Las redes de comunicaciones industriales deben su origen a la fundación FieldBus (Redes de campo). La fundación FieldBus desarrolló un nuevo protocolo de comunicación para la medición y el control de procesos donde todos los instrumentos puedan comunicarse en una misma plataforma.

Las comunicaciones entre los instrumentos de proceso y el sistema de control se basan principalmente en señales analógicas (neumáticas de 3 a 15 psi en las válvulas de control y electrónicas de 4 a 20 mA cc). Pero ya existen instrumentos digitales capaces de manejar gran cantidad de datos y guardarlos históricamente; su precisión es diez veces mayor que la de la señal típica de 4-20 mA cc. En vez de transmitir cada variable por un par de hilos, transmiten secuencialmente las variables por medio de un cable de comunicaciones llamado bus.

La tecnología fieldbus (bus de campo) es un protocolo de comunicaciones digital de alta velocidad creada para remplazar la clásica señal de 4-20 mA que aún se utiliza en muchos de los sistemas DCS (Sistema de Control Distribuido) y PLC (Controladores Lógicos Programables), instrumentos de medida y transmisión y válvulas de control. La arquitectura fieldbus conecta estos instrumentos con computadores que se usan en diferentes niveles de coordinación y dirección de la planta. Muchos de los protocolos patentados para dichas aplicaciones tiene una limitante y es que el fabricante no permite al usuario final la interoperabilidad de instrumentos, es decir, no es posible intercambiar los instrumentos de un fabricante por otro similar. Es claro que estas tecnologías cerradas tienden a desaparecer, ya que actualmente es necesaria la interoperabilidad de sistemas y aparatos y así tener la capacidad de manejar sistemas abiertos y estandarizados. Con la mejora de los protocolos de comunicación es ahora posible reducir el tiempo necesario para la transferencia de datos, asegurando la misma, garantizando el tiempo de sincronización y el tiempo real de respuesta determinística en algunas aplicaciones.

Índice

1 Tecnología de buses de campoo 1.1 Ventajas de un bus de campoo 1.2 Desventajas de un bus de campoo 1.3 Procesos de comunicación por medio de bus

2 Tipos de buseso 2.1 ASI (Actuator Sensor Interface)o 2.2 BITBUSo 2.3 Profibus (PROcess FIeld BUS)o 2.4 FieldBus en OSI

3 Clasificación de las redes industrialeso 3.1 Buses actuadores y sensoreso 3.2 Buses de campo y dispositivos calientes

4 Componentes de las redes industrialeso 4.1 Bridgeo 4.2 Repetidoro 4.3 Gatewayo 4.4 Enrutadores

5 Topología de redes industriales 6 Beneficios de una red industrial 7 Redes industriales con PLC

8 Soluciones con Ethernet 9 Conclusión 10 Enlaces externos

Tecnología de buses de campo

Físicamente podemos considerar a un bus como un conjunto de conductores que conectan conjuntamente varios circuitos para permitir el intercambio de datos. Contrario a una conexión punto a punto —donde solo dos dispositivos intercambian información—, un bus consta normalmente de un número de usuarios superior, además que generalmente un bus transmite datos en modo serial, a excepción de algún protocolo de bus particular como SCSI o IEEE-488, utilizado para interconexión de instrumentos de medición, que no es el caso de los buses tratados como buses de campo.

Para una transmisión serial es suficiente un número de cables muy limitado, generalmente dos o tres conductores y la debida protección contra las perturbaciones externas para permitir su tendido en ambientes de ruido industrial.

Ventajas de un bus de campo

El intercambio puede llevarse a cabo por medio de un mecanismo estándar. Flexibilidad de extensión. Conexión de módulos diferentes en una misma línea. Posibilidad de conexión de dispositivos de diferentes procedencias. Distancias operativas superiores al cableado tradicional. Reducción masiva de cables y costo asociado. Simplificación de la puesta en servicio.

