OPC: Base Tecnológica para la Integración de Sistemas de Automatización

OPC (OLE for Process Control) se ha consolidado como una tecnología fundamental para la integración de componentes de automatización, dispositivos de campo y hardware de control. Su principal función es facilitar la comunicación e interoperabilidad entre estos elementos, optimizando los procesos industriales.

Características Principales de OPC

• Interoperabilidad: Permite la comunicación fluida entre aplicaciones de automatización/control, dispositivos/sistemas de campo y aplicaciones de gestión/oficina.
• Sistema de Comunicaciones:
  • Reducción de costes
  • Sistema abierto y flexible
  • Elimina problemas de incompatibilidad
  • Reduce gastos de mantenimiento
  • Eficiente
• Basado en tecnologías OLE, COM y DCOM.

Datos que Ofrece OPC

• Datos de sensores en tiempo real (temperatura, presión, caudal).
• Parámetros de control (abrir, cerrar).
• Información de estado del hardware y del software local y subsistemas.
• Capacidad para exponer cualquier otro dato disponible.

Servidores OPC

Un servidor OPC es un programa que proporciona interfaces OPC, actuando como intermediario entre la fuente de datos y el cliente que los solicita. Se ubica donde reside la fuente de datos.

Tipos de Servidores OPC

• Acceso a Datos en Línea: Lectura/Escritura (R/W) entre aplicaciones y dispositivos de control.
• Alarmas y Eventos: Gestión de alarmas y eventos en tiempo real.
• Datos Históricos: Acceso a datos históricos para análisis y reportes.

Composición de OPC

OPC se estructura en varios objetos:

• Servidor: Contiene los grupos.
• Grupo: Agrupa los ítems. Puede ser público o local.
• Ítem: Representa una conexión a una fuente de datos.

Situación de OPC en la Arquitectura de Automatización

• Nivel Alto: Comunicación entre SCADA o SCD y aplicaciones o entre subsistemas y consolas de gestión.
• Nivel Bajo: Suministro de datos en bruto desde dispositivos físicos a SCADA o SCD, como sensores de bajo nivel que utilizan hardware y protocolos dedicados, y entre aplicaciones de monitorización y drivers.

Motivación para el Desarrollo de OPC

La necesidad de OPC surgió debido a la falta de comunicación estandarizada entre aplicaciones de software y dispositivos de campo. Esto generaba:

• Altos costes de integración.
• Proliferación de drivers y conflictos de acceso.
• Imposibilidad de acceso simultáneo a datos por parte de múltiples aplicaciones.

OPC se creó como un estándar para la comunicación compacta, abierta y extensible, solucionando estos problemas.

SCADA: Supervisión, Control y Adquisición de Datos

Un sistema SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) es un conjunto de acciones y herramientas de software para la supervisión y control de procesos industriales, asegurando su correcto funcionamiento incluso en situaciones anómalas.

Sistema de Supervisión

El sistema de supervisión se sitúa por encima del sistema de control y se encarga de:

• Registrar la evolución del proceso y detectar desviaciones en las variables.
• Emitir diagnósticos.
• Resolver anomalías y tomar medidas preventivas.

Recorre tres etapas:

1. Detección de fallos.
2. Diagnóstico de fallos.
3. Reconfiguración del sistema según las especificaciones.

Sistema de Monitorización

Automatiza el proceso de vigilancia, adquiriendo datos del proceso y facilitando la interoperabilidad entre el operario y el proceso. La adquisición de datos se realiza mediante tarjetas de adquisición de datos (TAD), buses de instrumentación y comunicaciones serie a través de interfaces RS-232/485.

Alarmas (Monitorización)

Las alarmas alertan al operario sobre situaciones anómalas, desviaciones en la magnitud de una variable o excedencia en el tiempo. Se registran con fecha, se visualizan y se almacenan.

Tipos de Alarmas

• Discretas: Se activan ante un cambio binario en una variable.
• Continuas: Se definen umbrales numéricos para su activación.

Umbrales de Alarma

• Absolutos: Se activan al sobrepasar un valor numérico (con una banda muerta).
• Relativos: Se definen límites en porcentaje respecto a un valor objetivo («target»).
• ROC (Rate of Change): Se basan en la velocidad de cambio de la variable.

Gestión y Registro de Alarmas

1. Filtrado de Alarmas: Se activan solo las alarmas con una cierta prioridad.
2. Seguimiento y Registro Temporal: Se registran los eventos:

• Instante de activación.
• Instante de fin de alarma.
• Reconocimiento de la alarma por el operario.
• Forzado de variables.

