niveles de automatizacion

Tema 1Introduccin a las redes de comunicacin industriales

Div Ingeniera Div.. Ingeniera de Sistemas y Automtica Automtica

Introduccin a las redes de comunicacin industriales

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Bibliografal

Ttulo: Automatizacin de procesos industrialesl l l l

Autor: Emilio Garca Moreno Editiorial : SPUPV (SPUPV-99.4116) Ao:1999 Tema 1

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Ttulo: Fundamentals of Programmable Logic Controllers, Sensors, and Communicationsl l l l

Autor: Jon Stenerson Editorial: Prentice Hall Ao:1999 ISBN:0-13-746124-0

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Capitulo 10Introduccin a las redes de comunicacin industriales

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Contenidol

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Modelo Estructural de un Sistema Automatizado Niveles de Automatizacin Jerarqua entre los niveles de comunicacin


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Contenidol

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Modelo Estructural de un Sistema AutomatizadoParte Operativapreaccionadores Actuadores Dispositivo de Control

Parte Control

captadores Proceso Comunicaciones Dilogo


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Contenidol

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Niveles de Automatizacinl

Nivel Elementall

Asignado a una mquina o proceso sencillo

Tareas de vigilancia de tiempos muertos, posicionamiento de piezas y funciones de seguridad. Vigilancia: en bucle abierto y consiste en la toma por parte del dispositivo automtico de medidas de una serie de variables, procesando dicha informacin y emitiendo partes diarios de servicio y balance. Gua operador: en bucle abierto. Variante del anterior con la inclusin de tareas de asistencia mediante propuestas al operador, segn criterios prefijados. Mando: en bucle cerrado. Consiste en toma de informacin, procesamiento y ejecucin sobre el proceso de acciones de control.

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Tres grados


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Nivel Intermediol

Se comprende como la explotacin de un conjunto de mquinas elementales o bien una mquina compleja. Se caracteriza por ser un proceso completo, e intervienen adems del control elemental del proceso, otros aspectos como Supervisin, Optimizacin, Gestin de Mantenimiento, Control de Calidad, Seguimiento de la Produccin.

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Tercer Nivell


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Tercer Nivell

Control centralizadol

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Constituido por una computador, un interfaz de proceso y una estacin de operador. Ventajas:

Su arquitectura facilita el flujo de informacin y se hace posible que los objetivos de optimizacin global del proceso puedan ser alcanzados Depende de la fiabilidad del computador. Si falla!!Control Centralizado

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Desventaja

Materia Prima

Proceso A

Proceso B

Proceso C

Proceso D

Piezas


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Tercer Nivell

Control Multicapal

Variedad del control centralizado haciendo dos niveles jerrquicos de controlControl de Supervisin

Dispositivo de Control




Materia Prima

Proceso A

Proceso B

Proceso C

Proceso D

Piezas

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Control Jerrquicol

Del anterior ampliado a las tareas de planificacin y gestin empresarial y la correspondiente asignacin a niveles superiores en la jerarqua de controlIntroduccin a las redes de comunicacin industriales

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Tercer Nivell

Control Distribuidol

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Existencia de varias unidades de control y fabricacin que llevan a cabo las mismas tareas En caso de avera o sobrecarga de trabajo, ser posible transferir todo o parte de las tareas a otras unidades. Ventajas e Inconvenientes

La idea de poder hacer by-pass a las unidades con problemas permite evitar los bloqueos innecesarios del sistema, pero por otra parte exige que las diferentes islas de produccin tengan una asignacin dinmica de las tareas y por tanto se les va a exigir gran capacidad de acceso a la comunicacin y de tratamiento de la informacin11



Tercer Nivell

Control Distribuidol

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Jerrquico y Distribuido caract interesantesmezclar caract del control distribuido en estructuras de tipo jerrquico. MIXTA Desventajas: disminucin de la velocidad de comunicacin debido a los retardos, posibles desbordamientos en el procesamiento de datos en cada nivel y falta de flujo de informacin directa entre controladores