Jefferson Pro

Desventajas de un bus de campo

Necesidad de conocimientos superiores. Inversión de instrumentación y accesorios de diagnóstico. Costos globales inicialmente superiores.

Procesos de comunicación por medio de bus

El modo más sencillo de comunicación con el bus es el sondeo cliente/servidor. Más eficiente pero también más costoso es el Token bus (IEEE 802.4) donde, desde el punto de vista físico tenemos un bus lineal, y desde el punto de vista lógico un token ring. El procedimiento token passing es una combinación entre cliente/servidor y token bus. Todo servidor inteligente puede ser en algún momento servidor.

Tipos de buses

La mayoría de los buses trabajan en el nivel 1 con interfaz RS 485.

ASI (Actuator Sensor Interface)

Es el bus más inmediato en el nivel de campo y más sencillo de controlar. Consiste en un bus cliente/servidor con un máximo de 31 participantes que transmite por paquetes de solo 4 bits de datos. Es muy veloz, con un ciclo de 5 ms aproximadamente. Alcanza distancias de 100 m o hasta 300 m con ayuda de repetidores. y p.o.p.o

BITBUS

Es el más difundido en todo el mundo; es del tipo cliente/servidor y admite como máximo 56 clientes; el paquete puede transmitir hasta 43 bytes de datos.

Profibus (PROcess FIeld BUS)

Es el estándar europeo en tecnología de buses; se encuentra jerárquicamente por encima de ASI y BITBUS, trabaja según procedimiento híbrido token passing, y dispone de 31 participantes hasta un máximo de 127. Su paquete puede transmitir un máximo de 246 bytes, y el ciclo para 31 participantes es de aproximadamente 90 ms. Alcanza una distancia de hasta 22300 m.

FieldBus en OSI

En la arquitectura OSI, fieldbus ocupa los niveles 1 (Físico), 2 (Enlace de Datos) y 7 (Aplicación); teniendo en cuenta que este último no solo se encarga de la interfaz de usuario sino de aplicaciones específicas, dependiendo de cada aplicación

Clasificación de las redes industriales

Si se clasifican las redes industriales en diferentes categorías basándose en la funcionalidad, se hará en:

Buses actuadores y sensores

Inicialmente se usan un sensor y un bus actuador en conexión simple, dispositivos discretos con inteligencia limitada, como un fotosensor, un switch limitador o una válvula solenoide, controladores y consolas terminales.

Buses de campo y dispositivos calientes

Estas redes se distinguen por la forma como manejan el tamaño del mensaje y el tiempo de respuesta. En general, estas redes conectan dispositivos inteligentes en una sola red distribuida (Delta V de Emmerson).

Estas redes ofrecen altos niveles de diagnóstico y capacidad de configuración, generalmente al nivel del poder de procesamiento de los dispositivos más inteligentes. Son las redes más sofisticadas que trabajan con control distribuido real entre dispositivos inteligentes.

Componentes de las redes industriales

En grandes redes industriales, un simple cable no es suficiente para conectar el conjunto de todos los nodos de la red. Deben definirse topologías y diseños de redes para proveer un aislamiento y conocer los requerimientos de funcionamiento.

Bridge

Con un puente la conexión entre dos diferentes secciones de red, puede tener diferentes características eléctricas y protocolos; además puede enlazar dos redes diferentes.

Repetidor

El repetidor o amplificador es un dispositivo que intensifica las señales eléctricas para que puedan viajar grandes distancias entre nodos. Con este dispositivo se pueden conectar un gran número de nodos a la red; además, se pueden adaptar a diferentes medios físicos como cable coaxial o fibra óptica.

Gateway

Un gateway es similar a un puente, ya que suministra interoperabilidad entre buses y diferentes tipos de protocolos; además, las aplicaciones pueden comunicarse a través de él.

Enrutadores

Es un switch "enrutador" de paquetes de comunicación entre diferentes segmentos de red que definen la ruta hacia donde se transmite la información.

Topología de redes industriales

Los sistemas industriales usualmente consisten en dos o más dispositivos. Como un sistema industrial puede ser bastante grande, debe considerarse la topología de la red. Las topologías más comunes son: red bus, red estrella y red híbrida.