Funcionalidades de un Sistema SCADA

• Adquisición y almacenamiento de datos.
• Representación gráfica de las variables de proceso.
• Monitorización de variables mediante alarmas.
• Control sobre reguladores autónomos o E/S remotas.
• Arquitectura abierta y flexible.

Estructura Interna de un Sistema SCADA

• Dispositivos de Campo: Proporcionan los datos del proceso.
• Drivers de Comunicaciones: Facilitan la comunicación con los dispositivos de campo.
• Servidor de Datos: Almacena datos, detecta y gestiona alarmas.
• Servidores Web: Gestionan la disponibilidad y acceso a datos a través de Internet.
• Aplicaciones Complementarias:
  • HMI (Human Machine Interface): Visualización del proceso.
  • OLE/ODBC: Comunicación con bases de datos.
  • Batch, SPC, SQC: Control estadístico de procesos.
  • OPC, ActiveX: Tecnologías de comunicación e integración.

Características de un Sistema SCADA

• Tecnología de sistemas abiertos.
• Integración con otras aplicaciones (sistemas MES – Manufacturing Execution System).
• Conectividad remota a través de Internet.
• Capacidad para solucionar las necesidades de los distintos sistemas de control.

Desarrollo de una Aplicación SCADA

1. Desarrollo:
   • Número de usuarios.
   • Señales de E/S y sus requerimientos de adquisición y registro.
   • Variables de control y resultados a visualizar.
   • Alarmas y avisos.
   • Utilidades:
     • Lenguajes de programación.
     • Utilidades de simulación.
     • Capacidad de configuración en línea.
2. Ejecución: Aplicaciones que se ejecutan en planta (licencia de «run time»).

Representación del Proceso en un Sistema SCADA

Se refiere a la representación visual de la información y su interactividad (interfaz hombre-máquina). Se utilizan sinópticos, con colores y zonas diferenciadas según la distribución física.

Bloques Funcionales de un Sistema de Adquisición de Datos

1. Análisis en Línea: Mediante software.
2. Almacenamiento: Según el tipo de sistema (ASCII, binario, bases de datos).
3. Análisis Fuera de Línea: Obtención de información adicional.
4. Monitorización: Muestras en tiempo real, históricos, etc.

Comunicaciones Industriales: Optimizando el Flujo de Información

Los sistemas de comunicaciones industriales son mecanismos de intercambio de datos en una organización industrial. Normalmente requieren:

1. Intercambio de datos en línea (on-line).
2. Intercambio de datos en línea eficiente y con bajo coste temporal.

Un sistema industrial se define como el conjunto de procesos enlazados por medio de flujos de materiales, energía e información.

Ventajas de un Sistema Automatizado

• Aumento de productividad y calidad.
• Reducción de tiempos y costes.
• Utilización eficiente de los equipos.

Factores a Considerar en el Diseño de Comunicaciones Industriales

• Conectividad.
• Flexibilidad.
• Rendimiento.

Diseño de una Planta Industrial

Puede ser:

1. Centralizado: Envía toda la información a un centro de procesado y optimiza el control para que cada acción individual contribuya al funcionamiento de la fábrica.
2. Jerarquizado y Distribuido: Descompone el sistema en partes coherentes y asigna a cada una una competencia determinada.

Sistema de Control Distribuido (SCD)

Características de un SCD

• Modularidad.
• Extensibilidad.
• Compatibilidad.
• Fiabilidad.
• Mantenibilidad.
• Reconfigurabilidad.

Componentes de un SCD

• Controladores.
• Interfaces hombre-máquina.
• Comunicaciones.
• Módulos.
• Pantallas gráficas.
• Algoritmos.

Tareas de un SCD

• Supervisión y gestión de alarmas.
• Históricos.
• Garantizar la operación normal de la planta.
• Control estadístico.

Redes Industriales: Niveles y Características

Redes de Planta

Orientadas a la gestión y planificación.

Requisitos

• Manejan mensajes de cualquier tamaño.
• Gestión de errores.
• Gestionan mensajes de diferentes niveles de prioridad.
• Permiten conectar varios segmentos de red.
• Amplio ancho de banda.

Solución: Ethernet.

Redes de Célula

Coordinación de máquinas y operaciones. Todos los equipos que forman las redes de célula (autómatas, robots, etc.) deben comunicarse entre sí.

Requisitos

• Gestión de mensajes cortos.
• Manejar tráfico de eventos discretos.
• Corrección de errores.
• Transmisión de mensajes prioritarios.
• Alta fiabilidad.
• Bajo coste.
• Recuperación rápida ante anomalías.