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Tercer Nivell

Control DistribuidoDispositivo de Control

Control de SupervisinDispositivo de unidades de control distribuido Dispositivo de Control Dispositivo de Control Dispositivo de Control

Materia Prima

Proceso A Proceso B Proceso C Proceso D



Proceso A Proceso B Proceso C Proceso D Piezas

Sistema Flexible de Fabricacin


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Cuarto Nivell

CIM (Computer Integrated Manufacturing) Fabricacin Asistida por Computador

Inclusin de forma integrada a la produccin de conceptos tales como gestin empresarial, planificacin, programacin, etc. El CIM ha de planificarse top-down (de arriba abajo), pero debe implantarse bottom-up (de abajo hacia arriba).

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Un axioma bsico:


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CIMl

Implica una estrategia progresiva de automatizacin, avanzando segn una serie de etapas:l l l l l l

Clulas: Racionalizar la planta Islas de automatizacin: Aplicar automatizacin y sistemas de control a las clulas. Integracin de Islas en FMS (Flexible Manufacturing System) Integracin de planta: Coordinacin de FMS, implantacin de AMH(Automated Materials Handling) Unin del CAD/CAM y la planta Integracin de los MPCS (Manufacturing Planning & Control Systems)Introduccin a las redes de comunicacin industriales

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Concepto CIMl

Objetivosl l l l l l l l l

Reducir los niveles de stock y aumentar su rotacin Disminuir los costes directos Control de los niveles de stock en tiempo real Reducir los costes de material Aumentar la disponibilidad de las mquinas mediante la reduccin de los tiempos de preparacin y puesta a punto Incrementar la productividad Mejorar el control de calidad Permitir la rpida introduccin de nuevos productos Mejorar el nivel de servicio.


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CIMl

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Este concepto responde a una estructura piramidal jerarquizada, producindose en la cspide las decisiones de poltica empresarial. En la base lo que se pretende es que las denominadas islas de automatizacin (autmatas programables, mquinas de control numrico, robots, etc.) se integren en un sistema de control jerarquizado y distribuido que permita la conversin de decisiones de poltica empresarial en operaciones de control de bajo nivel.


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CIMl

Modelo de la NBS(National Bureau of Standards)

Nivel 4: Factora Nivel 3: Seccin/Area

Nivel 4: Gestin Empresarial Nivel 3: Planificacin Nivel 2: Supervisin

Nivel 2: Clula

Nivel 1: Estacin Nivel 0: Proceso

Nivel 1: Controladores

Nivel 0: Mquinas/subprocesos

Nivel 0Conjunto de dispositivos, subprocesos, maquinaria en general, con que se realizan las operaciones elementales de produccin en la empresa. Tambin estn situados los dispositivos de campo que interactuan con el proceso : sensores , actuadores , etc... Es la informacin de menor rango en la pirmide CIMIntroduccin a las redes de comunicacin industriales

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CIMl

Nivel 1 l Dispositivos lgicos de control


Nivel 4: Gestin Empresarial Nivel 3: Planificacin

Nivel 2: Clula Autmatas programables, tarjetas de control, Nivel 1: Estacin ordenadores industriales, etc Nivel 0: Proceso Constintuyen los elementos de mando y control de la maquinaria del Nivel 0 Proporciona informacin de actuacin directa al Nivel 0 y de estado al Nivel 2

Nivel 2: Supervisin




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CIMl

Nivel 2l

Nivel de supervisin y control. Se realizan por medios humanos o informticos las siguientes tareas:

Nivel 4: Factora Nivel 3: Seccin/Area Nivel 2: Clula


Adquisicin y tratamiento de datos Nivel 1: Estacin Monitorizacin Gestin de alarmas y asistencias Nivel 0: Proceso Mantenimiento correctivo y preventivo Programacin a corto Control de calidad Sincronizacin de clulas Coordinacin de transporte Aprovisionamiento de lneas Seguimiento de lotes Seguimiento de rdenes de Trabajo

Nivel 2: Supervisin




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CIMl

Nivel 2l

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Este nivel emite rdenes de ejecucin al Nivel 1 y recibe situaciones de estado de dicho nivel Igualmente recibe los programas de produccin, calidad, mantenimiento, etc del Nivel 3 y realimenta dicho nivel con las incidencias (estado de rdenes de trabajo, situacin de mquinas, estado de la obra en curso, etc) ocurridas en planta.