Beneficios de una red industrial

Reducción de cableado (físicamente) Dispositivos inteligentes (funcionalidad y ejecución) Control distribuido (flexibilidad) Simplificación de cableado de las nuevas instalaciones Reducción de costo en cableado y cajas de conexión Aplicable a todo tipo de sistema de manufactura Incremento de la confiabilidad de los sistemas de producción Optimización de los procesos existentes

Redes industriales con PLC

Muchos sistemas están conformados por equipos de diferentes fabricantes y funcionan en diferentes niveles de automatización; además, a menudo se encuentran distanciados entre sí; sin embargo, se desea que trabajen en forma coordinada para un resultado

satisfactorio del proceso. El objetivo principal es la comunicación totalmente integrada en el sistema. Al usuario esto le reporta la máxima flexibilidad, ya que también puede integrar sin problemas productos de otros fabricantes a través de las interfaces de software estandarizadas.

En los últimos años, las aplicaciones industriales basadas en comunicación digital se han incrementado, haciendo posible la conexión de sensores, actuadores y equipos de control en una planta de procesamiento.

De esta manera, la comunicación entre la sala de control y los instrumentos de campo se ha convertido en realidad. La comunicación digital debe integrar la información provista por los elementos de campo en el sistema de control de procesos.

Soluciones con Ethernet

Aunque los buses de campo continuarán dominando las redes industriales, las soluciones basadas en Ethernet se están utilizando cada vez más en el sector de las tecnologías de automatización, donde las secuencias de procesos y producción son controladas por un modelo cliente/servidor con controladores, PLC y sistemas ERP (Planificación de los recursos de la empresa), teniendo acceso a cada sensor que se conecta a la red.

La implementación de una red efectiva y segura también requiere el uso de conectores apropiados, disponibles en una amplia variedad y para soluciones muy flexibles.

Los gateways son dispositivos de capa de transporte, en donde la capa de aplicación no necesariamente es software; por lo general, las aplicaciones son de audio (alarmas), vídeo (vigilancia), monitoreo y control (sensores), conversión análoga/digital y digital/análoga.

Para la programación de gateways de alto nivel se utiliza el C++; la programación menos avanzada se hace con hojas de cálculo. Estos dispositivos pueden ser programados de tal forma que, en caso de una emergencia o un simple cambio a otro proceso, no se haga manualmente sino realmente automático.

Conclusión

Hoy en día las tecnologías que triunfan en el mercado son aquellas que ofrecen las mejores ventajas y mayor seguridad a los clientes. Cada vez se está acabando con tecnologías cerradas, que es imposible que sobrevivan en un mundo en proceso de globalización.

A nivel industrial se está dando un gran cambio, ya que no solo se pretende trabajar con la especificidad de la instrumentación y el control automático, sino que existe la necesidad de mantener históricamente información de todos los procesos, además que esta información esté también en tiempo real y sirva para la toma de decisiones, y se pueda así mejorar la calidad de los procesos.

Las condiciones extremas a nivel industrial requieren de equipos capaces de soportar elevadas temperaturas, ruido excesivo, polvo, humedad y demás condiciones adversas;

pero además requiere de personal capaz de ver globalmente el sistema de control y automatización industrial junto con el sistema de red digital de datos.

 

 

BUS DE COMUNICACIÓN INDUSTRIAL ASi.

El bus AS-Interface es una red estándar de mercado, robusta y suficientemente flexible, que cumple con todos los requerimientos para un bus de comunicación industrial. Está especialmente diseñada para el nivel “más bajo” del proceso de control. La red AS-Interface representa “los ojos y los oídos” para el control del proceso, pero utilizando técnicas de comunicación industrial.

