el módulo. El “1” indica que no hay una fuente de alimentación DC24V conectada al módulo.

SMB222 Esta es la dirección del EM277 que se lee de los selectores. SMB224 Este byte contiene el estado del enlace PROFIBUS-DP. Es recomendable que el

programa de usuario vigile esta dirección para comprobar si el enlace DP está funcionando correctamente. Si se detecta un error (cualquier valor excepto 2) el programa podrá tomar las medidas correspondientes conforme al fallo del enlace DP. A continuación se indican los valores de estado posibles: 0 = No se ha establecido ningún enlace de comunicación DP desde que se conectó el EM277. 1 = El maestro DP se está comunicando con el EM277 pero se ha detectado un error en la configuración o en la parametrización enviada por el maestro. 2 = El EM 277 y el maestro DP están intercambiando datos (funcionamiento normal). 3 = El EM277 y el maestro DP no están intercambiando datos actualmente pero lo han hecho anteriormente.

SMB225 Este byte contiene la dirección del maestro que ha configurado el EM277. Se trata del maestro que está habilitado para escribir en las salidas y leer las entradas del esclavo.

SMW226 Esta palabra contiene la dirección de la memoria V del búfer de salida (bandeja de recepción). Cuando se inicializa el enlace, este valor se escribe en el esclavo en forma de mensaje de parametrización.

SMB228 Este byte contiene el tamaño del búfer de salida (es decir, el tamaño en bytes de la bandeja de recepción). Cuando se inicializa el enlace, este valor se escribe en el esclavo en forma de mensaje de configuración.

SMB229 Este byte contiene el tamaño del búfer de entrada (es decir, el tamaño en bytes de la bandeja de emisión). Cuando se inicializa el enlace, este valor se escribe en el esclavo en forma de mensaje de configuración.

Tabla 4. Marcas Especiales.


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PROFIBUS-DP está previsto para la comunicación rápida entre los aparatos. El protocolo y las funciones se han diseñado acordes con la Norma Europea EN 50 170. Los autómatas programables PROFIBUS (sistemas de automatización /PCs) se comunican con los aparatos de campo descentralizados (tales como E/S, accionamientos y válvulas) vía un enlace serie de alta velocidad. Gran parte de la comunicación con los aparatos descentralizados (o distribuidos) se efectúa de forma cíclica. Esto significa que se accede consecutivamente a todos los aparatos, repitiéndose continuamente dicha secuencia. Algunas funciones, tales como la configuración, la parametrización, el diagnóstico y el tratamiento de interrupciones ocurren fuera del ciclo de E/S normal. Estas se denominan funciones acíclicas. Entre las funciones básicas de una red PROFIBUS-DP, se encuentra en que el autómata central (maestro) escribe datos en y lee datos de los aparatos de campo (esclavos). A menudo, esto se lleva a cabo simultáneamente con el ciclo del autómata central. El tiempo de actualización de todos los esclavos debe ser inferior al tiempo de ciclo del programa, de manera que el ciclo del programa y la actualización de las E/S permanezcan sincronizados. Características. PROFIBU-DP soporta la transferencia rápida de datos (hasta 12 Mbit/s). La red se puede instalar fácilmente y utiliza una técnica de transmisión acreditada. PROFIBUS ofrece buenas posibilidades de diagnostico y facilita el mantenimiento de la red. Y sus características básicas son:

Velocidad; a una velocidad de 12 Mbit/s, PROFIBUS-DP necesita apenas 1 ms para transmitir 2 bytes de salida y 2 bytes de entrada a cada uno de los 32 interlocutores. Debido a la sencillez de los mensajes de comunicación DP, PROFIBUS-DP es mucho más rápido que las operaciones correspondientes del sistema de automatización (tales como XPUT y XGET en las CPUs S7-300/S7-400.

Funciones de Diagnóstico; PROFIBUS-DP soporta funciones de diagnóstico para

determinar dónde existen fallos del sistema. Cuando los esclavos responden al mensaje normal de intercambio de datos, le informan al maestro si ha ocurrido un fallo o un cambio de estado. Una vez informado, el maestro envía inmediatamente al esclavo una petición de diagnóstico para determinar la causa del fallo. Los mensajes de respuesta de diagnóstico comprenden tres niveles que son

1) Diagnóstico del Equipo; estos mensajes se refieren al estado de operación general del equipo entero. En el caso del EM 277, el diagnóstico del equipo consiste únicamente en informarle al maestro que la CPU conectada ha cambiado al modo operativo "fallo del sistema" (SF). El EM 277 retornará únicamente el diagnóstico del equipo.

2) Diagnóstico del Módulo; estos mensajes indican que ha ocurrido un fallo en

una determinada sección de E/S de un equipo (por ejemplo, un módulo de salida de 8 bits). Este tipo de diagnóstico es soportado por esclavos que controlan varios módulos de E/S.


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3) Diagnóstico del Canal; estos mensajes indican un error en un determinado bit

de entrada o de salida (por ejemplo, un cortocircuito en la salida 7). Este tipo de diagnóstico es soportado por esclavos que controlan un sistema de E/S modular, el cual comprende módulos inteligentes capaces de diagnosticar errores.

Tipos de Aparatos. El enlace PROFIBUS-DP nos permite crear redes con unos o varios maestros. En un sistema se pueden conectar 126 unidades (maestras o esclavas) como máximo. La descripción de la configuración del sistema incluye el número de interlocutores, la asignación entre la dirección de estación y las direcciones de E/S, el formato de los datos de E/S, el formato de los mensajes de diagnóstico y los parámetros de bus utilizados. Los sistemas PROFIBUS-DP pueden comprender tres tipos de aparatos diferentes que son:

Maestro DP de Primera Clase (DPM1); es un autómata central que intercambia informaciones con los esclavos durante un ciclo de mensajes predeterminado. Entre los maestros DP de primera clase se encuentran los sistemas de automatización (PLC’s) y los PC’s así como los sistemas VME.

Maestro DP de Segunda Clase (DPM2); las unidades de programación, los aparatos de

configuración y los paneles de operador son maestros DP de segunda clase. Durante la instalación, éstos se utilizan para configurar el sistema DP, así como para funciones de manejo y visualización. Los maestros de segunda clase no envían informaciones a los esclavos. Este tipo de maestro sólo puede observar las entradas y salidas de los esclavos.

Esclavo DP; es un aparato de la periferia (por ejemplo, un módulo de ampliación, un

sistema de automatización, un accionamiento, un HMI, o bien una válvula) que recoge información de entrada y la envía al maestro. La información de salida del maestro se transmite a las salidas físicas, o bien, es utilizada por el esclavo. También hay aparatos que suministran sólo información de entrada, o bien, sólo información de salida.

La cantidad de información de entrada y de salida depende del tipo de aparato; PROFIBUS-DP soporta como máximo 246 bytes de información de entrada y 246 bytes de información de salida que se pueden transmitir en un mensaje, por lo general la cantidad de datos transmitidos dependerá del aparato en cuestión ya que la mayoría de los aparatos soportan solamente uno o 2 bytes de datos. El módulo EM 277 PROFIBUS-DP asiste numerosas configuraciones de E/S que soportan una gran variedad de aplicaciones. Los diferentes tamaños de salida y de entrada permiten adaptar a la aplicación en cuestión la transferencia de datos entre el maestro y el EM 277. El EM 277 escribe las salidas en un área de la memoria V de la CPU. Gracias a ello, el programa de usuario puede controlar cómo se aplican los datos de salida. Asimismo, los datos de entrada se leen de un área de la memoria V de la CPU y se transfieren al maestro.


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Sistemas Monomaestro; en los sistemas monomaestro hay sólo un maestro activo en el bus. La Figura 3.30 muestra la configuración de un sistema con un maestro. El sistema de automatización (PLC) es el componente central de control (maestro). Los esclavos DP descentralizados se conectan al sistema de automatización a través del bus. Los sistemas monomaestro tienen el tiempo de ciclo de bus más corto.

Figura 3.30. Sistema Monomaestro.

Sistemas Multimaestro; en las configuraciones multimaestro hay varios maestros conectados a un bus. Estos maestros pueden ser subsistemas independientes, comprendiendo cada uno de ellos un maestro y sus esclavos DP asignados, o bien, los demás maestros pueden ser aparatos de configuración y diagnóstico adicionales Todos los maestros DP pueden leer los datos de entrada y de salida de los esclavos DP. Sólo un maestro DP (el que configura los esclavos) puede escribir en las salidas de los esclavos. Los sistemas multimaestro tienen un tiempo de ciclo de bus mucho más prolongado que los sistemas monomaestro, debido al tiempo adicional necesario para que los maestros puedan compartir un mismo bus. En la Figura 3.31 se observa un sistema multimaestro.

Figura 3.31. Sistemas Multimaestro.


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3.8 FIELDBUS (Bus de campo). Como definición tenemos la siguiente: “es un conjunto de redes de comunicación para uso industrial y cuyo objetivo principal es el de suplir las conexiones de punto a punto utilizadas entre los elementos de campo y el equipo de control”. Las redes de comunicación que se utilizan de manera común son las redes digitales, redes multipunto, redes bidireccionales; y que se encuentran montadas sobre un bus serie que conectan dispositivos como PLC’s, actuadores, transductores, sensores, etc. Siendo que cada uno de los elementos ya mencionados con anterioridad, tendrá la capacidad de poder ejecutar funciones simples tales como autodiagnóstico, mantenimiento o control y por si esto fuera poco lograr comunicarse bidireccionalmente a través del bus; logrando con ello que cada nodo que conforma la red pueda informar de manera general acerca de cualquier anomalía asociada al dispositivo, aumentando así la eficiencia en el sistema y reduciendo la cantidad de horas dedicadas al mantenimiento del mismo. Este tipo de redes son bastante costeables, ya que se obtiene un ahorro especialmente en tres áreas en específico como son en la instalación, en el mantenimiento y en lo derivado en la mejora del funcionamiento del sistema. Como ejemplo hablando de la instalación tenemos que cada célula de proceso solo requiere un tipo de cable para la conexión de los diversos nodos y por si esto fuera poco, en comparación con otros tipos de redes, dispone de herramientas de administración del bus que permiten la reducción del número de horas necesarias para la instalación y puesta en marcha. Cabe mencionar que las prestaciones del sistema mejoran con el uso de la tecnología de los buses de campo debido a la simplificación en la forma de obtener información de la planta desde los distintos sensores; las mediciones de los distintos elementos de la red se encuentran disponibles para los demás dispositivos que la conforman. La simplificación en la obtención de los datos, permitirá el poder diseñar sistemas de control mucho más eficientes. A la persona encargada de controlar o monitorear este tipo de red solamente se le exige tener un conocimiento mínimo de los servicios de administración de la red y esto porque parte de la información generada por dichos servicios puede ser necesaria para la reparación de averías que pudiesen surgir en el sistema. Existen varios métodos utilizados por los buses de campo para poder actualizar los datos que se generan dentro del proceso; es decir, los datos de entrada / salida y estos métodos se mencionan a continuación:

Cambio de Estado; el dispositivo no transmite información hasta que se modifique el estado de las variables, siendo bastante eficiente si se cuenta con los denominados “sistemas discretos”.


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Cíclico; el dispositivo envía la información a la red dentro de un determinado intervalo

de tiempo el cual ya se encuentra prefijado. Además el bus de campo debe incorporar los servicios de comunicación necesarios para los procesos de configuración, programación y test del bus.

Strobe; se realiza una petición de información por parte del dispositivo maestro (por lo

general se trata de un PLC que se encarga de controlar todo el proceso) y envió de la información por parte de los dispositivos esclavos (sensores, actuadores, etc.), es un método muy eficiente para los sensores.

Polling; el dispositivo “maestro” envía información de salida al dispositivo y éste le

responde con la información de entrada. Ya que para la red FIELDBUS en específico, no existen estándares, diversas empresas han desarrollado distintos tipos de buses de campo y cada una de ellas con diferentes prestaciones y campos de aplicación, por ende a continuación se dará una clasificación general de los distintos tipos de FIELDBUS existentes:

A. Buses de alta velocidad y Baja Funcionalidad; diseñados para poder integrar dispositivos simples como fotocélulas, finales de carrera, actuadores simples y reles; funcionando en aplicaciones de tiempo real y agrupados en una pequeña zona de la planta comúnmente en una máquina; suelen especificar las capas físicas y de enlace del modelo OSI. Algunos ejemplos son:

SDS; bus diseñado para la integración de sensores y actuadores basado en CAN.

CAN; diseñado originalmente para su aplicación en vehículos. ASI; bus serie diseñado por SIEMENS para la integración de sensores y

actuadores.

B. Buses de alta velocidad y Funcionalidad Media; basados en el diseño de una capa de enlace para el envío de datos de tamaño medio; estos mensajes permiten que el dispositivo tenga mayor funcionalidad de modo que permite incluir aspectos como la configuración, programación o calibración del dispositivo. Son buses capaces de controlar dispositivos de campo complejos y a un bajo costo; incluyen la especificación completa de la capa de aplicación, esto quiere decir que se cuenta con funciones utilizables desde programas basados en PC’s para de esta forma acceder, controlar y cambiar los distintos equipos que conforman el sistema. Entre algunos ejemplos de este tipo de bus podemos mencionar DeviceNet, LONWorks desarrollada por Echelon, Bitbus desarrollada por INTEL, DIN Messbus e InterBus-S ambas desarrolladas por empresas alemanas.


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C. Buses de Altas Prestaciones; son capaces de soportar comunicaciones a nivel de toda

la planta en muy diversos tipos de aplicaciones; pese a que se basan en buses de alta velocidad algunos presentan ciertos problemas y esto es debido a la sobrecarga que es necesaria para alcanzar las características funcionales y de seguridad que les son exigidas. Como ejemplos de este tipo de buses se encuentran Profibus, FIP y Fieldbus Foundation. Entre las características que podemos mencionar, se enlistan las siguientes:

Comunicación maestro – esclavo según el esquema pregunta – respuesta. Recuperación de datos desde el esclavo con un límite máximo de tiempo. Redes multimaestro. Capacidad de direccionamiento unicast, broadcast y multicast. Petición de servicios a los dispositivos que realizan la función de esclavos

basados en eventos. Comunicación de variables y bloques de datos orientada a objetos. Descarga y ejecución remota de programas. Altos niveles de seguridad de la red, opcionalmente con procedimientos de

autentificación. Conjunto completo de funciones de administración de la red.

D. Buses para Áreas de Seguridad Intrínseca; cuentan con modificaciones en la capa

física para cumplir con los requisitos específicos de seguridad intrínseca en ambientes con atmósferas explosivas. La seguridad intrínseca es un tipo de protección por la que el aparato en cuestión no tiene posibilidad de provocar una explosión en la atmósfera circundante. Un circuito eléctrico o una parte de un circuito tienen seguridad intrínseca cuando alguna chispa o efecto térmico en este circuito producidos en las condiciones de prueba establecidas por un estándar no puede ocasionar una ignición y como ejemplos tenemos Profibus PA o FIP y HART.

3.9 MPI. Las siglas MPI significan Message Passing Interface que traducido al español quiere decir “Interface de Paso de Mensaje”. Es un lenguaje independiente de protocolo de comunicaciones utilizado para programar los ordenadores en paralelo; la comunicación colectiva como aquella que se conoce como de punto a punto es compatible con MPI. Aunque también se puede definir como “una biblioteca de funciones y subrutinas que pueden ser usadas en programas como C, Fortran y C++. El objetivo de MPI es desarrollar un estándar ampliamente utilizado para la escritura de mensajes pasando programas; la interfaz debe establecer un punto de vista práctico, eficiente, portátil, flexible y compatible para pasar el mensaje. El paso de mensajes es una técnica empleada en programación concurrente para aportar sincronización entre procesos y permitir la exclusión mutua de manera similar a como se hace con los monitores, semáforos, etc.