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CIMl

Nivel 3 l El nivel de planificacin. En este nivel se realizan las siguientes tareas:



Nivel 2: Clula Programacin de la produccin Nivel 1: Estacin Gestin de compras Anlisis de costes de Nivel 0: Proceso fabricacin Control de inventarios Gestin de recursos de fabricacin Gestin de calidad Gestin de mantenimiento

Nivel 2: Supervisin




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CIMl

Nivel 3l l

El Nivel 3 emite los programas hacia el Nivel 2 y recibe de ste las incidencias de la planta. Del Nivel 4 recibe la informacin consolidada sobre:

Pedidos en firme Previsiones de venta Informacin de ingeniera de producto y de proceso Cumplimiento de programas. Costes de fabricacin Costes de operacin Cambios de ingeniera

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Y enva informacin relativa a:


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CIMl

Nivel 4 l Es el nivel coorporativo. Se realizan las siguientes tareas:

Nivel 4: Factora Nivel 3: Seccin/Area Nivel 2: Clula


Gestin comercial y marketing Nivel 1: Estacin Planificacin estratgica Planificacin financiera y Nivel 0: Proceso administrativa Gestin de recursos humanos Ingeniera de producto Ingeniera de proceso Gestin de tecnologa Gestin de sistemas de informacin(MIS) Investigacin y desarrollo

Nivel 2: Supervisin




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CIMl

Nivel 4l

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Este nivel emite al Nivel 3 informacin sobre la situacin comercial (pedidos y previsiones), informacin de ingeniera de producto y de proceso, etc. Para poder ajustar la planificacin global este nivel recibe del Nivel 3 la informacin anteriormente indicada sobre cumplimiento de programas y costes, etc.


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Contenidol

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Jerarqua entre los niveles de comunicacinl

Modelos CIM Jerrquicos : En todos estos modelos existe un flujo de informacin que fluye en dos direcciones :l

Flujo Vertical :

Descendente (peticiones y rdenes realizadas por un nivel superior). Ascendente (informes sobre la ejecucin de rdenes recibidas). Intercambio de informacin entre entidades de un mismo nivel.

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Flujo Horizontal :


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Caractersticas especficas de las redes locales industriales (frente a ofimtica)l

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Entorno de funcionamiento hostil (golpes, atmsfera agresiva, EMI,...) Restricciones temporales (tiempo max de entrega de mensajes, prioridad,...) Arquitecturas adecuadas


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Clasificacin jerrquica de las redes locales industriales segn el entorno donde van a ser instaladas :l

Red de Factoral

redes de oficina : contabilidad y administracin, ventas, ges tin de pedidos, almacn, ..... Interconectar mdulos y clulas de fabricacin entre s y con depat como diseo o planificacin. Interconectar disp de fabricacin que operan en modo secuencial:Robots , CNCs , PLCs , AGVs Sustituir cableado entre sensores -actuadores y los correspondientes elem de control

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Red de Plantal

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Red de Clulal

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Bus de Campol


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Jerarqua entre los niveles de comunicacin

Nivel 4: Factora Nivel 3: Seccin/Area Nivel 2: Clula Nivel 1: Estacin Nivel 0: Proceso

Nivel 4: Gestin Empresarial

Red de Factora Red de Planta

Nivel 3: Planificacin Nivel 2: Supervisin

Red de ClulaNivel 1: Controladores

Bus de CampoNivel 0: Mquinas/subprocesos


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Redes de Factoral l l l

Servicios de comunicacin : transferencia de ficheros y proceso de transacciones. Volumen de informacin intercambiada Tiempos de respuesta no crticos. REDES LOCALES COMERCIALES : OFIMTICA Enlace entre las funciones de ingeniera y planificacin con las de control de produccin en planta y secuenciamiento de operaciones. Volumen de datos que se intercambian importante. Tiempo de comunicacin no suelen ser crticos. Ejemplo :l l

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Redes de Plantal l l l

transmisin a un sist. DNC del programa de mecanizado elaborado en un sist. CAD/CAM intercambio de rdenes y respuestas con los controladores de la clula para coordinar su funcionamiento.