Características del Tráfico en Redes de Célula

1. Comunicación de Estados: Transmisión cíclica generada por los controladores.
2. Comunicación de Eventos: Transmisión no cíclica, generada por las alarmas.
3. Comunicación de Bloques: Transmisión no cíclica, generada por envío de ficheros.

Tipos de Tráfico

1. Síncrono: Mensajes cortos en tiempo real.
2. Asíncrono: Mensajes grandes que no requieren tiempo real.
3. Asíncrono Corto: Mensajes cortos que no requieren tiempo real.

Solución: Ethernet.

Redes de Campo

Nivel más bajo. Sensores y actuadores.

Requisitos

• Gestión de mensajes muy cortos.
• Soporte de tráfico periódico y aperiódico.
• Tiempos de respuesta acotados.
• Redundancia.
• Gestión de errores adecuada.

Solución: Buses de campo.

Topologías de las Redes de Comunicación

Distribución física de los elementos que integran la red. Tipos:

• Nodo.
• Anillo.
• Bus.
• Árbol.
• Estrella.

Modelo OSI y Comunicaciones Industriales

ISO (International Organization for Standardization): Norma que permite la comunicación entre aplicaciones de diferentes equipos.

OSI (Open Systems Interconnection): Modelo de referencia de interconexión de sistemas abiertos. Tiene 7 niveles o capas. Cada nivel une los servicios del nivel inmediatamente inferior y provee servicios al superior.

Funcionamiento del Modelo OSI

Dispone de un mecanismo de comunicación que puede ser:

1. Petición de servicio a la capa inferior.
2. Notificación a la capa superior.

Y de mensajes intercambiados: UDP (Unidad de Datos de Protocolo).

1. Capa Física: Establece la conexión física entre el ordenador y el equipo terminador de red. Coordina las propiedades físicas y mecánicas de la conexión. No garantiza fiabilidad. Medios de transmisión: par trenzado, cable coaxial y fibra óptica.
2. Capa de Enlace: Garantiza la fiabilidad de la transmisión entre los dispositivos unidos físicamente, detección y control de errores, regulación de flujo.
3. Capa de Red: Encaminamiento de los datos. No garantiza fiabilidad.
4. Capa de Transporte: Comunicación fiable independiente de la red. Garantiza que la información llega a su destino mediante un protocolo. Existe confirmación por parte del receptor. Rutas alternativas y reconstrucción de mensajes.
5. Capa de Sesión: Conversaciones entre aplicaciones de diferentes sistemas: cómo inician la conversación, cómo transcurre y cómo finaliza. Se pueden establecer varias sesiones sobre una misma capa de transporte. Interpretación de quién es el emisor y el receptor.
6. Capa de Presentación: Transformación de los datos, posibilita la comunicación entre máquinas muy diferentes.
7. Capa de Aplicación:
   • MAP (Manufacturing Automation Protocol): Destinada a comunicar dispositivos de fabricación (robots, PLCs, etc.).
   • MMS (Manufacturing Message Specification): Para los dispositivos de fabricación, su monitorización y control.

Buses de Campo: Características y Ventajas

Los buses de campo permiten:

• Más información.
• Conexión multipunto (varios dispositivos a un mismo cable, reduciendo el cableado).
• Robustez (facilita la detección de errores al tener dos estados: 0 y 1).
• Interoperabilidad.
• Comunicación:
  • Maestro-Esclavo: Profibus, HART (analógico y digital).
  • Editor-Suscriptor: Fieldbus Foundation (solo digital).
  • Fuente-Sumidero: Solo cuando cambia un estado.

Comunicación Digital

Transmisión de datos en serie entre dos o más dispositivos en forma binaria (0 y 1). Requiere:

• Fuente de datos.
• Transmisores.
• Canales de comunicación.
• Receptor.
• Destino de los datos.

Ethernet en Entornos Industriales

Ethernet es una familia de tecnologías de redes de área local (LAN) cubiertas por el estándar IEEE 802.3. Utiliza el protocolo de acceso múltiple por «censado del medio» con «detección de colisiones». En entornos industriales, se utilizan cables, conectores y hardware robustos que soportan ruidos, vibraciones, temperaturas extremas, etc. Además, se emplean protocolos que garantizan la interoperabilidad entre dispositivos y máquinas.

Diferencia entre Red y Protocolo Ethernet

La red se compone de los elementos físicos y el hardware para la transmisión de mensajes. El protocolo es el lenguaje binario que opera sobre la red.

Buses de Campo Fieldbus: Comunicación Digital Multipunto

Fieldbus es un sistema de comunicación digital serie multipunto que permite interconectar equipos de medida y control. Actúa como una red local en tiempo real, con bajo coste y alta fiabilidad. Es un sistema abierto.