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Con el uso de MPI en programas que modelan algún fenómeno o proceso de ciencias e ingeniería se pretende explotar la existencia de múltiples procesadores por medio del paso de mensajes. MPI fue desarrollado en los años 90’s por un grupo de investigadores de la industria y de la comunidad académica, a continuación se da de forma detallada como se origino el nacimiento de MPI. La ventaja que tiene MPI sobre otras bibliotecas de paso de mensaje es que los programas que utilizan la biblioteca son portables ya que MPI ha sido implementado para cualquier tipo de memoria distribuida y son rápidos ya que cada implementación de la librería ha sido optimizada para el hardware en el cual se ejecuta. Haciendo un poco de historia acerca de este lenguaje de programación se tiene: A finales de la década de los 80’s, se desarrolla el concepto de memoria distribuida o también conocida como computación paralela; así mismo se desarrollan una serie de herramientas de software incompatibles para escribir en este tipo de programas; por lo general con intercambios entre la portabilidad, funcionalidad, rendimiento y por supuesto el precio. Ante lo mencionado con anterioridad surge la necesidad de la elaboración de una norma. Para el año 1992, se abre un taller sobre normas para la MPI patrocinado por el Centro para la Investigación sobre Computación Paralela en la ciudad Williamsburg, Virginia. Dentro de este taller se discutieron las características básicas para un estándar de MPI y se estableció un grupo de trabajo para de esta manera continuar con el proceso de normalización. Como resultado de este taller fue elaborada una propuesta de anteproyecto. En noviembre de este mismo año, el grupo de trabajo se reúne en Minneapolis y se adopta los procedimientos y la organización para formar “el foro MPI” (MPIF) el cual se encuentra compuesto por 175 miembros de 40 organizaciones, entre las cuales podemos encontrar proveedores de equipo paralelo, de softwares, académicos y científicos. En noviembre de 1993, se realiza la conferencia de “Supercomputación 93” en donde se da a conocer el proyecto de norma para MPI. En el año 1994, para ser más exactos en el mes de mayo, la versión final del proyecto es aceptada y puesta en marcha. Cabe mencionar que MPI no es sancionado por cualquier organismo de normalización, sin embargo, se ha convertido en un estándar para la comunicación entre procesos, en un modelo a seguir de programa paralelo dentro de un sistema de memoria distribuida. Características. Su principal característica es que no precisa de memoria compartida por lo que es muy importante en la programación para sistemas distribuidos, sin embargo pueden mencionarse otras como son:


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Como características principales de la MPI se pueden mencionar las siguientes:

Portabilidad. Obtención de un máximo rendimiento. Heterogeneidad. Funcionalidad. Cuenta con herramientas de medición del desempeño. Modularidad. Estandarización. Existencia de implementaciones libres (mpich, LAM – MPI).

La especificación detalla las funciones que se pueden utilizar más no el modo en que se compilan y ejecutan los programas. Siguiendo un modelo conocido como SPMD, el usuario escribirá su aplicación como un proceso secuencial del cual se obtendrán varias instancias que cooperaran unas con otras. Los procesos emplean diferentes funciones MPI que pueden iniciar, gestionar y finalizar procesos MPI, comunicar datos entre dos procesos, crear tipos arbitrarios de datos y realizar operaciones de comunicación entre grupos de procesos. La mayoría de las implementaciones MPI consisten en un conjunto específico de rutinas (API) exigible y compatible con Fortran, C, C++ y de cualquier idioma de interfaz con este tipo de bibliotecas. La interfaz MPI se encuentra destinada a proporcionar una topología virtual, la sincronización, la funcionalidad y la comunicación entre un conjunto de procesos que se han asignado a los nodos, servidores o en su caso computadoras en un idioma independiente con lenguaje explícito de la sintaxis (enlaces) además de algunas de sus funciones que son especificas a un idioma. Normalmente para poder obtener el mayor rendimiento cada CPU o “núcleo” en una máquina multinúcleo, se le debe asignar un solo proceso; esto ocurre en tiempo de ejecución a través del agente que inicia el programa MPI. Existen tres elementos principales que intervienen en el MPI y son el proceso que envía, el proceso que recibe y el mensaje que es transmitido. Dependiendo de si el proceso que envía el mensaje espera a que sea recibido se puede hablar de dos tipos de paso de mensajes que son:

Síncrono; el proceso que envía el mensaje espera a que un proceso lo reciba para de esta forma continuar con su ejecución, también a este tipo de paso se le conoce con el nombre de “encuentro”. Dentro de este tipo de paso se engloba a la “llamada a procedimiento remoto” muy utilizada en las arquitecturas cliente – servidor.

Asíncrono; en este caso el proceso que envía no espera a que el mensaje sea recibido y

continua su ejecución siendo posible que vuelva a generar un nuevo mensaje y enviarlo antes de que se haya recibido el anterior; para evitar que se susciten errores se suelen utilizar los llamados “buzones” en los cuales se van almacenando los mensajes a espera de que un proceso los reciba. El proceso que envía mensajes puede llegar a bloquearse por dos razones la primera es cuando finaliza su ejecución o cuando el buzón se encuentra lleno.


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Como ya se mencionó, al utilizar MPI el número de procesos requeridos se asigna antes de la ejecución del programa por ende no se crean procesos adicionales mientras se ejecuta la aplicación. A cada proceso se le asigna una variable la cual se conoce con el nombre de “rank” que se encarga de identificar a cada proceso en el rango de 0 a p 1, donde p es el número total de procesos y del control de la ejecución del programa. En MPI se define un comunicator como una colección de procesos los cuales pueden enviarse mensajes uno al otro, el comunicator básico se denomina MPI_COMM_WORLD y se encuentra definido mediante un macro del lenguaje C este comunicator básico se encarga de agrupar a todos los procesos activos durante la ejecución de una aplicación. Las llamadas de MPI se clasifican en cuatro clases que son las siguientes:

Llamadas utilizadas para inicializar, administrar y finalizar comunicaciones; permiten inicializar la librería de paso de mensajes, identificar el número de procesos y el rango de los procesos. Dispone de cuatro funciones primordiales que se utilizan en todo el pograma y son MPI_Init, la cual permite inicializar una sesión y por lo tanto debe utilizarse antes de llamar a cualquier otra función de MPI; MPI_Comm_size, permite determinar el número total de procesos que pertenecen a un comunicator; MPI_Comm_rank, permite determinar el identificador rank del proceso actual; y MPI_Finalize, nos permite terminar una sesión de MPI.

Llamadas utilizadas para transferir datos entre dos procesos; incluye operaciones de

comunicación punto a punto para diferentes tipos de actividades de envío y recepción; devolviendo un código que nos indica su éxito o fracaso. Y se consigue con las funciones MPI_Send, permite enviar información desde un proceso a otro; MPI_Recu, permite recibir información desde otro proceso. Ambas funciones son bloqueantes, es decir, que el proceso que realiza la llamada se bloquea hasta que la operación de comunicación se complete. Las versiones no bloqueantes son MPI_Isend y MPI_Irecu respectivamente, estas llamadas inician la operación de transferencia sin embrago su finalización debe de ser realizada de forma explícita mediante llamadas como MPI_Test, que permite verificar si la operación de envío o recepción ha finalizado ya que esta función lo que hace primeramente es verificar la operación de envío – recepción y luego retorna; y MPI_Wait, es una llamada bloqueante y retorna cuando la operación de envío o recepción se completa.

Llamadas para transferir datos entre varios procesos; o también conocidas como

operaciones grupales que se encargan de proveer operaciones de comunicaciones entre grupos de procesos. Algunas de las funciones que son utilizadas son MPI_Barrier, permite realizar operaciones de sincronización, no existiendo ninguna clase de intercambio de información y es utilizada para dar por finalizada una etapa del programa. MPI_Bcast, permite a un proceso enviar una copia de sus datos a otros procesos que se encuentren dentro de un grupo definido por un comunicator. MPI_Scatter, establece una operación de distribución en la cual un dato se distribuye en distintos procesos. MPI_Gather, establece una operación de recolección en la cual los datos son recolectados en un solo proceso. MPI_Reduce, permite que el proceso raíz o principal recolecte datos desde otros procesos en un grupo y los combine en un solo ítem de datos.


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Llamadas utilizadas para crear tipos de datos definidos por el usuario; provee

flexibilidad en la construcción de estructura de datos complejos. Las funciones que son utilizadas son MPI_Type_struct, para crear un nuevo tipo de datos; MPI_Pack, utilizada para empaquetar los datos.

En MPI, un mensaje está conformado por el cuerpo del mensaje, el cual contiene los datos a ser enviados, y su envoltura, que indica el proceso fuente y el destino. El cuerpo del mensaje en MPI se conforma por tres piezas de información: buffer, tipo de dato y count. El buffer, es la localidad de memoria donde se encuentran los datos de salida o donde se almacenan los datos de entrada. El tipo de dato, indica el tipo de los datos que se envían en el mensaje. En casos simples, éste es un tipo básico o primitivo, por ejemplo, un número entero, y que en aplicaciones más avanzadas puede ser un tipo de dato construido a través de datos primitivos. Los tipos de datos derivados son análogos a las estructuras de C. El count es un número de secuencia que junto al tipo de datos permiten al usuario agrupar ítems de datos de un mismo tipo en un solo mensaje. MPI estandariza los tipos de datos primitivos, evitando que el programador se preocupe de las diferencias que existen entre ellos, cuando se encuentran en distintas plataformas. La envoltura de un mensaje en MPI típicamente contiene la dirección destino, la dirección de la fuente, y cualquier otra información que se necesite para transmitir y entregar el mensaje. La envoltura de un mensaje en MPI, consta de cuatro partes: la fuente, el destino, el comunicator y una etiqueta. La fuente identifica al proceso transmisor. El destino identifica al proceso receptor. El comunicator especifica el grupo de procesos a los cuales pertenecen la fuente y el destino. La etiqueta (tag) permite clasificar el mensaje. El campo etiqueta es un entero definido por el usuario que puede ser utilizado para distinguir los mensajes que recibe un proceso. Por ejemplo, se tienen dos procesos A y B. El proceso A envía dos mensajes al proceso B, ambos mensajes contienen un dato. Uno de los datos es utilizado para realizar un cálculo, mientras el otro es utilizado para imprimirlo en pantalla. El proceso A utiliza diferentes etiquetas para los mensajes. El proceso B utiliza los valores de etiquetas definidos en el proceso A e identifica que operación deberá realizar con el dato de cada mensaje.


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3.10 SCADA y la Internet. La Internet se ha convertido en una herramienta muy utilizada y muy importante en nuestros días, el uso más común que se le da es para buscar información y en la aplicación del sistema SCADA no podía ser la excepción; solo que en este caso en particular la Internet es utilizada para enviar o recibir información de suma importancia que se este generando en la planta o el lugar en el cual se esta llevando a cabo el proceso e inclusive en algunos softwares que son utilizados para el sistema HMI/SCADA, se utiliza para obtener actualizaciones del mismo; por ende es un complemento y una herramienta mas del sistema que no suele utilizarse por desconocimiento de la misma. La Internet es simplemente la red virtual en donde todas las estaciones son conectadas sin preocuparse de las conexiones físicas subyacentes; cuando son conectados dos nodos juntos el camino de la comunicación se da a través de las redes múltiples o por medio del área local networks. El hecho mencionado con anterioridad, es posible gracias al uso de una familia universal de protocolos abiertos llamada TCP/IP la cual forma la base de la Internet. Esencialmente el protocolo IP ofrece la habilidad de realizar una asignación de ruta que permite enviar los paquetes de datos por encima de una topología complicada de redes interconectadas. La parte TCP del protocolo permite a los paquetes de datos ser enviados de un punto a otro y con ello tener la certeza de que llegan a su destino. Los protocolos de aplicación de tipo capa, pueden ser los llamados protocolos hipertexto transferible o mejor conocidos como HTTP usados por el World Wide Web (www). Los “www” son interfaces gráficas que les permiten a las personas leer y enviar información que han guardado en el formato World Wide Web stándar. Aunque la Internet es muy popular y un gran camino de comunicación entre estaciones, la Intranet es otro termino que esta volviéndose importante en el mundo SCADA. La Intranet es simplemente poner una red interna de Internet hacia una compañía específica y no necesariamente conectarse a la Internet. A continuación se presenta un cuadro comparativo entre la Internet, Intranet y una red de área local.

Sistema SCADA utilizando la Internet

Sistema SCADA utilizando la Intranet

Sistema SCADA utilizando una Compañía de

Red Insegura. Segura. Segura. Utiliza web. Utiliza web. Legado de servicio al cliente. TCP/IP. TCP/IP. Protocolo múltiple. Dinámica. Dinámica. Estática. Limitado Management Controlado. Infraestructura Gerencial.


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Una Intranet es diseñada para permitir la comunicación dentro de una sola red; los Intranet’s pueden ser definidos como redes corporativas base IP siendo que emplean un navegador stándar usando una interface para aquéllas estaciones de trabajo que se encuentren conectadas a la red. Los Intranet’s ofrecen una extraordinaria forma de capitalizar los beneficios que trae consigo la tecnología Internet entre los que tenemos una consistente interface en toda la red, fácil uso de la web para publicar herramientas e idiomas, medios de comunicación mixto, mantenimiento centralizado de recursos compartidos y mucho mas, todo esto dentro de una red interna. Aunque hay que mencionar que muchas compañías con un sistema SCADA pueden restringir la transferencia de datos al ambiente de la compañía. Con la integración del módem y de un software, estos PC han llegado a ser que los nodos de Internet sean accesibles en cualquier parte del mundo. Clientes y sistemas integrados pueden estar en una fábrica remota y estar recabando la misma información si el proceso estuviese en el mismo edificio que ellos y por si esto fuera poco los técnicos también pueden estar al tanto de lo que pasa. Con el software y hardware disponibles, cualquier empresa puede realizar un sistema de adquisición de datos para recabar información en tiempo real y a su vez transmitirla a cualquier parte del mundo a un costo muy accesible. Al utilizar la Internet en un sistema SCADA se obtienen grandes beneficios ya que nos permite enviar información de suma importancia a otras partes del mundo sin embargo antes de utilizar ésta herramienta debe de pensarse detenidamente en la seguridad que puede o no ofrecer la misma, ya que los problemas existentes en el área de seguridad a nivel mundial y mas en el tema de la Internet, definitivamente afectara al sistema SCADA, puesto que hay que resguardar la información y los recursos de la empresa que este utilizando este sistema. El sistema de comunicaciones global debe de ser dinámico para de ésta forma permitir los cambios que se pudiesen dar en el modelo del sistema SCADA, mientras que los protocolos TCP/IP pueden usarse ampliamente. Las redes Ethernet usadas por el sistema Intranet no garantizan una velocidad adecuada al momento de transferir la información puesto que los paquetes de datos que son transferidos tienen que clasificarse según su tamaño para asegurarse que en el peor de los casos como por ejemplo un alto nivel de tráfico (por ejemplo al momento del cierre de la planta) que la información sea enviada en tiempo requerido. Aunque se pueden suscitar otro tipo de problemas como por ejemplo:

Que el sistema SCADA requerirá de IP universales para acceder a la red, esto no es bueno ya que con ello se lograra que cualquiera pueda tener acceso a la información generada del proceso de cualquier empresa.

El sistema SCADA global ya sea basado en la Internet o en la Intranet debe de ser manejable; esto es, que el administrador del sistema necesita tener muy en claro la información que recibe y envía por todos los puntos del sistema.


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Finalmente el sistema global debe de ser adaptable; quiere decir que debe de permitir

o cubrir los constantes cambios que se puedan generar en los requisitos del sistema SCADA y a la empresa ala cual esta sirviendo.

3.11 Software que utilizan el sistema SCADA. En la actualidad hay una gran gama de productos que utilizan un sistema SCADA, y todo gracias a los adelantos tecnológicos, por ende hay muchas empresas que han sacado a la venta su propio software el cual contiene HMI / SCADA, estas dos herramientas que son de gran utilidad en la industria. A continuación se mencionarán empresas y el software que cada una de ellas han sacado a la venta; sin embargo se le prestará especial interés al software conocido como “SIMATIC WinCC” perteneciente a SIEMENS ya que éste es utilizado en el Laboratorio de Procesos Automatizados Integrados por Computadora (LPAIC) de la ESIME Azcapotzalco.

Software Empresa Aimax Desin Instruments, S.A. All-Done SCADA Freixas Ros, S.L. Captor Sisteplant CUBE Orsi España, S.A. Cx-SuperVisor Omron Digivis Elsag Bailey Hartmann & Braun S.A. Factory Suite A2 Logitek S.A./Wonderware FIX Intellution I/A Foxboro iFIX 3.5 Intellution IGSS32 AN Consult España Intouch Logitek S.A./Wonderware Lookout Nacional Instruments Monitor Pro Schneider Electric P6008 Foxboro SCADA Pack-Centre Agecontrol Pyman Pyssa Quick SPC Marposs S.p.A SCADA inTouch LOGITEK Scada-Vs Foxboro/Foxcada (Australia) SYSMAC SCS Omron Scatt Graph 5000 ABB WinCC SIEMENS


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3.11.1 SIMATIC WinCC. Como ya se mencionó es un software para HMI utilizado para todas aquellas aplicaciones refiriéndonos a nivel de máquina y de proceso; permitiéndonos la configuración de manera continua en todos los equipos SIMATIC HMI. WinCC es un sistema eficiente para la entrada bajo Microsoft Windows 2000 y Windows XP. Cuenta con distintas librerías dentro de las cuales podemos encontrar objetos preconfigurados, herramientas inteligentes, módulos de imagen reutilizables e inclusive en algunos casos traducción de textos cuando se traten de un proyecto multilingüe. Este software en particular está diseñado de tal forma que nos ofrece soluciones y distintas aplicaciones en los más diversos sectores así como para los equipos de SIMATIC HMI siendo desde un micro panel hasta el PC. Ofreciéndonos un software de visualización en runtime para soluciones monopuesto basadas en PC y utilizando el Windows 2000 ó en su defecto Windows XP. La gran ventaja que se tiene con este software en particular es que los proyectos que son realizados son transferibles y ejecutables en distintas plataformas de HMI sin tener que realizar algún tipo de conversión. Así como con distintas opciones de acoplamiento a las más diversas soluciones de automatización existentes en el mercado tales como:

Para SIMATIC S7 utilizando para ello PPI, MPI, PROFIBUS DP y PROFINET (TCP/IP).