 

HISTORIA Y APLICACIONES

ASi es un sistema estandarizado, independiente del fabricante, sin bus específico de una marca, compatible con el campo gracias a su máxima resistencia a interferencias eléctricas,  este bus permite acoplamientos de los elementos en lugares indistintos mediante uniones mecánicas. Es producto de un proyecto iniciado en 1990 por un consorcio compuesto por 11 empresas fabricantes de sensores y actuadores.

La red ASi se ha creado como un sistema maestro simple, utilizando la técnica de poleo cíclico, la velocidad de lectura es de 5 ms. Esto quiere decir que sólo existe un maestro en toda la red. Este maestro consulta y actualiza los datos de todos los esclavos de la red, empleando para ello un tiempo fijo.

A diferencia con otros sistemas de bus más complejos, la red AS i se configura de forma automática, el usuario no necesita realizar ningún  ajuste, como por ejemplo, derechos de acceso, velocidad de red, tipo de telegrama, etc., con ASi se pueden conectar señales de proceso digitales y analógicas, representa la interfase universal entre el nivel de control superior (PLC) y el nivel de control inferior (actuadores y sensores). [30]

 

TOPOLOGÍAS DE RED DEL BUS DE COMUNICACÓN ASi.

 La red AS-Interface se puede montar como una instalación eléctrica estándar. Gracias al robusto principio de funcionamiento sobre el que se asienta, no hay limitaciones en cuanto a la estructura (topología de red). La red AS-Interface se puede montar en árbol, línea o estrella, como se puede observar el la figura 2.3.

 

                                         Fig. 2.3 Topología en línea, estrella o árbol.

 

 

COMPONENTES DEL BUS DE COMUNICACIÓN INDUSTRIAL ASi.

Los componentes básicos de la red ASi son:

1. Maestro ASi2. Esclavos3. Cable ASi4. Fuente de alimentación

 

1.- El maestro ASi.

El maestro de AS-Interface es el que se encarga de recoger los datos de la red y enviárselos al PLC correspondiente, y viceversa. Él mismo organiza el tráfico de datos en el cable AS-Interface y, en caso necesario, pone los datos de los sensores y actuadores a

disposición del PLC o de un sistema de bus superior (por ejemplo, PROFIBUS), a través de las denominadas pasarelas DP/AS-Interface. También transmite parámetros de configuración a los esclavos, supervisa la red constantemente y suministrar datos de diagnóstico.

El maestro ejecuta todas sus funciones de manera automática. Además se encarga de realizar el diagnóstico de todo el sistema, reconoce las fallas en cualquier punto de la red, indica el tipo de fallo y determina qué esclavo lo originó.

 

Fig. 2.4 Ejemplo de un maestro de AS-Interface: CP342-2 para SIMATIC S7-300

 

 

2.- Esclavos

Los esclavos pueden ser módulos de E/S descentralizados, conectados con el programa de control del PLC. El esclavo de AS-Interface reconoce los bits de datos enviados por el maestro y le devuelve sus propios datos. Hay esclavos de AS-Interface de todos los tipos posibles: Módulos normales (módulos digitales, módulos analógicos, módulos neumáticos, etc.) o módulos inteligentes (arrancadores de motor, columnas de señalización, botoneras, etc.). En la figura 2.5 se muestra un arrancador de motor. Es interesante notar que los motores se pueden arrancar y proteger dentro de la red, directamente en campo; este ejemplo permite conocer la  versatilidad de los esclavos en la red ASi.

 

Fig. 2.5  El arrancador de motor dentro la red AS-Interface.

 

 

3.- Cable ASi

El cable AS-i se ha diseñado como cable bifilar engomado, el perfil especial impide que se puedan conectar estaciones con la polaridad incorrecta. El cable plano amarillo es el estándar, su geometría es fija y asimétrica, se encarga de transmitir los datos de toda la red y la alimentación a los sensores conectados en la misma. Para los actuadores se necesita una alimentación auxiliar (tensión auxiliar de 24 V DC o 230 V AC), para el cable de alimentación auxiliar a 24 V DC se utiliza un cable de color negro, y para el cable de alimentación auxiliar a 230 V AC se utiliza el mismo cable pero en color rojo [27].

