Redes de Comunicación Industriales

Los sistemas de comunicación a nivel industrial buscan:

• Coordinar acciones de unidades automatizadas y controlar la transferencia de componentes mediante el intercambio de datos.
• Monitorear y modificar estrategias de control desde el puesto central.
• Aumentar la confiabilidad y seguridad en los procesos de producción.
• Proveer servicios de transmisión de voz e imagen.
• Integrar completamente el proceso productivo.

Arquitectura de la Red

La arquitectura de la red de comunicación se basa en premisas de racionalización, conectividad, calidad y confianza.

Características Principales

Las características principales de una red de comunicación industrial incluyen el volumen de datos, la velocidad de transmisión y la velocidad de respuesta.

Pirámide de las Comunicaciones

• N4: Nivel de Oficina: Ordenadores → Ethernet
• N3: Nivel de Planta: Ordenadores con software SCADA → Profinet/Ethernet
• N2: Nivel de Célula: Componentes inteligentes (PLC, HMI) → Profibus/Profinet
• N1: Nivel de Campo: Actuadores y sensores → AS-i

Niveles de una Red Industrial

Volumen de Datos: muy grande – grande – medio – pequeño

Velocidad de Respuesta: pequeña – mediana – grande – instantáneo

Normativas

Normas Internacionales

ISO: Para todas las áreas / IEC: Para el área eléctrica / ITU: Para el área de las telecomunicaciones

Normas Continentales

Europeas: CENELEC: Para el área electrónica / ETSI: Área de las telecomunicaciones.

EEUU: ANSI: Abarca todas las áreas / TIA: Área de telecomunicaciones / EIA: Asociación de industrias del sector de la electrónica. Transmisión de señales eléctricas (RS -232) / IEEE: Normas relativas a comunicaciones industriales y redes de comunicación.

Normas Físicas

Norma RS-232C y RS-232D: Transmisión simple (Single-Ended). Utiliza un único cable referenciado a tierra común. Distancias cortas y bajas velocidades de transmisión. Vulnerable a interferencias eléctricas.

Características Mecánicas de la Interface

Asignación de señales DB25 o DB9, conector hembra en ordenador (DCE), conector macho en módem (DTE), longitud del cable (15 metros), capacidad máxima del cable (2500 pF).

Señales Eléctricas

Velocidad ≤ 20 kbps, estándar utiliza ±12V. El tiempo de transición debe ser inferior al 4% del periodo de un bit ≥ 20 kbps.

Norma RS-422: Se utiliza una línea diferencial full-duplex para la transmisión: 2 hilos respecto a una tierra. Distancia 1200 metros, más inmune al ruido eléctrico, velocidad ≤ 10 Mbps, 32 estaciones de ≥ 10 Mbps.

Norma RS-485: Se utiliza una línea diferencial half-duplex para la transmisión. Distancia 1200 metros, más inmune al ruido eléctrico, velocidad ≤ 10 Mbps, 32 estaciones de ≥ 10 Mbps.

Topologías de Redes

• Punto a Punto: Comunicación half-duplex o full-duplex. Si un nodo falla, el resto puede funcionar. Pocos nodos.
• Bus: Antes de enviar un mensaje se debe verificar si el bus está libre. Fallo de un nodo no afecta al resto de la red. Limitado por distancia.
• Árbol: Grupo de buses conectados entre sí, mayor alcance que un bus simple.
• Anillo: La información fluye en una dirección. Si un equipo falla, la red deja de funcionar.
• Estrella: Todos los equipos están conectados a un nodo central (hub). Si falla el hub, la red no funciona.

Protocolos y Bus de Comunicación

Conjunto de reglas que permiten la transferencia e intercambio de datos.

Protocolos: Propietarios (restringidos a una marca) y Abiertos (interconectables e interoperables).

HART: Protocolo híbrido que combina comunicación analógica (4-20 mA) con digital (FSK).

BUS AS-i: Interfaz de actuador/sensor. Soporta varias topologías con hasta 100 metros de cable.

PROFIBUS: Comunicación entre el sistema de automatización y dispositivos de campo. PROFIBUS FMS, DP, PA.

RS-485: Transmisión por cable bifilar apantallado.

RS 485-iS: Transmisión de seguridad intrínseca.

Fibra Óptica: Transmisión rápida de grandes cantidades de datos.

PROFIBUS PA

Orientado a nivel de procesos, transmisión síncrona de 31.2 kbps, seguridad intrínseca.

Comparación PROFIBUS

• PROFIBUS FMS: Amplio rango de aplicaciones, nivel de célula, comunicación multi-maestro.
• PROFIBUS DP: Alta velocidad, plug & play, comunicación de sistemas de control y E/S distribuidas.
• PROFIBUS DP/PA: Para la transición entre redes DP y PA.

Cálculos

Para determinar la cantidad de dispositivos en un segmento del bus PROFIBUS PA.

MODBUS

Protocolo de comunicación industrial maestro/esclavo. Implementado sobre RS-485, RS-232, Ethernet (TCP/IP).

FIELDBUS

Sistema de comunicación digital, serial, bidireccional. H1 (31.25 kbps) y HSE (100 Mbps).

Ethernet Industrial

Uso del protocolo Ethernet en entornos industriales. Estándar IEEE 802.3, hasta 100 Mbps, conectores RJ-45.

Ajuste de Controladores

Lograr un acoplamiento del control al proceso para obtener una curva de recuperación óptima.

Ajuste por Ensayo y Error

Eliminar acciones integral y derivativa, ajustar la ganancia proporcional hasta obtener una oscilación continua.

Método de Ziegler-Nichols

Determinar la ganancia última y el periodo último.

Método de Curva de Reacción (Z-N en Lazo Abierto)

Aplicar un escalón de entrada al proceso y analizar la respuesta.

Cohen-Coon

Corregir el inconveniente del método Z-N para minimizar la desviación y la razón de amortiguación.