Para SIMATIC S5 y SIMATIC 500/505 serial y PROFIBUS DP. Para SIMOTION y SINUMERIK. Drivers para PLC’s de los fabricantes más importantes. Comunicación no propietaria vía OPC.

En WinCC es posible utilizar el medio de conexión conocido como PROFIBUS, el cual viene siendo un innovador en cuanto a la comunicación industrial se refiere ya sea desde el nivel de campo hasta lo que es el nivel del proceso. Por si esto fuera poco, con su software de configuración multilingüe se dispone de un equipamiento óptimo para su utilización a nivel mundial, con la ventaja de que un solo proyecto puede estar diseñado para un máximo de 30 idiomas; de los cuales un máximo de 16 pueden ser conmutados de manera simultánea en línea, esto dependerá del tipo de aparato con el que se cuente para ello. Nos ofrece servicios y diagnóstico vía Internet con lo que nos proporciona la opción de enviar de forma automática correos electrónicos y no solamente esto sino que se puede tener un telemando de las estaciones locales, un diagnóstico de las estaciones de control por medio de funciones de diagnóstico o imágenes predefinidas y funciones de mantenimiento/servicio remotos, tales como descarga de proyectos o en su defecto poder hacer una carga/descarga de actualizaciones del software si así lo requiriera, entre otras. A continuación se darán a conocer de manera general las herramientas con las que cuenta el software así como los distintos tipos de proyectos que se pueden configurar.


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WinCC es un sistema modular. Sus componentes básicos son el software de configuración (CS) y el software Runtime (RT). Tal y como se muestra en la Figura 3.32. WinCC Explorer constituye el núcleo del software de configuración. En WinCC Explorer se representa la estructura global del proyecto y se gestiona el proyecto. Para configurar se dispone de unos editores específicos que pueden activarse desde WinCC Explorer. Con cada uno de los editores se configura un determinado subsistema de WinCC.

Figura 3.32. Sistema Modular de WinCC.

Subsistemas de WinCC.

Graphic Designer (Sistema de Gráficos); es una herramienta en la cual nos ayudara a realizar de manera visual el proceso; esto es, un editor de imágenes.

Alarm Logging (Sistema de Avisos); es el editor con el cual podremos asignar una señal de alarma dentro del proceso que se desee configurar.

Tag Logging (Sistema de Ficheros; es el editor para determinar los datos a archivar. Report Designer (Sistema de Informes); este editor se utiliza para el diseño de los

reportes que deseemos elaborar. User Administrador (Administración de Usuario); este editor se emplea para dar una

administración a los usuarios. Existe una herramienta dentro de WinCC que se llama “RUNTIME”, con el cual el usuario es capaz de visualizar y controlar el proceso; las principales tareas de ésta herramienta son:

Visualizar las imágenes en la pantalla. El archivar los datos tales como los valores del proceso y eventos de avisos. Manejar el proceso; esto es, predeterminando los valores de consigna. Leer los datos que se encuentran guardados en la base de datos CS.

Tipos de Proyectos. Dentro de WinCC se pueden crear o dar de alta tres tipos de proyectos y que a continuación se darán a conocer.


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Para Estación Monopuesto; si se desea trabajar en un proyecto desde un único equipo, debe crear un proyecto para estación monopuesto. El proyecto WinCC se ejecuta en un equipo que funciona como servidor para el procesamiento de los datos y como equipo de mando. No será posible acceder al proyecto desde otros equipos. El equipo se comunica con el sistema de automatización a través de la comunicación de procesos. Para Estación Multipuesto; Si desea trabajar en un proyecto desde varios equipos, debe crear un proyecto para estación multipuesto. Para un sistema multipuesto existen dos posibilidades:

• Sistema multipuesto con uno o más servidores: Varios servidores con uno o más clientes. Un cliente accede a varios servidores. Los datos de Runtime están distribuidos en diferentes servidores. Los datos de configuración se encuentran tanto en los servidores como en los clientes.

• Sistema multipuesto con un solo servidor: Un servidor con uno o más clientes. Todos

los datos están en el servidor. En el servidor se crea un proyecto para estación multipuesto. El servidor se comunica con el sistema de automatización a través de la comunicación de procesos.

En el proyecto para estación multipuesto se van a dar de alta los clientes que podrán acceder al servidor. Hecho lo anterior, se deben de crear en los correspondientes equipos los proyectos de cliente necesarios. Para trabajar con varios servidores debe duplicar el proyecto para estación multipuesto en el segundo servidor. Adapte el proyecto duplicado de la forma necesaria. También puede crear en el segundo servidor un segundo proyecto para estación multipuesto independiente del proyecto del primer servidor. Un servidor también puede acceder como cliente a otro servidor. Esta posibilidad resulta útil por ejemplo si utiliza un servidor de ficheros o un servidor de archivos. Para Proyecto de Cliente; si ha creado un proyecto para estación multipuesto, deberá crear los correspondientes clientes que accederán al servidor. En cada equipo que va a ejercer la función de cliente debe crear un proyecto de cliente. Para un cliente WinCC dispone de dos posibilidades:

Sistema multipuesto con uno o más servidores: El cliente accede a varios servidores. Los datos de Runtime están distribuidos en diferentes servidores. Los datos de configuración de los proyectos para equipo multipuesto se encuentran en los servidores. En los clientes pueden estar los datos de configuración locales en los proyectos de cliente: imágenes, variables, etc.

Sistema multipuesto con un solo servidor: El cliente accede a un único servidor. Todos

los datos se encuentran en el servidor y se referencian en los clientes. Un servidor de ficheros o un servidor de archivos también pueden acceder a un servidor como cliente. En el servidor crea un proyecto para estación multipuesto. El servidor se comunica con el sistema de automatización a través de la comunicación de procesos. En el proyecto para estación multipuesto crean o dan de alta los clientes que podrán acceder al servidor.


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Si configura un sistema multipuesto con un solo servidor, no debe crear un proyecto de cliente propio en el cliente WinCC. Si configura un sistema de estación multipuesto con varios servidores, deberá crear un proyecto de cliente propio en cada cliente. Lo mismo ocurre si desea acceder a un solo servidor, pero también desea disponer de los datos de Configuración en el cliente. Para crear un proyecto en WinCC de la forma más efectiva posible, antes debe estudiar la estructura del proyecto. Dependiendo del tamaño del proyecto planificado y del número de personas implicadas en la configuración, puede resultar útil definir previamente algunos ajustes y normas. Los elementos de un proyecto que puede definir antes de configurarlo son: Tipo de proyecto; antes de comenzar la planificación del proyecto debe saber si va a necesitar un sistema monopuesto o multipuesto. Si desea crear un proyecto con clientes WinCC o clientes Web, deberá observar las indicaciones correspondientes. Ruta del Proyecto; un proyecto de WinCC no tiene que crearse necesariamente en la misma partición o espacio de memoria en el en la que se ha instalado WinCC. Es mejor crear una partición propia para el proyecto. Para crear la partición debe tener en cuenta la cantidad de datos prevista. Si va a archivar un gran número de datos, el proyecto de WinCC podría necesitar varios gigabytes de memoria. Convenciones de Nombres; las convenciones de nombres pueden facilitarle la manipulación de proyectos de gran tamaño. Ayudan a mejorar la perspectiva general del proyecto especialmente con las variables, las imágenes y las funciones. Deberá tener en cuenta las limitaciones existentes para la asignación de nombres de caracteres no admitidos. Grupos de Variables; para estructurar las variables puede crear grupos de variables. En WinCC no es posible intercalar grupos entre sí; sólo puede crear un nivel con grupos de variables. Jerarquía de Imágenes; para reducir el tiempo necesario para la configuración del proyecto, antes de comenzar debe estudiar la jerarquía de imágenes que va a utilizar en el proyecto. Para ello debe hacerse una idea de las imágenes que se van a crear. Con una imagen básica y la utilización del prefijo de variables podrá estructurar la navegación en su proyecto. Reutilización de Partes de un Proyecto; puede utilizar diferentes partes de proyectos WinCC ya existentes, como imágenes, variables, funciones y acciones. Partes que conforman un Proyecto: Titulo; es decir el nombre que va a llevar nuestro proyecto.


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Computer; todos los parámetros relacionados con el entorno de trabajo de la aplicación en general. Tag Management; administrador de comunicaciones (tener en cuenta a partir de ahora que tag equivale en el proyecto a una variable, sea de comunicaciones con el PLC o interna del proyecto). Data Types; agrupación de las variables del WinCC por tamaño, sin distinción de origen de los datos (comunicaciones o internos). Editors; editores de las diferentes partes en que se subdivide el runtime del WinCC. Dentro de este apartado nos encontramos con:

1) Graphic Designer: Editor gráfico que nos permite dibujar las pantallas que componen el WinCC.

2) Alarm Logging: Editor de alarmas que nos permite configurar las ventanas y

tratamiento de alarmas del proceso.

3) Tag Logging: Editor de archivos y gráficas que e encarga de configurar el almacenamiento de datos y su posterior visualización en forma de curvas o de tablas.

4) Report Designer: Editor de informes a impresora. Se encarga de configurar todo lo

referente al envío a impresora de informes.

5) Global Script: Compilador en C que nos permite programar nuestras propias acciones y ejecutarlas de manera periódica o mediante eventos de cambio de variables.

6) Text Library: Editor de texto que nos permite asignar diferentes configuraciones de

textos según el idioma seleccionado en el WinCC.

7) User Administrator: Administrador de usuarios que nos permite activar o desactivar usuarios mediante activación de passwords.

Driver o Canal de Comunicaciones. Un driver de comunicaciones es una dll, con la extensión “.CHN” que posibilita al WinCC comunicarse con un determinado protocolo con un tipo determinado de PLC industrial o aplicación de software. Un canal de comunicaciones puede soportar varios enlaces de comunicaciones a la vez o no, dependiendo del tipo de canal. Existen canales de comunicaciones que, pese a encontrarse dentro del CD de WinCC, necesitan para funcionar una licencia aparte. Es posible generar un nuevo canal de comunicaciones si se dispone de la herramienta CDK, paquete de desarrollo de WinCC para canales de comunicaciones.


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TAG. Un tag es el elemento de enlace entre la base de datos del WinCC, las variables del PLC y los objetos del runtime de nuestra aplicación. Los valores de los tag son almacenados en nuestra base de datos del proyecto. Cuando arranca el WinCC, carga estos valores de la base de datos. A partir de ese momento se pueden modificar dichos valores, pero hay que tener en cuenta que dichas modificaciones no se almacenan en la base de datos, por lo que si utilizamos variables internas para realizar una receta de valores, y nos salimos de WinCC, cargará al arrancar de nuevo los valores de las variables internas que tenga asignados en propiedades estáticas, y no el último valor que hubiésemos introducido. Grupo. Todas las variables, tanto las internas como las externas pueden agruparse en grupos o grupos de variables, lo que permite cuando el proyecto crece en tamaño acceder a las variables de una manera más intuitiva. Dentro de WinCC, existe una herramienta o subsistema en el cual no solamente podemos controlar el proceso sino que además logramos visualizarlo y se llama “Graphic Designer”; ya que contiene librerías en las cuales encontraremos diversos objetos tales como sensores, bandas transportadoras, depósitos de agua, almacenes, etc., todo aquello que nos ayudara para ir construyendo nuestro proceso a semejanza del que tenemos de forma real. Por ende a continuación se hará mención de los distintos iconos que conforman a este subsistema. Barra de Herramientas. Esta barra contiene los siguientes iconos:

Nueva picture (PLD). Abrir picture (PLD). Guardar imagen (PLD). Arrancar el runtime desde la picture actualmente abierta en el Graphic Designer. Traer objeto al frente. Útil cuando existen varios objetos que se solapan. Enviar objeto al fondo. Útil cuando el objeto está tapando a otros. Visualizar rejilla. Forzar objetos a rejilla. Aumentar zoom de la ventana. Disminuir zoom de la ventana.

Realizar zoom a la selección. Realiza un zoom a una selección que hagamos. Copiar las propiedades del objeto en el portapapeles. Pegar las propiedades en el portapapeles.

Biblioteca de objetos.


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Barra de Objetos. La barra de Objetos a su vez se encuentra dividida en tres grupos que son: Standard Objects; aquí podemos encontrar los objetos estándar para dibujo tales como polígonos, líneas, círculos, etc.

Smart Objects; objetos inteligentes, cada uno con unas propiedades especiales. Los smart objects son la base de construcción de los proyectos de WinCC.


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Windows Objects; objetos comunes de Windows, tales como botones, cajas de selección, barras de desplazamiento, etc.

Barra de Fuente. La mayoría de los objetos poseen algún texto asociado y con ayuda de la barra de fuentes se puede configurar el tamaño y fuente de los mismos sin tener que entrar en sus propiedades.

Barra de Estilos. WinCC posee también una barra de herramientas solo para las líneas de los objetos, en las que se puede modificar el estilo de la línea, su grosor, su final y el relleno que deben tener (si poseen un grosor mayor de una simple línea).


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Barra de Layers. La barra de layers nos indica las capas que actualmente están activas en nuestra ventana. Todos los objetos poseen una propiedad layer que indica a qué capa pertenecen. Disponemos de un total de 16 capas, apareciendo por defecto todo activas.

Barra de Alineación. Esta barra se utiliza para poder alinear varios objetos y también para igualarlos en tamaño tanto en altura como en anchura. Para que aparezca activa lógicamente se deben de seleccionar por lo menos dos objetos.

Barra de Colores. Se dispone de una barra de colores para asignar a las propiedades estáticas de los objetos. Dichos colores pueden personalizarse gracias al último de los iconos de la barra. Barra de Zoom. Gracias al zoom se pueden hacer escalados a la picture hasta de 8 aumentos y reducciones hasta 1/4 parte.

CAPITULO 4 Prácticas HMI

En el presente capítulo se dará a conocer la distribución del LPAIC de la ESIME

Azcapotzalco, los pasos a seguir para poder dar de alta un proyecto, así como la elaboración

de prácticas utilizando el software WinCC.

Capítulo 4 Prácticas HMI

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4.1 Descripción del sistema del LPAIC. El sistema del LPAIC, se caracteriza por incluir en su ruta de proceso, un sistema de FMS con máquinas de CNC y una célula de pintura la cual se encuentra robotizada. Cuenta además con una banda transportadora conveyor que es la encargada de generar la ruta de proceso que se menciono con anterioridad y aunado a lo anterior con un almacén matricial automático encargado de proveer de materia prima y de almacenar el retorno de los pallets, según el caso de un proceso de aceptado o rechazado por el sistema de calidad, el cual será condicionado para este caso en particular por el sistema de visión con el que se cuenta. La ventaja que se tiene con este sistema es que se puede dividir la operación del mismo en elementos independientes, lo que implica que varios grupos de estudiantes pueden realizar prácticas simultáneas en los diferentes equipos con los cuales se encuentra conformado el LPAIC o en su defecto, realizar prácticas con uno o varios elementos integrados. Los elementos de los que se han estado hablando se darán a conocer en la Tabla 5; cabe mencionar que no se requiere forzosamente el trabajo por módulos. Por ejemplo, en el caso del FMS se pueden realizar prácticas simultáneas de CNC en ambas máquinas a la par de prácticas de robótica con el Gantry.

ELEMENTOS DEL LPAIC Clave Comentarios

CC Mesa de Control Central (PLC maestro) HMI Interfase Hombre Máquina en CC. VSN Sistema de Visión Artificial en CC. CNV Conveyor Est0 Estación 0 (almacén) en CNV. Est1 Estación 1 (primera unión) en CNV. Est4 Estación 4 (segunda unión) en CNV. Est5 Estación 5 (FMS) en CNV. Est6 Estación 6 (tercera unión) en CNV. Est7 Estación 7 (entrada a CPT) en CNV. Est8 Estación 8 (salida de CPT) en CNV. Est9 Estación 9 (buffer de salida) en CNV.

AMT Almacén Matricial FMS Sistema Flexible de Manufactura GTY Gantry de Servicio a CNC de FMS. VMC Centro de maquinado vertical CNC de FMS. TNO Torno CNC de FMS. CPT Celda de Pintura BSP Banda a servicio de pintura en CPT. APT Área de pintura en CPT.

Tabla 5. Elementos del LPAIC.