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Funcin principal dar soporte a las tareas de supervisin y monitorizacin :l

El trfico de datos es muy variable :

secuenciamiento de tareas, mantenimiento de equipos, transf de ficheros de CAD/CAM, rdenes de produccin a mquinas o clulas de fabricacin,... Desde msgs cortos de rdenes de ejecucin hasta msgs interactivos de terminales de operarios. Workstations para diseo, computadores de control y supervisin de proceso, incluso pueden llegar a conectarse CNC,PLC,...

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Amplia variedad de dispositivos puden ser conectados :

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Requisitos de estas redesl l l l l

Manejar mensajes de cualquier tamao. Gestin de errores de transmisin eficaces (detectar y corregir). Cubrir reas extensas (puede llegar a varios kilmetros). Poder gestionar msgs con prioridades. (Emergencia frente transf de ficheros CADCAM) Amplio ancho de banda disponible (datos de otras subredes, voz, vdeo)Introduccin a las redes de comunicacin industriales

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MAP (Manufacturing Automation Protocol). En la prctica se emplean soluciones clsicas Ethernet o Token Ring, menor coste y ms experiencia en su implantacin frente a las carencias. Falta de una norma de aceptacin general. Categoras :l l l l

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Redes de Clulal l

Redes de atumatas (generalmente de fabricante) : Jnet, Jbus, Modbus, Uni-Telway,.... Redes locales heterogneas : LAC-1, LAC-2, Factor. Redes normalizadas : Mini-MAPRedes de propsito general : Ethernet.


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Caractersticas deseables en estas redes :l l l l l l l

Gestionar msgs cortos eficientemente. Capacidad de manejar trfico de eventos discretos. Mecanismos de control de error (Detectar y corregir). Posibilidad de transmitir msgs prioritarios. Bajo coste de instalacin y de conexin por nodo. Recuperacin rpida ante eventos anormales en la red. Alta fiabilidad (Tiempo medio entre fallos > 100.000 horas). Redundancia slo si es necesario y rentable. Tamao pequeo (5 a 50 disp.). Redes propietarias (dficiles de ampliar a un entorno multivendedor) Protocolos asncronos (orientados al carcter) Kbps o sncronos Mbps. Trfico : msg cortos para control y sincronizacin entre los disp. controladores , transferencia de ficheros ocasional.34

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En la prctica son redes :l l l l


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Intentos de normalizacinl

PROWAY (Process Data Highway) : Instrumentation Society of America 1985

Topologa en bus y mecanismo de acceso por paso de testigo, cuyos aspectos funcionales estan orientados a su aplicacin en control deprocesos.

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Mini-MAP : simplificacin de MAP para poder utilizar en entornos de tiempo real.

El nivel de aplicacin acceda directamente al nivel de enlace del modelo OSI


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Buses de Campo (Fieldbus)l

Un Bus de Campo debe ser :l l l

Coste bajo. Tiempo real. Transmisin serie sobre un bus digital de datos con capacidad de interconectar controladores con todo el espectro de dispositivos de entrada-salida.

Estos incluyen : sensores , transmisores, interruptores y actuadores sencillos, controladores esclavos inteligentes,...