No es necesario cortar, pelar ni atornillar el cable. Para este tipo de conexión se dispone de módulos de acoplamiento en técnica de perforación de aislamiento. El cable AS i es auto cicatrizante. Esto significa que los agujeros producidos por las cuchillas de contacto en el revestimiento de goma del cable se cierran por sí mismos, restableciendo el grado de protección IP67, en el que IP significa Internal Protección, y el 6 se refiere a la protección contra partículas sólidas y el 7 a la protección contra fluidos.  En caso de montaje del cable en un módulo ASi, el propio cable hermetiza el orificio de entrada.

 

 

                         Fig. 2.6 Cable ASi                                 Fig. 2.7 Perfil del cable

ASi                   

                    

                

 

4.- Fuente de alimentación

La fuente de alimentación para la red AS-Interface suministra una tensión entre 29,5 V DC y 31,6 V DC.  Utiliza el acoplamiento integrado de datos y alimentación, es decir, permite transmitir datos y suministra energía a los sensores conectados en la red. Para ello, los datos transmitidos en la red AS-Interface se envían en forma de impulsos, también se encarga de modular la tensión continua en la red. Las salidas de la red se alimentan a través del cable negro perfilado. Para este cable se puede utilizar una fuente de alimentación normal de 24 V DC que cumpla con la especificación PELV (cable de protección a tierra).

 

Fig. 2.8 Fuente de alimentación para AS-Interface

Componentes adicionales:

Existen algunos componentes adicionales en la red ASi tales como:

 

RepetidoresPasarelasDispositivo direccionador

  

1. Repetidores

La red AS-Interface funciona sin problemas hasta una longitud de 300 metros (sin repetidor hasta 100 metros). En caso de que la instalación necesite más de 100 metros, se puede ampliar la red con 2 repetidores en serie hasta un máximo de 300 metros, 100 metros por cada nuevo segmento. El repetidor trabaja como un amplificador de señal. Los esclavos se pueden conectar en cada uno de los 3 segmentos de la red AS-Interface. Cada segmento necesita su propia fuente de alimentación.

 

 

3. Pasarelas

Si se tienen estructuras de automatización complejas, la red AS-Interface se puede conectar a un sistema de bus superior (por ejemplo, PROFIBUS).

Para esto se necesita una pasarela, por ejemplo el DP/AS-i-Link 20E de Siemens, la cual funciona como maestro de AS-Interface, pero como esclavo del sistema de bus superior.

La red AS-Interface se encarga de suministrar sus señales binarias al sistema de bus superior para su posterior tratamiento en el programa de PLC. En la figura 2.10 se muestra un panorama de la aplicación de la pasarela mencionada, se puede observar como esclavo DP y a la vez maestro de ASi.

 

 

 

Fig. 2.10 Ejemplo de conexión de la pasarela DP ASi.

 

 Dispositivo direccionador.

Las direcciones de todos los participantes hay que asignarlas antes de poner en servicio la red AS-Interface. Esto se puede realizar en modo OFFLINE con la ayuda de un dispositivo de programación, o en modo ONLINE por medio del programa del PLC de la CPU del maestro. En algunos esclavos, también se puede realizar después de su montaje en la red, por medio del conector de direccionamiento que llevan integrado.

Las direcciones de esclavo pueden tener un valor entre 1 y 31 (o entre 1A y 31A, y 1B y 31B, en caso de utilizar el perfil ampliado ASi 2.1). Cualquier esclavo nuevo, tiene por defecto la dirección 0. El maestro reconoce esta dirección y no lo incluye en el proceso de comunicación normal.

La asignación de las direcciones es totalmente libre. Da absolutamente lo mismo si un esclavo posee la dirección 21 o la 28. También es indiferente el orden de los esclavos en la red. Al esclavo con dirección 21 le puede seguir el esclavo con dirección 22 o con dirección 30, por ejemplo.

  

Fig. 2.11 Direccionador ASInterface.

 

 

Información obtenida de Homepage AS-Interface