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4.2 Funcionamiento del LPAIC. Primeramente el pallet comienza en el Almacén Matricial, en donde por medio de una solicitud hecha a través de lo que se conoce como HMI o con ayuda de algún otro elemento que funcionara como disparador, se solicita materia prima. Una vez que se ha solicitado la materia prima, el pallet procede a ser recogido por el manipulador cartesiano del almacén matricial para después ser depositado en la estación 0 de la banda transportadora conveyor. La Banda Transportadora Conveyor comienza su camino pasando por las estaciones 1 y 4, las cuales sólo son de transferencia; cuando el pallet llega a la estación 5 es trasladado a una estación que se encuentra fuera de la conveyor para que así el FMS comience su operación. En el FMS el pallet entrega al Gantry la materia prima que se desea maquinar, sean para torno, centro de maquinado o ambas. El Robot Gantry espera a que una o ambas máquinas CNC terminen de maquinar; recoge la pieza y la coloca sobre el pallet para después regresar el pallet a la banda transportadora conveyor. Una vez que las piezas son maquinadas, el pallet continúa a través de la estación 6 para seguir por la estación 7; esta última es la entrada a la Celda de Pintura. Cuando el pallet llega a la celda de pintura, es ingresado a la misma gracias a una banda conveyor la cual en su momento puede ser utilizada como cola de espera. Cada vez que el robot tenga disponibilidad, procederá a tomar el minipallet, el cual es el que contiene las piezas que serán pintadas para ser ingresado a la zona de pintura, mientras que el pallet de transporte pasa a la zona de entrega. Una vez que las piezas son pintadas, regresan al pallet que se encuentra en la zona de entrega. Si llegase otro pallet a la “cola de espera”, el robot procede a tomar el minipallet mientras deja ir el pallet que contiene la o las piezas que ya han sido pintadas de vuelta a la banda transportadora conveyor y repite este mismo ciclo mientras existan pallets en espera. Una vez que el pallet contiene las piezas maquinadas y pintadas, éste regresa a la banda transportadora por la estación 8 para después continuar por la estación 9, la cual es considerada como buffer de salida; esto es, que su función es la de acumular los pallets de salida para que el almacén pueda almacenarlos en donde corresponde. Por ultimo el pallet que sale de la estación 9 regresa a la estación 0 en donde es inspeccionado en este caso en particular por un “Sistema de Visión Artificial” para decidir si el pallet debe de ser entregado a una columna de producto terminado o a una columna de producto rechazado. En la Figura 4.1 se muestra un diagrama representativo de la distribución con la que se cuenta en el LPAIC.


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Conveyor

VMC

Torno

Almacén

Celda dePintura

CC

MesaPintura

MesaGantry

Gan

try

VSN

Figura 4.1. Distribución del LPAIC.

4.3 Sistema de Control. El LPAIC utiliza un PLC Maestro multiesclavo para el control, los PLC’s denominados como “esclavos” se conectan al PLC Maestro gracias a un protocolo Profibus; teniendo un PLC esclavo para el Almacén Matricial y otro para la Celda de Pintura. La Banda Transportadora Conveyor y el FMS se encuentran conectados directamente al PLC Maestro, cabe mencionar que también se encuentran conectados vía Profibus los variadores de frecuencia de los motores trifásicos de la conveyor. A continuación se darán a conocer el sistema de control de cada uno de los equipos que conforman el LPAIC. Almacén Matricial. Este equipo cuenta con dos sistemas de control, el primero de ellos es un PLC de la marca Siemens Simatic S-200 que realiza la función de esclavo y un control para los servomotores “Parker 6K”. Las salidas del control 6k van directamente al PLC S-200 y este último se comunica con el PLC Maestro vía Profibus. Hay que destacar que el lector de código de barras (CB) el cual se utiliza para identificar los pallets que ingresan al sistema se encuentra conectado al PLC. Celda de Pintura. Tiene o cuenta con un control CRS C500C para el robot de pintura cuyo puerto de propósito general se encuentra conectado a un PLC S-200 que realiza la función de esclavo y como sucede con el almacén matricial el PLC esclavo se conecta al PLC Maestro vía Profibus.


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FMS. El Robot Gantry de la FMS es el encargado de controlar la gran mayoría de las funciones de las CNC, algunas de las salidas de las máquinas antes mencionadas se reflejan en el PLC Maestro, aunque, cabe mencionar que son consideradas únicamente como entradas en el PLC; esto quiere decir que el PLC no tiene control sobre las CNC. Si se desea tener un control automático de las máquinas de CNC, deben utilizarse las Ip y Op del Robot Gantry. MM4. Las siglas MM4 significan Micro Master 4 y son unos variadores independientes que se encuentran conectados al PLC Maestro vía Profibus; cuya función es la de controlar los motores de la banda transportadora conveyor; hay que recordar que la conveyor se encuentra controlada por el PLC Maestro. Sistema de Visión. Este sistema para este caso en particular es utilizado como control de calidad utilizando una tarjeta de adquisición de datos y una aplicación en donde trabaja con dichos datos. La salida resumida de los datos que recoge y la entrada de control resumida es controlada por el PLC Maestro. Desde el programa principal se hace una inspección de la imagen que fue tomada por la cámara, hecho lo anterior la tarjeta regresa al PLC uno de dos datos, esto es, ya sea que la pieza inspeccionada fue aprobada o rechazada se activa una u otra entrada del PLC Maestro. Conveyor y PLC Maestro. Incluye todos los elementos para el control de tráfico, salvo los controles de las bandas principales que se encuentran en los variadores MM4, bajo este concepto existen elementos tales como el FMS y el Sistema de Visión que se encuentran conectados de manera directa al PLC Maestro. 4.4 Diagrama de Comunicación del LPAIC. El PLC Maestro se encuentra conectado directamente a algunos de los elementos que componen el LPAIC; entre ellos la banda transportadora conveyor, el Sistema de Visión o el FMS. La comunicación con los demás equipos se logra gracias a los PLC’s esclavos. En el caso del FMS el que no se contase con un PLC esclavo, no le resta individualidad ya que el controlador se encuentra conectado directamente a las CNC. Se puede utilizar de modo independiente el Robot Gantry, el Gantry con las CNC o el FMS integrado al resto del LPAIC.


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Del mismo modo, el sistema de visión artificial es capaz también de trabajar de modo independiente o integrado. Finalmente, dado que el HMI se encuentra justamente en el PLC Maestro, una vez integrado el sistema, el HMI es capaz de monitorear y de controlar cualquier variable de sistema. A continuación, en la Figura 4.2 se muestra el diagrama de comunicación del LPAIC.

S 200

6K

Ipmx Opmx

Q 3n.n

I 3n.nC500C

VMC

Ipfx

Opfx

TNO

Ipfx

Opfx

Sal

Ent

Ent

Sal

PLC MaestroI n.n

Q n.n Ipfx

Opfx

S 200

C500

Ippx Oppx

Q 1n.n I 1n.n

ALMACÉN

PINTURA

FMS

VISIÓN

MM4

2

MM4

1

(conveyor)

NI 1409

Q n.nI n.n

VSN_A / VSN_R

DSP_V/DSP_V2

CB

I 3n.n

Profibus

Figura 4.2. Diagrama de Comunicación.

4.5 Listado de Entradas y Salidas. Toda salida del PLC es representada con una “Q”, así como toda entrada es representada con una “I”. Después de dicha letra aparecerá un número el cual nos indica el módulo al que pertenece la salida o entrada e indica el byte bit de que se trata; por ejemplo la entrada 3 del byte 4 se escribe de la siguiente forma (I4.3). Para una dirección local los bytes siempre van de 0 a 10 y para los PLC’s esclavos el byte cambia dependiendo del módulo del que se trate. Para el Almacén Matricial se comienza con el byte 30 y para la Celda de Pintura con el byte 10. Gran mayoría de estas entradas/salidas (I/O), se encuentran conectadas a otros elementos tales como al C-500 (robot) o hacia el 6k (controlador del almacén matricial) y cada controlador cuenta con un puerto denominado multipropósito; este puerto trabaja también con entradas y salidas y que para no confundirlas con las que se utilizan para el PLC las denominaremos a las entradas como Inputs (Ip) y para las salidas Outputs (Op). Por último, se agrega una letra a la abreviación para de esta forma diferenciar el tipo de I/O de cada equipo; por ejemplo, la Input 10 del FMS será Ipf10, la output 16 del almacén matricial será Opm16, etc.


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En cuanto al lector de código de barras se refiere y que es utilizado para la identificación de los pallets, el valor de entrada es ingresado al sistema de forma directa por medio de una dirección del PLC de tipo I. Las máquinas de CNC utilizan “variables” ligeramente distintas ya que las entradas típicas a una CNC serán Abrir Puerta, Cerrar Puerta, Abrir Sujeción, Cerrar Sujeción, Iniciar Proceso, etc., mientras que las salidas típicas desde una CNC serán puerta abierta, puerta cerrada, sujeción abierta, sujeción cerrada, máquina lista o en algunos casos dependiendo de la forma en q se este llevando el proceso máquina ocupada. A comparación de lo ya establecido y mencionado con anterioridad en la forma de la sintaxis de las entradas y las salidas, las entradas a las CNC son marcadas con mayúsculas y las salidas de estas son escritas con minúsculas y esto se debe a que la naturaleza en la comunicación en las CNC’s, son mas de orden pasivo que interactivo, de ahí que se use la nomenclatura directa del PLC y esta nomenclatura o lista de I/O se dará a conocer en el punto 4.5.1. Por último, el Sistema de Visión emplea un sistema de puerto paralelo a un gabinete que interfasa dicho puerto a I/O del PLC, por ende, el sistema de visión va conectado directamente al PLC Maestro. 4.5.1 Listado de I/O del PLC Maestro. El PLC maestro del sistema LPAIC-CP es un PLC Siemens Simatic S7-300. Es decir, se compone de una CPU (315-2DP) y de varias tarjetas de entradas o de salidas (SM 321 y SM 322). Aunque la conveyor es el principal elemento conectado al PLC maestro, no es el único. A continuación se presentan las listas de entradas y salidas para la conveyor. Aunque algunas direcciones pueden llegar a cambiar entre modelos, la relación entre símbolos y posición se mantiene. Banda 1. Ingreso y egreso de los pallets al sistema utilizando para ello el Almacén Matricial (estación 0). Símbolo Comentario Dirección

st0 Sensor de Tráfico 0 I 0.0 sp0 Sensor de Plataforma 0 I 0.1 sd0 Sensor Dentro 0 I 0.2 sf0 Sensor Fuera 0 I 0.3 st1 Sensor de Tráfico 1 I 0.4

AT0 Actuador de Tráfico 0 Q 0.0 AP0 Actuador de Plataforma 0 Q 0.1 CS0 Cadena de Salida 0 Q 0.2 CE0 Cadena de Entrada 0 Q 0.3 AR0 Actuador de Retención 0 Q 0.4

st0

sp0

sd0sf0

st1

CE0

AT0

AP0CS0

AR0


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Banda 2. Primera Transferencia (estación 1). Símbolo Comentario Dirección

sp1 Sensor de Plataforma 1 I 0.5 pp1 Pallet Presente 1 I 0.6 sar1 Sensor de Act., de Ret. 1 I 0.7

AR1 Actuador de Retención 1 Q 0.5 AP1 Actuador de Plataforma 1 Q 0.6 CdI1 Cadena Izquierda 1 Q 0.7 CdD1 Cadena Derecha 1 Q 1.0

Banda 3. Segunda Transferencia (estación 4). Símbolo Comentario Dirección

st4 Sensor de Tráfico 4 I 1.0 sp4 Sensor de Plataforma 4 I 1.1 pp4 Pallet Presente 4 I 1.2 sar4 Sensor de Act., de Ret. 4 I 1.3


Banda 4. Entrada a FMS (estación 5). Símbolo Comentario Dirección

st5 Sensor de Tráfico 5 I 1.4 sp5 Sensor de Plataforma 5 I 1.5 sd5 Sensor Dentro 5 I 1.6 sf5 Sensor Fuera 5 I 1.7 st6 Sensor de Tráfico 6 I 2.0

AR5 Actuador de Retención 5 Q 1.6 AT5 Actuador de Tráfico 5 Q 1.7 AP5 Actuador de Plataforma 5 Q 2.0 CE5 Cadena de Entrada 5 Q 2.1 CS5 Cadena de Salida 5 Q 2.2

sp1 pp1 sar1AP1

CdD1

AR1 CdI

sp4 pp4 sar4AP4

CdD4

AR4CdIst4

st6

sp5

sd5 sf5

st5

CS5

AT5

AR5CE5

AP5


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Banda 5. Tercera Transferencia (estación 6). Símbolo Comentario Dirección

Sp6 Sensor de Plataforma 6 I 2.1 Pp6 Pallet Presente 6 I 2.2 Sar6 Sensor de Act., de Ret. 6 I 2.3


Banda 6. Última Transferencia, entrada y salida de Celda de Pintura (7, 8 y 9). Símbolo Comentario Dirección

st9 Sensor de Tráfico 9 I 2.4 sp9 Sensor de Plataforma 9 I 2.5 pp9 Pallet Presente 9 I 2.6 sar9 Sensor de Act., de Ret. 9 I 2.7 st7 Sensor de Tráfico 7 I 4.3 sp7 Sensor de Plataforma 7 I 4.4 pp7 Pallet Presente 7 I 4.5 sp8 Sensor de Plataforma 8 I 4.6 pp8 Pallet Presente 8 I 4.7

AR9 Actuador de Retención 9 Q 2.7 AP9 Actuador de Plataforma 9 Q3.0 CdI9 Cadena Izquierda 9 Q3.1 CdD9 Cadena Derecha 9 Q 3.2 AR7 Actuador de Retención 7 Q 4.6 AP7 Actuador de Plataforma 7 Q 4.7 CdI7 Cadena Izquierda 7 Q 5.0 CdD7 Cadena Derecha 7 Q 5.1 AP8 Actuador de Plataforma 8 Q 5.2 CdI8 Cadena Izquierda 8 Q 5.3 CdD8 Cadena Derecha 8 Q 5.4

sp6

pp6

sar6AP6

CdD6AR6

CdI

sp7

pp7

sar7AP7

CdD7 AR7

CdIsp9 pp9

sar9

AP9

CdD9 AR9

CdI

AT9st9

sp8 pp8AP8

CdD8

CdI


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4.5.2 Listado del PLC Esclavo del FMS (Robot y CNC). Símbolo Comentario Catalyst Dirección

Opf1 Output de FMS 1 output 1 I 3.0 Opf2 Output de FMS 2 output 2 I 3.1 Opf3 Output de FMS 3 output 3 I 3.2 Opf4 Output de FMS 4 output 4 I 3.3 Opf5 Output de FMS 5 output 5 I 3.4 Opf6 Output de FMS 6 output 6 I 3.5

Cycle start VMC output 7 Abrir Puerta VMC output 8 Cerrar Puerta VMC output 9 Abrir Mordaza VMC output 10 Cerrar Mordaza VMC output 11 Cycle start Torno output 12 Abrir Puerta Torno output 13 Cerrar Puerta Torno output 14 Abrir chuck Torno output 15 Cerrar chuck Torno output 16

Ipf1 Input de FMS 1 input 1 Q 3.3 Ipf2 Input de FMS 2 input 2 Q 3.4 Ipf3 Input de FMS 3 input 3 Q 3.5 Ipf4 Input de FMS 4 input 4 Q 3.6 Ipf5 Input de FMS 5 input 5 Q 3.7 Ipf6 Input de FMS 6 input 6 Q 4.0 mrV Máquina Lista VMC input 7 I 5.2 paV Puerta Abierta VMC input 8 I 5.3

Puerta Cerrada VMC input 9 Mordaza Abierta VMC input 10 Mordaza Cerrada VMC input 11

mrT Máquina Lista Torno input 12 I 5.4 paT Puerta Abierta Torno input 13 I 5.5

Puerta Cerrada Torno input 14 Mordaza Abierta Torno input 15 Mordaza Cerrada Torno input 16

Visión Artificial (en banda 1). Símbolo Comentario DirecciónVsn_V Visión Aceptado I 5.0 Vsn_R Visión Rechazado I 5.1 DSP_V Disparo de Visión Q 5.5

DSP_V2 Disparo Aux., de Visión Q 5.6


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4.5.3 Listado del PLC Esclavo de la “Celda de Pintura” I 1B.b / Q IB.b Símbolo Comentario F3 Dirección

step Sensor de Tráfico a la Entrada I 10.0 ppep Pallet Presente a la Entrada I 10.1 ppes Pallet presente a la Salida I 10.2 stsp Sensor de Tráfico a la Salida I 10.3 spep Sensor de Plataforma a la Entrada I 10.4 spsp Sensor de Plataforma a la Salida I 10.5 bvp Botón Verde I 10.6 e_ep Botón Rojo a la Entrada I 10.7 e_sp Botón Rojo a la Salida I 11.0 pot1 Portaherramientas Pintura input 5 I 11.1 pot2 Portaherramientas Pinza input 6 I 11.2 lock Interlock puerta Pintura input 9 I 11.5 HTA Output F3 4 / herramienta output 4 RTX Output F3 pintura 5 / Ortiz output 5 PNM Output F3 pintura 6 / hab. neumática output 6 Opp7 Output F3 pintura 7 output 7 I 11.6 Opp8 Output F3 pintura 8 output 8 I 11.7 Opp9 Output F3 pintura 9 output 9 I 12.0