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Fieldbus utilizado por la IEC(Comisin Electrotcnica internacional). Para qu un Bus de Campo?l l l l l

Mejor calidad y cantidad en el flujo de datos. Ahorrar peso y coste de cableado e instalacin. Facilitar ampliacin o reduccin del nmero de elementos del sistema. Reducir errores en la instalacin. Reducir el nmero de terminales y cajas de conexin.Introduccin a las redes de comunicacin industriales

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Caractersticas de la comunicacin en este entorno :l l l l l

Pequeo tamao de los msgs . Con frecuencia el trfico es peridico. Tiempo de respuesta breves. Alto nivel de fiabilidad. Bajo coste. Gestionar msgs cortos eficientemente. Soportar trfico peridico (informacin de estado) como aperidico (informacin de eventos). Tiempo de respuesta acotados. Redundancia que evite que la red quede fuera de servicio por fallos en puntos crticos. Mecanismos de control de error. No tiene sentido la retransmisin en caso de error, informacin de estado del proceso, ANTICUADA.Introduccin a las redes de comunicacin industriales

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Requisitosl l l l l

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Dos tipos : Profibus y FIP.37


Profibus (Siemens y Bosch)l l l

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Mtodo de acceso hbrido entre el enfoque centralizado(maestro/esclavo) y el distribuido(paso de testigo). Un segmento admite hasta 127 dispositivos, 32 pueden config como activos. Los disp activos forman un anillo lgico mediante paso de testigo. El nodo con testigo puede, durante un tiempo limitado, ser maestro del enlace respecto a otros dispositivos. Los diferentes servicios se basan en telegramas intercambiados entre maestro y esclavos a traves de conexiones lgicas. Velocidades de 9600 bps a 500 kbps . Longitud de 200 a 1200 m. Ms de 100 fabricantes. Velocidad de transmisin (30 kbps a 2 Mbps). Estndar 1 Mbps . Longitud de hasta 2 km sobre par trenzado o fibra ptica.

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FIP (Telemecanique y Cegelec)l l


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Protocolo basado en el principio productor/consumidor

Cada equipo esta siempre a la escucha y las transmisiones se realizan bajo el control de un equipo especial (el rbitro de bus). Las peticiones de informacin se construyen de acuerdo a una tabla de rdenes que contiene identificadores de variables. Al decodificar el nombre de variable asociado a la informacin que l produce, un dispositivo transmite los valores actuales correspondientes. Esta informacin es consumida por todos los receptores que reconocen el nombre de la variable. Este modo de funcionamiento garantiza que todos los dispositivos consumidores actualizan su informacin del proceso de forma simultnea.

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Principalmente fabricante franceses e italianos.


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Tendencias : Control buses o sensor buses, no en entorno industrial.l

CAN (Controller Area Network)

Desrrollada por Bosch para automocin Reducir el cableado en vehiculos. Sist microporocesadores (control de suspensin, ABS,...) Redes industriales basadas en CAN : DeviceNet de AllenBradley ; SDS de Honeywell.

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BACnet (redes de control ambiental) CEBus (bus para electrnica de consumo) LonWorks (Domtica, Automatizacin de edificios,...)Introduccin a las redes de comunicacin industriales

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European Installation Bus EIBl

Utilizacin para la automatizacin de edificios de las siguientes aplicaciones:

Control de iluminacin Control de persianas Control de calefaccin Administracin de cargas y energa Servicio y observacin

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Estndar internacional Abierto e independiente de fabricantes Promovido por la EIBA


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AS Interfacel

Red actuador-sensor Un slo cable en lugar de cientos !

Cableado convencional

AS-Interface42


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3 Niveles de comunicacin en la jerarqua de las comunicaciones industriales segn:l l l

Volumen de informacin Tipo de informacin transferida Restricciones temporales Red de factora y red de planta Nivel de fbrica Red de celda Nivel de Celda Bus de campo Nivel de Campo

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Transparencia siguiente:l l l


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Jerarqua entre los niveles de comunicacinNivel de fbricaTiempos de ciclo bus < 1000 ms

Ethernet/TCP/IP

Controlador Area

TCP/IP/EthernetPC/VME

CNC

Nivel del celdaTiempos de ciclo bus < 100 ms VME/PC

PROFIBUS-FMS

PLC

DCS

Nivel de campo

PROFIBUS-DP

PROFIBUS-PA

Tiempos de ciclo bus < 10 ms


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niveles de automatizacion

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