Opp10 Output F3 pintura 10 output 10 I 12.1 Opp11 Output F3 pintura 11 output 11 I 12.2 Opp12 Output F3 pintura 12 output 12 I 12.3 Opp13 Output F3 pintura 13 output 13 I 12.4

APEP Actuador de Plataforma a la Entrada Q 10.0 APSP Actuador de Plataforma a la Salida Q 10.1 ATEP Actuador de Tráfico a la Entrada Q 10.2 ATSP Actuador de Tráfico a la Salida Q 10.3 TLP Transferencia Lineal Q 10.4

BNDP Bandas de Pintura Q 10.5 EXT Extractor de Aire Q 10.6 BMB Bomba de Cortina de Agua Q 10.7 CMP Compresor de Pintura Q 11.0 Ipp10 Input Robot de Pintura 10 input 10 Q 11.1 Ipp11 Input Robot de Pintura 11 input 11 Q 11.2 Ipp12 Input Robot de Pintura 12 input 12 Q 11.3 Ipp13 Input Robot de Pintura 13 input 13 Q 11.4 Ipp14 Input Robot de Pintura 14 input 14 Q 11.5

step

ppep

speAPSP APEP

BN

e-

ppsp

sps

stsp

ATEP

ATSP

e-bv

BN

lo

popoRTXBMB

PNMHTA

EXT


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4.5.4 Listado del PLC Esclavo del Almacén Matricial I 3B.b / Q 3B.b Símbolo Comentario 6K Dirección

c1b6 Columna 1 Bahía 6 I 30.0 c1b5 Columna 1 Bahía 5 I 30.1 c1b4 Columna 1 Bahía 4 I 30.2 c1b3 Columna 1 Bahía 3 I 30.3 c1b2 Columna 1 Bahía 2 I 30.4 c1b1 Columna 1 Bahía 1 I 30.5 c2b6 Columna 2 Bahía 6 I 30.6 c2b5 Columna 2 Bahía 5 I 30.7 c2b4 Columna 2 Bahía 4 I 31.0 c2b3 Columna 2 Bahía 3 I 31.1 c2b2 Columna 2 Bahía 2 I 31.2 c2b1 Columna 2 Bahía 1 I 31.3 c3b6 Columna 3 Bahía 6 I 31.4 c3b5 Columna 3 Bahía 5 I 31.5 c3b4 Columna 3 Bahía 4 I 31.6 c3b3 Columna 3 Bahía 3 I 31.7 c3b2 Columna 3 Bahía 2 I 32.0 c3b1 Columna 3 Bahía 1 I 32.1 c4b6 Columna 4 Bahía 6 I 32.2 c4b5 Columna 4 Bahía 5 I 32.3 c4b4 Columna 4 Bahía 4 I 32.4 c4b3 Columna 4 Bahía 3 I 32.5 c4b2 Columna 4 Bahía 2 I 32.6 c4b1 Columna 4 Bahía 1 I 32.7 c5b6 Columna 5 Bahía 6 I 33.0 c5b5 Columna 5 Bahía 5 I 33.1 c5b4 Columna 5 Bahía 4 I 33.2 c5b3 Columna 5 Bahía 3 I 33.3 c5b2 Columna 5 Bahía 2 I 33.4 c5b1 Columna 5 Bahía 1 I 33.5

Opm1 Output de Matricial 1 1 out. 1 I 33.6 Opm2 Output de Matricial 2 1 out. 2 I 33.7 Opm3 Output de Matricial 3 1 out. 3 I 34.0 Opm4 Output de Matricial 4 1 out. 4 I 34.1 Opm5 Output de Matricial 5 1 out. 5 I 34.2 Opm6 Output de Matricial 6 1 out. 6 I 34.3 Opm7 Output de Matricial 7 1 out. 7 I 34.4 Opm8 Output de Matricial 8 1 out. 8 I 34.5 Opm9 Output de Matricial 9 1 out. 9 I 34.6

Opm10 Output de Matricial 10 1 out. 10 I 34.7


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Símbolo Comentario 6K Dirección Opm11 Output de Matricial 11 1 out. 11 I 35.0 Opm12 Output de Matricial 12 1 out. 12 I 35.1 Opm13 Output de Matricial 13 1 out. 13 I 35.2 Opm14 Brazo Matricial 1 out. 14 Opm15 Rotix Matricial 1 out. 15 Opm16 Gripper Matricial 1 out. 16 Ipm17 Output de Matricial 17 1 in. 17 Q 30.0 Imp18 Output de Matricial 18 1 in. 18 Q 30.1 Imp19 Output de Matricial 19 1 in. 19 Q 30.2 Imp20 Output de Matricial 20 1 in. 20 Q 30.3 Imp21 Output de Matricial 21 1 in. 21 Q 30.4 Imp22 Output de Matricial 22 1 in. 22 Q 30.5 Imp23 Output de Matricial 23 1 in. 23 Q 30.6 Imp24 Output de Matricial 24 1 in. 24 Q 30.7 Imp25 Output de Matricial 25 1 in. 25 Q 31.0 Imp26 Output de Matricial 26 1 in. 26 Q 30.1 Imp27 Output de Matricial 27 1 in. 27 Q 30.2 Imp28 Output de Matricial 28 1 in. 28 Q 30.3 Imp29 Output de Matricial 29 1 in. 29 Q 30.4 Imp30 Output de Matricial 30 1 in. 30 Q 30.5 Imp31 Brazo Extendido 1 in. 31 Imp32 Brazo Retraído 1 in. 32

c5b1 c4b1 c3b1 c2b1 c1b1 c5b2 c4b2 c3b2 c2b2 c1b2 c5b3 c4b3 c3b3 c2b3 c1b3 c5b4 c4b4 c3b4 c2b4 c1b4 c5b5 c4b5 c3b5 c2b5 c1b5 c5b6 c4b6 c3b6 c2b6 c1b6


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4.6 Pasos a seguir para dar de alta un proyecto utilizando el software WinCC. En el capítulo 3 se explicó brevemente las distintas funciones que realiza el software WinCC; sin embargo a continuación se dará a conocer de manera general la forma o los pasos que deben de seguirse para crear un proyecto y se dice de forma general ya que no se especificara el nombre del mismo ni los nombres de los distintos grupos o equipos que se pretenden controlar a través de este software. 1.- Primeramente se debe de tomar en consideración cuantos usuarios podrán disponer o acceder al software para su monitoreo; en caso de ser solamente un usuario, se debe de elegir la opción “Single User Proyect”; si se desea que varios usuarios tengan acceso pero que se encuentren en el mismo sistema, se seleccionara la opción “Multi User Proyect” y por último tenemos la opción “Multi Client Proyect” que es utilizada en caso de que deseemos tener varios usuarios pero que se tenga una comunicación mediante un intranet o un telnet. Para nuestro caso en particular se debe de utilizar el “Single User Proyect” ya que una sola máquina podrá monitorear todo el proceso.


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2.- Hecho lo anterior se procede a darle un nombre a nuestro proyecto, esto se hace con la finalidad de poder identificarlo fácilmente. Hay que tomar en cuenta que al momento de abrir el WinCC, por default abrirá el último proyecto con el cual se estuvo trabajando.

3.- Se selecciona nuestro driver que en este caso es el “SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE” y dentro del cual se le dan ciertas propiedades tales como la dirección de estación y el número de slot y que para ambas opciones que aparecen, se debe de insertar el número “2”.


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4.- A continuación se procede a crear el protocolo interno de conexión, es decir dar de alta nuestra conexión hacia el driver, el cual debe de ser el protocolo “MPI”; dentro de este se dan de alta nuestros grupos (los equipos que conforman el LPAIC) y a su vez en estos grupos se declaran las distintas variables que necesitemos o que se vayan a controlar. Lo anterior se logra con las direcciones previamente definidas en el PLC Maestro S7-300, y que se encuentra compuesto por una CPU (3152DP) y de varias tarjetas de entradas y de salidas (SM 321 y SM 322).

5.- Se da de alta la propiedad de conexión, esto es, se le pone un nombre si se desea a la nueva conexión.


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6.- Hecho lo anterior se da clic en el icono de propiedades para configurar los parámetros de conexión.

7.- Procedemos a configurar las variables y para ello se creara un grupo de variables dando un clic derecho en la conexión creada anteriormente y eligiendo la opción “New Group”.


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8.- Ya que se selecciono el grupo, se le da un nombre, con la finalidad de poder identificar los distintos elementos que conforman a nuestro proceso.

9.- En este se van a crear variables de entrada que nos permitirán conocer el estado de ciertas señales de entrada del PLC; se da clic derecho del mouse sobre el grupo creado y se elige la opción “new tag”; de donde aparecerá una nueva ventana en la cual se le designará un nombre.


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10.- En la ventana en la cual le designamos un nombre a la variable, se da clic sobre el icono “Seleccionar” para asignar la dirección que la variable tendrá en el área de datos del PLC; se le da la misma dirección con la que lo dimos de alta en el PLC con la finalidad de que se tenga una buena comunicación.

4.7 Listado de Entradas y Salidas de los equipos que conforman el LPAIC utilizadas en

el software WinCC. Lo visto en el punto 4.6 es de manera muy general la forma en que se debe de dar de alta un proyecto; sin embargo dentro del software de WinCC también se ocupan entradas y salidas las cuales pertenecen a cada uno de los grupos (equipos) que conforman el LPAIC y que sin estas no se podría tener un buen funcionamiento; por ello a continuación, se darán el listado de las entradas y salidas antes mencionadas. Cabe mencionar que el listado que se dio a conocer dentro del punto 4.5 del presente capítulo, son para configurar la comunicación entre el PLC Maestro y los distintos equipos del LPAIC y por ende no debe de confundirse con la configuración que se necesita hacer entre el software WinCC y los equipos. Si bien es cierto, si se realiza una comparativa de las señales de entrada y salida que son utilizadas para la configuración entre el PLC Maestro y el equipo y el software WinCC y los distintos equipos que conforman el LPAIC se podrá observar que para algunos casos son iguales; sin embargo en la gran mayoría difieren, por ende se debe de tener especial cuidado en diferenciar el listado de entradas y salidas que se utilizarán para el PLC Maestro y el WinCC.


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4.7.1 Listado de Entradas y Salidas de la Banda Transportadora Conveyor de HMI.

Símbolo Comentario Dirección st0 Sensor de Tráfico 0 I 0.0 sp0 Sensor de Plataforma 0 I 0.1 sd0 Sensor Dentro 0 I 0.2 sf0 Sensor Fuera 0 I 0.3 st1 Sensor de Tráfico 1 I 0.4 pp1 Pallet Presente 1 I 0.6 sar1 Sensor de Act., de Ret., 1 I 0.7 st4 Sensor de Tráfico 4 I 1.0 sp4 Sensor de Plataforma 4 I 1.1 pp4 Pallet Presente 4 I 1.2 sar4 Sensor de Act., de Ret., 4 I 1.3 st5 Sensor de Tráfico 5 I 1.4 sp5 Sensor de Plataforma 5 I 1.5 sd5 Sensor Dentro 5 I 1.6 sf5 Sensor Fuera 5 I 1.7 st6 Sensor de Tráfico 6 I 2.0 sp6 Sensor de Plataforma 6 I 2.1 pp6 Pallet Presente 6 I 2.2 sar6 Sensor de Act., de Ret., 6 I 2.3 st9 Sensor de Tráfico 9 I 2.4 sp9 Sensor de Plataforma 9 I 2.5 pp9 Pallet Presente 9 I 2.6 sar9 Sensor de Act., de Ret., 9 I 2.7 st7 Sensor de Tráfico 7 I 4.3 sp7 Sensor de Plataforma 7 I 4.4 pp7 Pallet Presente 7 I 4.5 sp8 Sensor de Plataforma 8 I 4.6 pp8 Pallet Presente 8 I 4.7


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Símbolo Comentario Dirección

AT0 Actuador de Tráfico 0 Q 0.0 AP0 Actuador de Plataforma 0 Q 0.1 CS0 Cadena de Salida 0 Q 0.2 CE0 Cadena de Entrada 0 Q 0.3 AR0 Actuador de Retención 0 Q 0.4 AR1 Actuador de Retención 1 Q 0.5 AP1 Actuador de Plataforma 1 Q 0.6 CdI1 Cadena Izquierda 1 Q 0.7 CdD1 Cadena Derecha 1 Q 1.0 AR4 Actuador de Retención 4 Q 1.1 AP4 Actuador de Plataforma 4 Q 1.2 CdI4 Cadena Izquierda 4 Q 1.3 CdD4 Cadena Derecha 4 Q 1.4 AR5 Actuador de Retención 5 Q 1.6 AT5 Actuador de Tráfico 5 Q 1.7 AP5 Actuador de Plataforma 5 Q 2.0 CE5 Cadena de Entrada 5 Q 2.1 CS5 Cadena de Salida 5 Q 2.2 AR6 Actuador de Retención 6 Q 2.3 AP6 Actuador de Plataforma 6 Q 2.4 CdI6 Cadena Izquierda 6 Q 2.5 CdD6 Cadena Derecha 6 Q 2.6 AR9 Actuador de Retención 9 Q 2.7 AP9 Actuador de Plataforma 9 Q 3.0 CdI9 Cadena Izquierda 9 Q 3.1 CdD9 Cadena Derecha 9 Q 3.2 AR7 Actuador de Retención 7 Q 4.6 AP7 Actuador de Plataforma 7 Q 4.7 CdI7 Cadena Izquierda 7 Q 5.0 CdD7 Cadena Derecha 7 Q 5.1 AP8 Actuador de Plataforma 8 Q 5.2 CdI8 Cadena Izquierda 8 Q 5.3 CdD8 Cadena Derecha 8 Q 5.4

Rojo M 13.1

PARO Señal de Paro M 0.2


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4.7.2 Listado de Entradas y Salidas del FMS de HMI.

Símbolo Comentario Dirección Opf1 Output FMS 1 I 3.0 Opf2 Output FMS 2 I 3.1 Opf3 Output FMS 3 I 3.2 Opf4 Output FMS 4 I 3.3 Opf5 Output FMS 5 I 3.4 Opf6 Output FMS 6 I 3.5 Opf7 Iniciar Máquina VMC I 6.0 Opf8 Abrir Puerta VMC I 6.4 Opf9 Cerrar Puerta VMC I 5.3

Opf10 Abrir Mordaza VMC I 6.3 Opf11 Cerrar Mordaza VMC I 6.2 Opf12 Iniciar Maquinado Torno I 8.4 Opf13 Abrir Puerta Torno I 9.2 Opf14 Cerrar Puerta Torno I 8.0 Opf15 Abrir Mordaza Torno I 8.7 Opf16 Cerrar Mordaza Torno I 8.6

Ipf1 Input FMS 1 Q 3.3 Ipf2 Input FMS 2 Q 3.4 Ipf3 Input FMS 3 Q 3.5 Ipf4 Input FMS 4 Q 3.6 Ipf5 Input FMS 5 Q 3.7 Ipf6 Input FMS 6 Q 4.0

MRV Máquina Preparada VMC Q 4.1 PAV Puerta Abierta VMC Q 4.7 PCV Puerta Cerrada VMC Q 4.6 MAV Mordaza Abierta VMC Q 4.5 MCV Mordaza Cerrada VMC Q 4.4 MRT Máquina Preparada Torno Q 6.6 PAT Puerta Abierta Torno Q 8.0 PCT Puerta Cerrada Torno Q 7.7 MAT Mordaza Abierta Torno Q 7.2 MCT Mordaza Cerrada Torno Q 7.1

TNO Torno Prendido M 6.1 VMC VMC Prendido M 6.2


134

4.7.3 Listado de Entradas y Salidas del Almacén de HMI.

Símbolo Comentario Dirección c1b1 Columna 1 Bahía 1 I 30.0 c1b2 Columna 1 Bahía 2 I 30.1 c1b3 Columna 1 Bahía 3 I 30.2 c1b4 Columna 1 Bahía 4 I 30.3 c1b5 Columna 1 Bahía 5 I 30.4 c1b6 Columna 1 Bahía 6 I 30.5 c2b1 Columna 2 Bahía 1 I 30.6 c2b2 Columna 2 Bahía 2 I 30.7 c2b3 Columna 2 Bahía 3 I 31.0 c2b4 Columna 2 Bahía 4 I 31.1 c2b5 Columna 2 Bahía 5 I 31.2 c2b6 Columna 2 Bahía 6 I 31.3 c3b1 Columna 3 Bahía 1 I 31.4 c3b2 Columna 3 Bahía 2 I 31.5 c3b3 Columna 3 Bahía 3 I 31.6 c3b4 Columna 3 Bahía 4 I 31.7 c3b5 Columna 3 Bahía 5 I 32.0 c3b6 Columna 3 Bahía 6 I 32.1 c4b1 Columna 4 Bahía 1 I 32.2 c4b2 Columna 4 Bahía 2 I 32.3 c4b3 Columna 4 Bahía 3 I 32.4 c4b4 Columna 4 Bahía 4 I 32.5 c4b5 Columna 4 Bahía 5 I 32.6 c4b6 Columna 4 Bahía 6 I 32.7 c5b1 Columna 5 Bahía 1 I 33.0 c5b2 Columna 5 Bahía 2 I 33.1 c5b3 Columna 5 Bahía 3 I 33.2 c5b4 Columna 5 Bahía 4 I 33.3 c5b5 Columna 5 Bahía 5 I 33.4 c5b6 Columna 5 Bahía 6 I 33.5


135

Símbolo Comentario Dirección

Opm1 Output Matricial 1 I 33.6 Opm2 Output Matricial 2 I 33.7 Opm3 Output Matricial 3 I 34.0 Opm4 Output Matricial 4 I 34.1 Opm5 Output Matricial 5 I 34.2 Opm6 Output Matricial 6 I 34.3 Opm7 Output Matricial 7 I 34.4 Opm8 Output Matricial 8 I 34.5 Opm9 Output Matricial 9 I 34.6

Opm10 Output Matricial 10 I 34.7 Opm11 Output Matricial 11 I 35.0 Opm12 Output Matricial 12 I 35.1 Opm13 Output Matricial 13 I 35.2 Imp17 Input Matricial 17 I 30.0 Imp18 Input Matricial 18 I 30.1 Imp19 Input Matricial 19 I 30.2 Imp20 Input Matricial 20 I 30.3 Imp21 Input Matricial 21 I 30.4 Imp22 Input Matricial 22 I 30.5 Imp23 Input Matricial 23 I 30.6 Imp24 Input Matricial 24 I 30.7 Imp25 Input Matricial 25 I 31.0 Imp26 Input Matricial 26 I 31.1 Imp27 Input Matricial 27 I 31.2 Imp28 Input Matricial 28 I 31.3 Imp29 Input Matricial 29 I 31.4 Imp30 Input Matricial 30 I 31.5


136

4.7.4 Listado de Entradas y Salidas de la Célula de Pintura de HMI.

Símbolo Comentario Dirección step Sensor de Tráfico a la Entrada I 10.0 ppep Pallet Presente a la Entrada I 10.1 ppes Pallet Presente a la Salida I 10.2 stsp Sensor de Tráfico a la Salida I 10.3 spep Sensor de Plataforma a la Entrada I 10.4 spsp Sensor de Plataforma a la Salida I 10.5 bvp Botón Verde I 10.6 e_ep Botón Rojo a la Entrada I 10.7 e_sp Botón Rojo a la Salida I 11.0 pot1 Portaherramientas Pintura I 11.1 pot2 Portaherramientas Pinza I 11.2 lock Interlock puerta Pintura I 11.5

Opp7 Output F3 Pintura 7 I 11.6 Opp8 Output F3 Pintura 8 I 11.7 Opp9 Output F3 Pintura 9 I 12.0

Opp10 Output F3 Pintura 10 I 12.1 Opp11 Output F3 Pintura 11 I 12.2 Opp12 Output F3 Pintura 12 I 12.3 Opp13 Output F3 Pintura 13 I 12.4

APEP Actuador de Plataforma a la Entrada Q 10.0 APSP Actuador de Plataforma a la Salida Q 10.1 ATEP Actuador de Tráfico a la Entrada Q 10.2 ATSP Actuador de Tráfico a la Salida Q 10.3 TLP Transferencia Lineal Q 10.4

BNDP Bandas de Pintura Q 10.5 EXAIR Extractor de Aire Q 10.6 BMB Bomba de Cortina de Agua Q 10.7 CMP Compresor de Pintura Q 11.0 Ipp10 Input Robot Pintura 10 Q 11.1 Ipp11 Input Robot Pintura 11 Q 11.2 Ipp12 Input Robot Pintura 12 Q 11.3 Ipp13 Input Robot Pintura 13 Q 11.4 Ipp14 Input Robot Pintura 14 Q 11.5


137

4.7.5 Listado de Entradas y Salidas del Sistema de Visión de HMI.

Símbolo Comentario Dirección Vsn_A Visión Aceptado I 5.0 Vsn_R Visión Rechazado I 5.1

DSP_V Disparo de Visión Q 5.5

DSP_V2 Disparo auxiliar de Visión Q 5.6

h_VA Habilitación de Visión M 20.6 4.7.6 Control de HMI.

Símbolo Comentario Dirección emg Paro General de Emergencia M 0.5 Cp Contador de Pintura MW 22 Cc Contador de CNC MW 24 Cm Contador de Proceso Com. MW 26

hab_CMP Hab. de Proceso Com. M 20.0 hab_CNC Hab. de Proceso de CNC M 20.1 hab_PNT Hab. de Proceso de Pintura M 20.2 Inc_CMP Inc. Proceso Completo M 20.3 Inc_CNC Inc. Proceso de CNC M 20.4 Inc_PNT Inc. Proceso de Pintura M 20.5


138

4.8 Prácticas HMI/SCADA. Generalidades. En el laboratorio LPAIC se utiliza el sistema SIMATIC HMI/SCADA de SIEMENS que utiliza el software conocido como Windows Control Center (WinCC) que es un sistema para supervisión de procesos escalable para cualquier requisito, del sistema monousuario al sistema multiusuario redundante así como la posibilidad de supervisión y manejo de plantas por Internet. WinCC, es un software para HMI utilizado para todas aquellas aplicaciones refiriéndonos a nivel de máquina y de proceso; permitiéndonos la configuración de manera continua en todos los equipos SIMATIC HMI. Es un sistema eficiente para la entrada bajo Microsoft Windows 2000 y Windows XP. Siendo la plataforma ideal para integrar aplicaciones de tecnologías de la información y negocio, por ejemplo para integración de sistemas MES y ERP. Ya sea para optimizar las operaciones, para aseguramiento de calidad a nivel de MES (Manufacturing Execution System) o para entregar datos de gestión ERP (Enterprise Resource Planning). Cuenta con distintas librerías dentro de las cuales podemos encontrar objetos preconfigurados, herramientas inteligentes, módulos de imagen reutilizables e inclusive en algunos casos traducción de textos cuando se traten de un proyecto multilingüe. Este software en particular está diseñado de tal forma que nos ofrece soluciones y distintas aplicaciones en los más diversos sectores así como para los equipos de SIMATIC HMI siendo desde un micro panel hasta el PC. La gran ventaja que se tiene con este software en particular es que los proyectos que son realizados son transferibles y ejecutables en distintas plataformas de HMI sin tener que realizar algún tipo de conversión. En WinCC es posible utilizar el medio de conexión conocido como PROFIBUS, el cual viene siendo un innovador en cuanto a la comunicación industrial se refiere ya sea desde el nivel de campo hasta lo que es el nivel del proceso. Nos ofrece servicios y diagnóstico vía Internet con lo que nos proporciona la opción de enviar de forma automática correos electrónicos y no solamente esto sino que se puede tener un telemando de las estaciones locales, un diagnóstico de las estaciones de control por medio de funciones de diagnóstico o imágenes predefinidas y funciones de mantenimiento/servicio remotos, tales como descarga de proyectos o en su defecto poder hacer una carga/descarga de actualizaciones del software si así lo requiriera, entre otras. El editor “Graphics Designer” se encarga de la elaboración de las pantallas del WinCC. Básicamente es un entorno de dibujo con la característica de que los objetos poseen la capacidad de asociar sus propiedades a variables de comunicaciones que son proporcionadas por el Tag Management


139

PRÁCTICA No. 1

OBJETIVO. Al término de la práctica, el alumno habrá adquirido los conocimientos necesarios para la creación de un proyecto, configuración de variables y elaboración de objetos que para este caso en específico, se representará la banda transportadora conveyor del LPAIC, utilizando para ello la herramienta “Graphics Designer” que se encuentra incluida en el software WinCC. EQUIPO.

Equipo de cómputo. Software “Windows Control Center (WinCC)”. PLC S7-300 (PLC Maestro).

DESARROLLO. 1 Encendido del Equipo. 1.1 Encender CPU y monitor. 1.2 Encendido del gabinete.

1.2.1 Retirar el paro de emergencia del gabinete. 1.2.2 Girar la perilla a su posición de encendido. 1.2.3 Oprimir el botón verde.

1.3 Encender el PLC S7-300; para lo cual lo único que se necesita es subir el switch a su

posición de encendido. Nota: Cabe mencionar que existen dos switch’s en el PLC S7-300, el primero y que es más grande es el que nos energizará el PLC y el segundo y de tamaño mucho más pequeño nos sirve para cambiar a modo “RUN” el PLC.


140

2 Creación del Nuevo Programa. 2.1 Ya estando en la pantalla principal, se procederá a dar doble clic en el icono del software

WinCC.

2.2 Después de haber dado doble clic en el icono del software, se pueden dar cualquiera de las

tres posibilidades siguientes: a. Que no exista ningún proyecto abierto y por ende se abre de forma automática un

cuadro de diálogo en el cual podremos crear un nuevo proyecto o en su defecto abrir uno ya hecho.

b. Que se encuentre abierto un proyecto y con lo cual no aparecerá el cuadro de diálogo

mencionado anteriormente sino el proyecto en cuestión.

c. Que se encuentre un proyecto abierto y en modo “runtime” y por ende de forma automática comenzará a darse la simulación del proyecto en cuestión que se realizó en el software WinCC.

2.3 Para las opciones b y c mencionadas con anterioridad, se procederá a cerrar el proyecto

para que de esta forma nos podamos ubicar en la pantalla principal del software WinCC. 2.4 Ya estando en la pantalla principal del software WinCC, en la barra de herramientas se

dará clic en la opción “Nuevo”. A continuación aparecerá un cuadro de diálogo de donde se seleccionará la opción “Proyecto para estación monopuesto”.


141

2.5 Aparecerá otro cuadro de diálogo en el cual se va a pedir que le designemos un nombre al

proyecto. Cuando se crea el nuevo proyecto, automáticamente se crea un subdirectorio del mismo, siendo en este subdirectorio el lugar en el cual se almacenan todos los archivos que se generaron en la realización del proyecto.

2.6 Una vez hecho lo anterior el programa procede a cargar el nuevo proyecto, apareciendo el

nombre del mismo en el lado izquierdo de la pantalla tal y como se muestra a continuación.


142

La anterior es la estructura que se genera en el disco duro, de toda esta estructura, el único subdirectorio que ya contiene inicialmente archivos es el de PRT, en el cual se encuentran los reportes a impresora pre-configurados. Los demás archivos que se generan son los siguientes:

acme01.db; es la base de datos del proyecto. acme01.log; es el fichero en el cual se guardan los datos de los objetos que componen

el proyecto. acme01.mcp; es el fichero del proyecto siendo el que debe de ser cargado desde el

control center para de esta forma poder ejecutar el proyecto. acme01RT.db; es la base de datos del proyecto en modo “runtime”.

2.7 Selección del driver de comunicación. Para lo cual en la opción “Administración de

variables” se va a dar clic con el botón derecho del mouse y a continuación se elegirá la opción “Agregar nuevo driver”.


143

2.8 Hecho lo anterior aparecerá una nueva ventana en donde se enlistan los distintos

protocolos de comunicación con los que se cuenta. De la lista se seleccionará la opción “SIMATIC S7 Protocol Suite.chn” y dar clic en Abrir.

2.9 A continuación se debe de dar de alta nuestra conexión de driver, para lo cual debe de

darse clic sobre la opción “SIMATIC S7 Protocol Suite.chn” y escoger el protocolo de conexión “MPI” dando clic sobre éste.


144

2.10 Se procederá a darle un nombre a la conexión ya creada, para lo cual, en la opción “MPI”,

se va a dar clic con el botón derecho del mouse y se elegirá “Nueva conexión”, de donde aparecerá una nueva ventana, en la cual se le asignara un nombre, para este caso se le asignó el nombre de “acme01conexion3” y la ventana no debe de ser cerrada sin haber realizado el paso 2.11.


145

2.11 Ahora se procede a establecer los parámetros de la conexión interna y para ello en la

ventana en donde se le dio el nombre a la conexión se elegirá el icono “Propiedades” y de forma automática aparecerá un nuevo cuadro de diálogo en el cual se escribirá el número “2” tanto para la “Dirección de estación” como para el “Número de slot”, ya que así es como se tiene ubicado en el LPAIC y una vez configurado lo mencionado anteriormente se debe de dar clic en “Aceptar”.


146

Con esto, se ha definido el enlace con un PLC S7-300/400 en la dirección MPI 2. Todas las variables que se definan a partir de este enlace obtendrán su valor de las comunicaciones con dicho PLC de manera automática. 3 Creación de un Grupo de Variables. 3.1 Desde la pantalla principal del software, en la parte izquierda de la misma, se elegirá

“MPI” y se desglosará las distintas opciones que tenemos de las cuales se dará clic con el botón derecho del mouse sobre la opción “acme01conexión3” y a continuación dar clic en “Grupo nuevo”.


147

3.2 Aparecerá una ventana en la cual nos pedirá que le designemos un nombre al grupo, que

para este caso se le debe de asignar el nombre de “Conveyor” y se debe dar clic en “Aceptar”.

3.3 Ahora se procede a crear las variables de comunicaciones (tag). Para ello se debe de dar

clic con el botón derecho del mouse sobre la variable que acabamos de crear y se selecciona la opción “Variable nueva”.


148

3.4 Se abrirá una ventana en donde daremos un nombre a la variable; para este caso se le

asignará el nombre de “sensor_fuera0”. No cerrar esta ventana sin haber realizado el paso siguiente.


149

3.5 Dar clic en “Seleccionar” y se abrirá una nueva ventana en la cual se configurara la

dirección de la variable; es decir, especificar si se trata de una entrada o salida, el direccionamiento y el número de bit con el que cuenta. Por último dar clic en “Aceptar”.


150

3.6 Se repetirán los pasos 3.3 al 3.5 para dar de alta todas las variables especificadas en la

siguiente tabla.

Nombre Área de Datos Direccionamiento E Bit A Bit sensor_fuera0 Entrada Bits 0 3 sensor_plataforma0 Entrada Bits 0 1 sensor_trafico1 Entrada Bits 0 4 pallet_presente1 Entrada Bits 0 6 sensor_trafico4 Entrada Bits 1 0 pallet_presente4 Entrada Bits 1 2 sensor_plataforma4 Entrada Bits 1 1 sensor_trafico6 Entrada Bits 2 0 pallet_presente6 Entrada Bits 2 2 sensor_trafico9 Entrada Bits 2 4 pallet_presente9 Entrada Bits 2 6 sensor_plataforma9 Entrada Bits 2 5 cadena_entrada0 Salida Bits 0 3 act_plataforma0 Salida Bits 0 1 cadena_izquierda1 Salida Bits 0 7 act_plataforma1 Salida Bits 0 6 act_retencion4 Salida Bits 1 1 cadena_derecha4 Salida Bits 1 4 act_plataforma4 Salida Bits 1 2 act_plataforma6 Salida Bits 2 4 cadena_derecha6 Salida Bits 2 6 act_retencion9 Salida Bits 2 7 act_plataforma9 Salida Bits 3 0 cadena_izquierda9 Salida Bits 3 1


151

4 GRAPHICS DESIGNER. 4.1 Para acceder a esta herramienta, en la pantalla principal se va a dar clic con el botón

derecho del mouse sobre la opción “Graphics Designer” y elegir “Nueva imagen”.

4.2 Hecho lo anterior, del lado derecho de la pantalla aparecerá el proyecto que fue creado

automáticamente y se debe proceder a abrirlo.


152

4.3 Una vez que fue abierto deberá aparecer una pantalla como la que se muestra a

continuación.

4.4 Se procederá a colocar las imágenes necesarias para la realización de la conveyor y para

ello en la barra de herramientas se selecciona el menú “Ver” y a continuación la opción “Librería”.


153

4.5 Se dará doble clic en “Librería global” para desplegar todo el contenido.

4.6 Ahora se debe de relacionar una variable a un objeto y para ello se selecciona el objeto, se

da clic derecho y se elige la opción “Propiedades”.


154

4.7 Aparecerá una ventana de la cual se elegirá la opción “Otros”.

4.8 Se elige la opción “Visualización” y encima del símbolo del foco dar clic derecho para

seleccionar “Variable”.


155

4.9 Aparecerá una nueva ventana en donde se enlistaran todas las variables que fueron

creadas. Se selecciona la variable que queramos y se da clic en “Aceptar”.

4.10 Se repetirán los pasos 4.6 al 4.9 para relacionar los demás objetos con las distintas

variables. Cabe mencionar que es una variable por objeto. En este caso solo se ocuparon todas las variables que llevan el nombre de “pallet_presente”, “act_plataforma” y “sensor_trafico”, mas no es indispensable ocupar las mismas variables.

4.11 Cuando se termine de relacionar los objetos con las distintas variables se debe de guardar

el proyecto. 4.12 Para comprobar el funcionamiento de la práctica, primero se debe de abrir el software

“SIMATIC STEP7”, si hay algún proyecto que ya se encuentre abierto se procede a cerrarlo para así abrir el proyecto que lleva por nombre “acme”.


156

4.13 Ya que se encuentre abierto se elige “Bloques” y después se da clic en el icono “cargar”.

Cargar.

4.14 Nos dirigimos nuevamente a la ventana de “Graphics Designer” y se procede a dar clic

en el icono “Activar Runtime”.

Activar Runtime.

ANEXO A

Anexo A

158

PLC S7-300 Este PLC en específico pertenece a la marca SIEMENS y es utilizado en los sistemas HMI/SCADA, sin embrago no quiere decir que sea exclusivamente para este trabajo, ya que dependiendo del proceso que se desee automatizar se deberá de escoger el PLC más adecuado para el trabajo. A través de cables de bus PROFIBUS, pueden comunicarse varios S7-300 entre sí y con otros controladores SIMATIC S7. Para programar los S7-300 es necesario contar con una “unidad de programación” mejor conocida como (PG). La PG se conecta a la CPU a través de un cable específico (cable PG). En la siguiente figura se muestra una posible configuración en cuanto a conexión se refiere, en donde son utilizados dos PLC’s S7-300.

Figura 1. Configuración al utilizar dos PLC’s S7-300.

Disposición de los módulos. Reglas. Para poder colocar los módulos en un bastidor se deben de seguir las siguientes reglas:

A la derecha de la CPU pueden enchufarse como máximo 8 módulos (SM, FM, CP). La cantidad de módulos enchufables se encuentra limitada a causa del consumo de

corriente el cual es tomado del bus posterior del S7-300 (ver la tabla de datos técnicos de los distintos módulos).

Anexo A

159

El consumo total en el bus posterior en el S7-300 para todos los módulos que se encuentren montados en un bastidor no deberá de rebasar:

En CPU 313/314/314 IFM/315/315-2-DP/ 316-2 DP/318-2 1,2 A En CPU 312 IFM 0,8 A.

La siguiente Figura muestra la disposición de los módulos en una estructura S7-300 la cual se encuentra equipada con 8 módulos de señales.

Figura 2. Disposición de los módulos en varios bastidores excepto en CPU 312 IFM/313.

Las CPU 312 IFM y 313 solamente son adecuadas para el montaje en un bastidor. Para disponer los módulos en varios bastidores se deben de seguir ciertas reglas, aunque para la CPU 314 IFM, no está permitido enchufar módulo alguno en el slot 11 del bastidor 3 y son:

El módulo de interconexión ocupa siempre el puesto (slot) 3 y debe encontrarse siempre a la izquierda del primer módulo de señales.

En cada bastidor pueden enchufarse como máximo 8 módulos (SM, FM, CP). Estos módulos se hallan siempre a la derecha de los módulos de interconexión.

La cantidad de módulos (SM, FM, CP) enchufados está limitada por la toma de corriente admisible del bus posterior S7-300. El consumo total de cada línea no debe exceder de 1,2 A (vea los datos técnicos de los módulos).

Módulos de Interconexión. Para la configuración en varios bastidores se requieren módulos de interconexión que conecten en bucle el bus posterior S7-300 desde un bastidor al siguiente. La CPU se encuentra siempre en el bastidor 0.

Módulo de Interconexión Utilizable en Referencia IM 360 Bastidor 0 6ES7 360-3AA01-0AA0 IM 361 Bastidores 1 a 3 6ES7 361-3CA01-0AA0

Sólo para configuración de dos líneas IM 365 S Bastidor 0 6ES7 365-0BA00-0AA0

Anexo A

160

Módulo de interconexión IM 365 Para una configuración en dos bastidores, el S7-300 ofrece una variante de interconexión denominada IM 365. Los dos módulos de interconexión IM 365 están unidos fijamente mediante un cable de enlace de 1 m de longitud. Si se utilizan los módulos de interconexión IM 365 en el bastidor 1 sólo es posible montar módulos de señales. La toma de corriente total de los módulos de señales enchufados en ambos bastidores no deberá de exceder de 1.2 A, la toma de corriente del bastidor 1 se encuentra limitada a 800 mA. La Figura 3 muestra la disposición de los módulos en una configuración S7-300 de 4 bastidores excepto para el CPU 312 IFM/313.

Figura 3. Disposición de los módulos en un S7-300.

Llave de Seguridad. Una vez que se encuentra montada la CPU se puede introducir la llave en la misma para que de esta forma sea posible ajustar el modo STOP o el modo RUN, según se requiera, tal y como se muestra en la siguiente figura.

Anexo A

161

Asignación de los números de slot. Después del montaje, se debe de asignar a cada módulo un número de slot para facilitar la atribución de los módulos dentro de la tabla de configuración en STEP 7. En la siguiente tabla se especifica la asignación de los números de slot.

No del slot Módulo 1 Fuente de alimentación (PS) 2 CPU 3 Módulo de Interconexión (IM) 4 Módulo de señales 15 Módulo de señales 2 6 Módulo de señales 3 7 Módulo de señales 4 8 Módulo de señales 5 9 Módulo de señales 6

10 Módulo de señales 7 11 Módulo de señales 8

Asignación de direcciones orientadas al slot. La asignación de direcciones por slot corresponde al direccionamiento por defecto, es decir, STEP 7 asigna a cada número de slot una dirección inicial de módulo prefijada. Asignación discrecional de direcciones. En la asignación libre de direcciones, se puede atribuir a cada módulo una dirección cualquiera, dentro del área de direccionamiento posible para la CPU. En el S7-300 sólo es posible la asignación discrecional de direcciones con las CPU 315, 315-2 DP, 316-2 DP y 318-2.

Anexo A

162

Asignación de direcciones para módulos orientada al slot (direcciones por defecto). En el direccionamiento orientado al slot (direccionamiento por defecto), cada número de slot lleva asignada una dirección inicial de módulo. Dependiendo del tipo de módulo, se trata de una dirección digital o analógica. En este apartado se muestra qué dirección inicial de módulo está asignada a qué número de slot. Estas informaciones son necesarias para determinar las direcciones iniciales de los módulos utilizados. Capacidad máxima. La siguiente figura muestra la configuración de un S7-300 en 4 bastidores y los slots posibles. Hay que tomar muy en cuenta que con las CPU 312 IFM y 313 sólo es posible una configuración en el bastidor 0.

Direcciones iniciales del módulo. La siguiente tabla muestra la correspondencia entre las direcciones iniciales de módulo y los números de slot y bastidores. En los módulos de entrada/salida, las direcciones de las entradas y las salidas comienzan a partir de la misma dirección inicial del módulo. Nota: Al utilizarse la CPU 314 IFM, no deberá enchufarse ningún módulo en el slot 11 del bastidor 3. Las direcciones del mismo están ocupadas por las entradas y salidas integradas.

Anexo A

163

1 no en CPU 312 IFM/313 2 no en CPU 314 IFM Asignación discrecional de direcciones. La asignación discrecional de direcciones es soportada solamente por los módulos CPU 315, 315-2 DP, 316-2 DP y 318-2. Asignación discrecional de direcciones significa que es posible conceder a cada módulo (SM/FM/CP) una dirección cualquiera. Esta correspondencia se efectúa en STEP 7. Con ello queda definida una dirección inicial en la que se basarán las restantes direcciones del módulo. La asignación discrecional de direcciones ofrece las ventajas siguientes:

Posibilidad de utilizar óptimamente los espacios de direccionamiento disponibles, ya que no quedan “huecos” entre los diferentes módulos.

Al generar el software estándar pueden indicarse direcciones independientes de la respectiva configuración de un S7-300.

Direccionamiento de los módulos de señales. A continuación se describe el direccionamiento de los módulos de señales; estas informaciones son necesarias para poder direccionar en el programa de aplicación los canales de los módulos de señales. Direcciones de los Módulos Digitales La dirección de una entrada o salida de un módulo digital se forma agrupando la dirección del byte y la dirección del bit.. La dirección del byte depende de la dirección inicial del módulo. La dirección del bit puede leerse en el módulo. Como ejemplo tenemos la siguiente figura.

Anexo A

164

En la siguiente figura se muestra el esquema según en el cual resultan las direcciones de los diferentes canales del módulo digital.

La siguiente figura muestra a modo de ejemplo las direcciones por defecto que resultan cuando un módulo digital se coloca en el slot 4, es decir, cuando la dirección inicial del módulo es 0. El slot 3 no está asignado, porque en este ejemplo no existe ningún módulo de interconexión.

Direcciones de los módulos analógicos. La dirección de un canal de entrada o salida analógico es siempre una dirección de palabra. La dirección de canal depende siempre de la dirección inicial del módulo. Si por ejemplo el primer módulo analógico está enchufado en el slot 4, tiene la dirección inicial prefijada 256. La dirección inicial de cada módulo analógico añadido se incrementa en 16 por cada slot.

Anexo A

165

Un módulo de entrada/salida analógica tiene las mismas direcciones iniciales para los canales de entrada y salida analógicos. La siguiente figura muestra a modo de ejemplo qué direcciones de canal por defecto resultan cuando un módulo analógico está colocado en el slot 4. Se puede apreciar que, en el caso de un módulo de entrada/salida analógica, los canales de entrada y salida analógicos están direccionados a partir de una misma dirección: la dirección inicial del módulo. El slot 3 no está asignado, porque en este ejemplo no existe ningún módulo de interconexión.

Anexo A

166

Utilización del software STEP 7 para el PLC S7-300. Lo que a continuación se va a dar a conocer es la forma en que debe de darse de alta el PLC S7-300 dentro del software STEP 7, esto es, realizar la configuración adecuada para tener comunicación entre el software y el PLC. Se hace referencia a dicho software ya que es el que se encuentra instalado en el LPAIC de la ESIME Azcapotzalco. Cabe mencionar que este software nos servirá para poder configurar la red PROFIBUS que se utilizara para dar de alta a los demás PLC’s que conforman la célula como “esclavos”. Después de haber instalado el software lo que se debe de hacer es configurar el tipo de interface que vamos a emplear. Comúnmente, se utiliza una interface conocida como “PC adapter” y para darla de alta en el software se debe de realizar lo siguiente:

Desde el menú “Inicio”, dar clic sobre la carpeta con el nombre “SIMATIC”. Hecho lo anterior, se selecciona la carpeta “STEP 7”. Seleccionar la opción que dice “Ajustar interface PG-PC”.

Después de haber seleccionado la opción “Ajustar interface PG-PC”, aparecerá el siguiente cuadro de diálogo en el cual nos permite seleccionar los distintos medios de comunicación entre el PLC y la unidad de programación (PG).

Por lo general el medio de comunicación que se utiliza es un “PC Adapter (MPI)”, pero cabe mencionar que puede variar dependiendo de los modelos. Dentro del cuadro de diálogo se encuentra el botón propiedades que nos permitirá ajustar distintos parámetros tales como de velocidad, de transferencia, el puerto de enlace entre otros; siendo los parámetros antes mencionados los que nos ayudarán a tener una comunicación con el PLC.

Anexo A

167

Una vez establecidos tanto el medio de comunicación como los parámetros se procede a configurar el hardware. La configuración del hardware consiste en dar de alta la CPU y las tarjetas que el PLC S7-300 pueda tener conectadas. Para realizar lo antes mencionado se deben de seguir los siguientes pasos:

1. Dentro de la carpeta SIMATIC se elige la opción “Administrador STEP 7”, una vez hecho lo anterior, nos abrirá un “Asistente” permitiéndonos con ello iniciar de una forma más simple cualquier proyecto.

2. Se da clic en el botón “Siguiente” y aparecerá otro cuadro de diálogo en el cual se elegirá el tipo de CPU con el cual vamos a trabajar y se le debe de asignar un nombre.

Anexo A

168

3. Una vez más se da clic en el botón “Siguiente” con la finalidad de que en el cuadro de

diálogo que aparezca se elijan los bloques a insertar, el lenguaje que se va a emplear dentro de dichos bloques y entre los que tenemos el Diagrama de Escalera (KOP), Listado de Funciones (FUP) y Funciones Lógicas (AWL). Para efectos de programas básicos del PLC se utiliza solamente el objeto “OB1”.

4. El último paso que se necesita para finalizar con el “Asistente”, es que debe de asignársele un nombre al programa.

Anexo A

169

Después de haber concluido con el “Asistente”, se tiene que dar de alta el software del PLC, la ventana que se mostrará a continuación, aparece automáticamente después de haber terminado con los pasos del “Asistente”. Para dar de alta el software del PLC se elige la opción “Equipo SIMATIC 300”; ya que se seleccionó esta opción, se debe de elegir la que dice “Hardware”.

Una vez que se ha elegido la opción “Hardware” aparecerá una ventana, en la cual se muestra una tabla con la CPU que ya fue configurada anteriormente y que se encuentra ubicada en el segundo renglón; del lado derecho de la ventana se ubica el catálogo de productos SIEMENS. Si el catálogo no se encontrase disponible, puede ser llamado seleccionando el Menú “Ver” y a continuación eligiendo “Catálogo”. Dentro de este catálogo se encuentran todos los productos que pueden ser conectados a la CPU. En la parte frontal inferior de cada una de las tarjetas que se encuentran conectadas a la CPU se encuentra un número o código; este código nos indica las capacidades de la tarjeta. Por ejemplo para una tarjeta con el código “323-1BH81-0AA0”, aparecerá en la parte inferior derecha de la ventana lo siguiente “Módulo de entrada/salida digital DI8/D0 8xDC24V/0.5A. Outdoor”; cabe mencionar que se ignoran los primeros cuatro elementos del código (6ES7). De donde nos indica que es un módulo de entrada / salida digital con 1 byte de entrada y 1 byte de salida, con salida de DC24V, con 0.5A y especial para exteriores. A continuación se mostrará la ventana ya mencionada con anterioridad, con la finalidad de que se tenga una idea más clara.

Anexo A

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Cada uno de los componentes que se encuentren conectados a la CPU o que vayan a ser utilizados deben de ser buscados dentro del catálogo y una vez hecho esto se procederá a arrastrarlos en la tabla de componentes; teniendo en cuenta que el primer y tercer renglón de dicha tabal se encuentran restringidos, por ende, se comenzarán a colocar a partir del cuarto renglón.

Anexo A

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Como nos podemos dar cuenta en la ventana mostrada anteriormente, cada elemento tiene varias columnas. El número en esta columna marca un byte de trabajo; en el caso del espacio 6 (entrada digital) veremos que tiene los bytes 8 y 9, es decir, que sus direcciones serán E8.0 a E8.7, y E9.0 a E9.7. Es posible agregar un comentario al elemento haciendo doble clic en él aunque ya halla sido insertado. Una vez que se han buscado y arrastrado todos los elementos, se procede a guardar los cambios efectuados y por último cerrar la ventana.

Anexo A

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PLC S7-200 (configuración). El S7-200 es el miembro más pequeño de la familia Simatic S7, de controles programables. La unidad central de procesamiento (CPU) esta colocada dentro del PLC. Las entradas y las salidas (I/O) son los puntos de control del sistema. Las entradas monitorean los dispositivos de campo, tal y como los interruptores y sensores. Las salidas controlan otros dispositivos, tal como motores y bombas. El puerto de programación es la conexión al dispositivo de programación. En la siguiente figura se muestra de manera física al PLC S7-200.

Existen cuatro modelos del S7-200: S7-221, S7-222, S7-224, y S7-226 y tres configuraciones con fuente de alimentación para cada uno:

La descripción del modelo indica la CPU, la fuente de alimentación, el tipo de entrada y el tipo de salida. Un ejemplo es mostrado a continuación.

Anexo A

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Características del S7-200. La siguiente tabla muestra un resumen de las características de la familia del S7-200.

Anexo A

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Interruptor de modo y Ajuste análogo. Cuando el interruptor de modo se encuentra en la posición RUN, la CPU esta en modo run y en ejecución de un programa. Cuando el interruptor se encuentre en la posición STOP, la CPU estará detenida. Cuando el interruptor se encuentre en la posición TERM el dispositivo de programación puede seleccionar el modo de operación. El ajuste análogo se usa para aumentar o disminuir los valores almacenados en una memoria especial. Estos valores se pueden usar para actualizar el valor de un temporizador o de un contador, o también para ajuste de límites. En la figura siguiente se muestra el interruptor de modo y ajuste analógico.

Cartucho opcional. El S7-200 puede usar un cartucho opcional de memoria EEPROM que proporciona un almacenaje extra para su programa, el cartucho se puede usar para copiar un programa de un PLC S7-200 a otro S7-200. Aparte de esto, otros dos cartuchos están disponibles, un reloj de tiempo real con batería, para uso en el S7-221, S7-222. La batería proporciona respaldo de hasta 200 días para retención de datos, en caso de que la alimentación falle. El S7-224 y S7-226 tienen ínter construido el reloj de tiempo real, otro cartucho esta disponible solo con la batería.

Anexo A

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Módulos de Expansión. El S7-200 es expandible, a través de módulos que contienes entradas y salidas adicionales. Estos se conectan a la base usando un cable plano.

El cable plano esta protegido por una cubierta en la unidad de la base. Un conector que abarca de lado a lado al cable lo cubre y lo protege. A continuación se muestra la colocación del módulo de expansión.

Expansión disponible. El S7-221 viene con 6 entradas y 4 salidas todas digitales, y no son expandibles. El S7-222 viene con 8 entradas y 6 salidas todas digitales, este PLC acepta hasta dos módulos de expansión. El S7-224 viene con 14 entradas y 10 salidas todas digitales y acepta hasta 7 módulos de expansión. El S7-226 viene con 24 entradas y 16 salidas todas digitales, y acepta hasta 7 módulos de expansión. En la figura siguiente se muestran los módulos de expansión para cada CPU.

Anexo A

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Indicadores de Estado. Los indicadores de estado, muestran el estado actual de operación de la CPU. Si por ejemplo, el interruptor de modo esta en RUN, el indicador luminoso verde de RUN estará encendido. Cuando el interruptor de modo este en la posición STOP, la luz de color amarillo de STOP estar encendida.

Los indicadores de estado representan el estado On u Off de las correspondientes entradas y salidas. Cuando la CPU sensa que una entrada esta operando, la luz verde correspondiente estará encendida. Fuentes de Alimentación Externas. Un S7-200 se puede conectar ya sea a una fuente de alimentación de 24 VCD o a una fuente de alimentación de 120/230 VCA, dependiendo del CPU. Un S7-200 CD/CD/CD se conectara a una fuente de 24 VCD. Las terminales de alimentación se localizan en la parte extrema derecha la regleta de conexiones superior. La conexión de la fuente de alimentación de CD es como sigue:

Anexo A

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Un S7-200 CA/CD/ Relé se conectara a una fuente de alimentación de 120 o de 230 VAC.

Numeración I / O. Las entradas y salidas del S7-200 están etiquetadas en las terminales de conexión, y junto a los indicadores de estado. Estos símbolos alfanuméricos identifican las direcciones I/O a las cuales esta conectada el dispositivo. Estas direcciones las usa la CPU para determinar cual entrada esta presente y que salida deberá ser encendida o apagada. I designa una entrada discreta y Q designa una salida discreta. El primer numero identifica el byte, el segundo numero identifica el bit, por ejemplo la entrada I0.0 es el byte 0 y el bit 0. I0.0 = Byte 0, Bit 0 I0.1 = Byte 0, Bit 1 I1.0 = Byte 1, Bit 0 I1.1 = Byte 1, Bit 1 La siguiente tabla identifica las designaciones de entradas y salidas.

Anexo A

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Entradas. Los dispositivos de entrada, tal como interruptores, botones pulsadores u otros dispositivos sensores, se conectan a la regleta de terminales que esta debajo de la cubierta inferior del PLC.

Simulador de Entradas. Un método adecuado para probar un programa es colocar los interruptores de prueba a las entradas. Los simuladores de entradas vienen disponibles con los S7-200 y vienen ensamblados para colocarse entre la fuente de alimentación de 24 VCD (L+) y las entradas. Por ejemplo, el interruptor en la extrema izquierda se encuentra alambrado entre la primera entrada (0.0) y L+. Cuando se cierra el interruptor se aplican a la entrada 24 VCD, esto es referido como lógica 1, cuando se abre el interruptor se aplican 0 VCD a la entrada, esto es referido como lógica 0.

Anexo A

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Salidas. Los dispositivos de salida, tal como relés, se conectan a la regleta de terminales bajo la cubierta superior del PLC. Cuando se prueba un programa, no será necesario conectar dispositivo alguno de salida. El LED de estado indicara si alguna salida esta activa.

Conector Opcional. Un conector especial opcional le permitirá mantener fijas las conexiones durante el trabajo con alambrados mientras reemplaza un S7-221 o 222. El conector se desliza adecuadamente ya sea en las terminales de entrada, salida o de los módulos de expansión.

Anexo A

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Regleta de Conexiones Removible. El S7-224 y S7-226 no poseen el conector especial descrito anteriormente, en ves de eso las regletas de terminales son removibles, esto permite que las conexiones durante los trabajos de alambrado permanezcan fijas cuando reemplace un S7-224 o 226. Una regleta removible se muestra a continuación:

Super capacitor. Llamado así por su capacidad de mantener su carga por largos periodos de tiempo, protege los datos almacenados en la RAM en el caso de que exista una falla en la alimentación. La RAM se encuentra respaldada por 50 horas en el S7-221 y 222, por 72 horas en el S7-224 y 226. La operación que realiza el super capacitor se muestra en la figura siguiente.

Anexo A

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Conexión de Dispositivos Externos. TD200 El puerto de comunicaciones del S7-200 se puede emplear para comunicar el PLC con una serie de dispositivos externos. Uno de estos es el TD 200 pantalla de texto. El TD 200 muestra mensajes leídos desde el S7-200, le permite ajustes de las variables designadas en el programa, también el forzado de acciones y la selección de la hora y la fecha. El TD 200 se puede conectar a una fuente de alimentación externa o alimentarse directamente del S7-200.

Modo freeport. El puerto de programación tiene un modo llamado freeport, este le permite conectividad a varios dispositivos inteligentes de sensado tal como un lector de código de barras. A continuación se muestra la forma de conectar un dispositivo inteligente.

En el modo freeport también puede usar una impresora no-simatic.

Anexo A

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Interconexión. Es posible usar un dispositivo de programación para direccionar varios S7-200 en el mismo cable de comunicaciones, un total de 31 unidades se pueden interconectar sin un repetidor. Una interconexión de varios S7-200 a través de un computador se muestra como sigue:

Glosario de Términos y Abreviaturas


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GLOSARIO DE TERMINOS Y ABREVIATURAS

Actuador.- dispositivo o mecanismo capaz de generar una fuerza a partir de fluidos o energía eléctrica. Recibe la orden de un regulador o controlador y da una salida para activar a un elemento final de control como lo son las válvulas. Aislador Galvánico.- Son ensamble de interfase protectores para aislar circuitos intrínsecamente seguros de los circuitos que no son intrínsecamente seguros, según estándares mundiales. ASCII.- American Standard Code for Information Interchange o traducido Código Americano estándar para Intercambio de Información. Es un estándar que define como representar dígitos, letras, signos y signos de puntuación en computadoras (por ejemplo, la A mayúscula corresponde al código número 65). Baudios.- Es la unidad informática que se utiliza para cuantificar el número de cambios de estado, o eventos de señalización, que se producen cada segundo durante la transferencia de datos. BIOS.- Basic Input-Output System (BIOS) es un código de interfaz que localiza y carga el sistema operativo en la RAM. Es un software muy básico instalado en la placa base que permite que ésta cumpla su cometido. Bus.- Es un conjunto de conductores eléctricos en forma de pistas metálicas impresas sobre la tarjeta madre del computador, por donde circulan las señales que corresponden a los datos binarios del lenguaje máquina con que opera el microprocesador. CAN.- Es un protocolo de comunicaciones desarrollado por la firma alemana Robert Bosch GmbH, basado en una topología bus para la transmisión de mensajes en ambientes distribuidos, además ofrece una solución a la gestión de la comunicación entre múltiples CPU’s (unidades centrales de proceso). Concentrators.- Estación concentradora, ya sea una bobina o electrodo concentrador. Conmutación.- Es una técnica que nos sirve para hacer un uso eficiente de los enlaces físicos en una red de computadora. DCS.- Sistemas de Control Distribuido.


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Diafonía.- Se da cuando las señales presentes en uno de ellos, considerado perturbador, aparece en el otro, considerado perturbado. La diafonía, en el caso de cables de pares trenzados se presenta generalmente debido a acoplamientos magnéticos entre los elementos que componen los circuitos perturbador y perturbado o como consecuencia de desequilibrios de admitancia entre los hilos de ambos circuitos. Esto quiere decir que la señal transmitida por un par logra ultrapasar a los demás pares adyacentes del cable, produciendo de esta forma interferencias entre las líneas del cable. Driver.- Es un programa informático que permite al sistema operativo interactuar con un periférico, haciendo una abstracción del hardware y proporcionando una interfaz -posiblemente estandarizada- para usarlo. Se puede esquematizar como un manual de instrucciones que le indica cómo debe controlar y comunicarse con un dispositivo en particular. EIA.- Hasta 1997 fue conocida como "Electronic Industries Association" es una organización formada por la asociación de las compañías electrónicas y de alta tecnología de los Estados Unidos, cuya misión es promover el desarrollo de mercado y la competitividad de la industria de alta tecnología de los Estados Unidos. Firmware.- Microprogramación cableada. Flood.- Dirigir un flujo de electrones de gran área hacia la configuración de carga. FMS.- Sistema Flexible de Manufactura. Frames.- Armazón metálico que sirve para fijar los soportes de la materia activa y conducir la corriente. Galgas.- También conocido como calibre fijo, son los elementos que se utilizan en el mecanizado de piezas para la verificación de las cotas con tolerancias estrechas cuando se trata de la verificación de piezas en serie. Las galgas están formadas por un mango de sujeción y dos elementos de medida, donde una medida corresponde al valor máximo de la cota a medir, y se llama NO PASA, y la otra medida corresponde al valor mínimo de la cota a medir y se llama PASA GPIB.- General Purpose Interface Bus (Bus de Interfaz de Propósito General). Es un estándar de bus de datos digital de corto rango. HART.- Protocolo que permite la comunicación digital de forma bi-direccional con instrumentos inteligentes sin distorsionar la señal analógica. IEEE.- Es el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos, que es el organismo encargado de proponer y establecer los estándares en Internet.


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Interfaz de Usuario.- El conjunto de componentes utilizados por los seres humanos para comunicarse con las computadoras. ISDN.- Integrated Services Digital Network, que traducido al español significa Red Digital de servicios Integrados. Sistema para las conexiones de teléfonos digitales, especialmente creado para proveer servicios como el envío de voz, de video, así como también, líneas telefónicas digitales o normales que surgen del excedente de los datos simultáneamente. Lobe.- Lóbulo. En los diagramas de radiación de las antenas, una de las regiones tridimensionales en las cuales la intensidad de la señal es, en cualquier punto, mayor que un valor preestablecido. MAC.- Medium Access Control address o dirección de control de acceso al medio) es un identificador de 48 bits (6 bytes) que corresponde de forma única a una tarjeta o interfaz de red. Es individual, cada dispositivo tiene su propia dirección MAC determinada y configurada por el IEEE (los últimos 24 bits) y el fabricante (los primeros 24 bits) utilizando el OUI. MAU ó MSAU.- Son abreviaturas empleadas para identificar a la Unidad de Acceso Multiestaciones (Multi-Station Access Unit). En un ambiente de red del tipo Token Ring, la MAU es un dispositivo multi-pórticos del equipamiento en el que se conectan hasta 16 estaciones (ó puestos) de trabajo. La MAU brinda un control centralizado de las conexiones en red. Microprocesadores.- Es un circuito integrado que contiene todos los elementos necesarios para conformar una "unidad central de procesamiento" UCP, también es conocido como CPU Modem.- Dispositivo que convierte las señales digitales a una forma adecuada para transmisión sobre medios de comunicación analógicos y viceversa. Nemónicos.- Es un símbolo o abreviatura que utiliza el programador para de ésta forma facilitarle la tarea en la programación. Nodo.- Es un punto de intersección o unión de varios elementos que confluyen en el mismo lugar. En redes de computadoras cada una de las máquinas es un nodo, y si la red es Internet, cada servidor constituye también un nodo. Operandos.- Es un elemento ya sea de entrada o de salida con el cual se va a utilizar en un programa y existen tres tipos que son las entradas, las salidas y las marcas. Patch.- Conexión temporal. Segmento de codificación intercalado en una rutina de computadora con el fin de corregir un error. Plenum.- Es el espacio muerto que hay en muchas construcciones entre el falso techo y el piso de arriba utilizado para que circule el aire frío y caliente a través del edificio.


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Protocolo.- Conjunto de estándares que controlan la secuencia de mensajes que ocurren durante una comunicación entre entidades que forman una red. Redes LAN.- Sistema de comunicación entre computadoras que permite el intercambio de información, teniendo como característica principal que la distancia entre las computadoras debe de ser pequeña. Relés.- Dispositivo de conmutación que se activa por medio de señales; en la mayoría de las veces se emplea para ello una pequeña tensión o corriente para conmutar tensiones o corrientes mayores siendo de tipo electromecánico o completamente electrónico en cuyo caso carece de partes móviles. Resina Epoxidica.- Es un polímero termoestable que se endurece cuando se mezcla con un agente catalizador o "endurecedor". Las resinas epoxi más frecuentes son producto de una reacción entre epiclorohidrina y bisfenol-a. Sensor.- dispositivo que responde a algunas propiedades de tipo eléctrico, mecánico, térmico, magnético, químico, etc., generando una señal eléctrica la cual puede ser susceptible de medición. Tee.- Unión en forma de “T”. Telemetría.- Es la transmisión a distancia de información sobre algún tipo de magnitud. Topología.- Es el patrón de interconexión entre los nodos y un servidor. Transceiver.- Transceptor. Emisor y receptor de radio combinados en un solo aparato y provisto de un sistema de conmutación mediante el cual ciertos elementos trabajan alternativamente en emisión y en recepción. Combinación de un emisor y un receptor radioeléctricos utilizables únicamente en simples y en la cual ciertos tubos o circuitos, otros que los que intervienen en la alimentación, son comunes al emisor y el receptor (transmitter-receiver). UPS.- Las siglas traducidas al idioma español quieren decir “Sistema de alimentación Ininterrumpida”. Es un dispositivo que mantiene un suministro continuo de energía eléctrica para el equipo al cual se encuentra conectado.

BIBLIOGRAFIA

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BIBLIOGRAFIA

BAILEY, D. y E. Wright Practical SCADA for Industry Ámsterdam Elsevier, 2003. BOYER, S.A. SCADA: Supervisory Control and Data Acquisition 3a. edición Research Triangle Park ISA, 1999. DESÀ, D. O. J. Instrumentation Fundamentals for Process Control Londres Taylor & Francis, 2001 PARK, J. y S. Mackay Practical Data Acquisition for Instrumentation and Control Systems Amsterdam Elsevier, 2003

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PAGINAS DE INTERNET

www.festo.com.mx www.siemens.com.mx www.nachirobotics.com/index2.html www.angelfire.com/biz/itcmex/ciberglo.html www.ciberhabitat.gob.mx/museo/cerquita/redes/fundamentos/03.htm www.scadalink.com www.sistemas.itlp.edu.mx/tutoriales/redes/tema36.htm www.nexpert_cat-castellano-images-visio_artificial_jpg www.automation.siemens.com/salesmaterial-as/brochure/es/brochure_simatic-wincc-flexible_es.pdf www.marcombo.com/Descargas/8426714188-SCADA/CAPÍTULO%20I.pdf www.sigchi.org http://es.wikipedia.org/wiki/Marshall_McLuhan http://148.202.148.5/cursos/cc321/fundamentos/unidad4/tema4_7.html Manuales. PLC B S7 – 200 PLC C S7 – 300

CONCLUSIONES

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CONCLUSIONES

Al término de la realización del presente trabajo de tesis, se logró dar una información clara, sencilla y precisa acerca de la estructura, la operación y la configuración del sistema HMI/SCADA, ya que actualmente la información que se ofrece acerca de este tema suele ser o estar conformada por un lenguaje muy técnico, sin tomarse en cuenta que el tema antes mencionado es en la gran mayoría de las ocasiones desconocido para los estudiantes. En cuanto a lograr entender desde un enfoque sistémico las redes de control y la automatización industrial de acuerdo con los conceptos e integración de un sistema SCADA, no fue enteramente posible ya que al ir desarrollando el tema se presentaron muchos inconvenientes tales como que la información era demasiado confusa puesto que en varias fuentes de información, se manejaban con características muy diferente entre si. Es necesario que el tema HMI/SCADA sea incluido dentro de la currícula de la carrera de Ingeniería en Robótica Industrial de la ESIME como una materia, y no que solamente se desarrolle de forma práctica en el Laboratorio de Procesos Automatizados e Integrados por Computadora; esto con la finalidad de que el tema sea impartido y desarrollado de forma mas especifica y se vea desde los antecedentes históricos, hasta la estructura, operación y configuración tanto del software HMI como del sistema SCADA, no olvidando las redes de comunicación que son un factor muy importante; ya que en nuestros días es una tecnología que es utilizada de manera común por no decir que se ha vuelto imprescindible en la industria, gracias a las grandes ventajas que ofrece.

instituto politecnico nacional - tesis.ipn.mxtesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/2045/1/tesis...

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