Tecnologías Fieldbus

1. Punto a punto analógica.
2. Punto a punto digital.
3. Punto a punto híbrida.
4. Punto a punto digital con bus de campo.

Ventajas de los Buses de Campo

• Reducción de costes.
• Alta fiabilidad y precisión.
• Reducción del cableado.
• Acceso multi-variable.
• Calibración, configuración y diagnosis remota.

Inconvenientes de los Buses de Campo

• Múltiples buses de campo en el mercado.
• Coste de los dispositivos.
• Diferencias entre DSV, Fieldbus e instrumentación tradicional.
• Incertidumbre sobre su futuro.

Comunicación Punto a Punto Analógica

Ventajas

• Buena respuesta frecuencial del canal.
• El controlador dispone de la información continuamente.
• Facilidad de uso y comprensión.
• Cableado simple.
• Tecnología probada y robusta.

Desventajas

• Comunicación unidireccional.
• Mucho cableado.
• Susceptibles al ruido.
• Intercambio de datos limitado.

Concentradores y Multiplexores

Se utilizan para reducir y simplificar el cableado. Permiten canales bidireccionales y la carga/descarga de programas.

Estructura de Capas del Bus de Campo

1. Capa Física: Define la velocidad de transmisión, número de dispositivos conectables, longitud máxima del cable y medio de transmisión.
2. Capa de Enlace: Controla el acceso al medio.
3. Capa de Usuario: Define la función de automatización, preparando una estructura con funciones de entrada, salida y control, en forma de funciones básicas o programas. Utiliza bloques funcionales que representan funciones básicas de automatización.

Clasificación de los Buses de Campo

Según la aplicación y el tipo de datos que manejan:

1. Buses de Sensores: Eliminan cableado punto a punto, manejan datos en forma de bits y tienen alta velocidad de transmisión.
2. Buses de Dispositivos: Solución intermedia entre buses rápidos, síncronos y orientados al sistema, y la gestión de variables analógicas. Manejan información en forma de mensajes de bytes u octetos.
3. Buses de Campo: Comunicación de todos los dispositivos de campo, seguridad intrínseca mediante paquetes de información.

Foundation Fieldbus: Arquitectura y Componentes

Foundation Fieldbus se compone de dispositivos de campo y equipos de control/monitorización. Los equipos proporcionan E/S y control para procesos automáticos, con seguridad intrínseca (limitando la corriente en el cable). Tiene una arquitectura compleja.

• Conexión de dispositivos mediante segmentos H1 (máximo 32) y H2.
• Dispositivos inteligentes.
• Elimina problemas de compatibilidad.
• Capacidad de interconectar y operar con dispositivos de distintos fabricantes.
• Empleados para visualización de históricos, alarmas y conexión de bloques.

Componentes Físicos (Accesorios)

• Fuente de alimentación.
• Terminador de bus.
• Barreras de seguridad intrínseca.
• Concentrador de fibra óptica.
• Convertidor de fibra óptica a cable.

Interoperabilidad en Foundation Fieldbus

Capacidad de interconectar y operar con dispositivos de varios fabricantes en una misma red sin pérdida de funcionalidad.

Topologías de Foundation Fieldbus

• Bus.
• Ramales.
• Árbol.

Stack de Comunicaciones en Foundation Fieldbus

Tres niveles:

1. DLL (Data Link Layer): Enlace de datos con dos niveles de operación: acceso al bus y control de transparencia de datos.
2. FAS (Fieldbus Access Sublayer): Subnivel de acceso a Fieldbus. Servicios: publicador-suscriptor, distribución de errores y cliente-servidor.
3. FMS (Fieldbus Message Specification): Especificación de mensajes Fieldbus.

Configuración en Foundation Fieldbus

A nivel de usuario, tres bloques:

1. Bloque de Recursos: Describe las características del dispositivo (nombre, fabricante, modelo y serie).
2. Bloque Transductor: Acopla señales físicas de E/S.
3. Bloque de Función: Constituyen las estrategias de control del sistema. Residen en los dispositivos. Constan de E/S, parámetros y algoritmo.

Profibus: Red de Automatización Industrial

El objetivo de Profibus es integrar en una misma red todos los equipos de automatización. Es una red abierta, utiliza los niveles 1, 2 y 7 del modelo OSI. Tiene tres perfiles o capas de usuario:

1. Profibus DP (Decentralized Periphery): Diseñada para intercambiar datos a nivel de campo.
   • Tipos de DP: DP maestro clase 1 y 2, DP esclavo.
   • Características:
     • Acceso permitido al bus de un máximo de 126 dispositivos.
     • Procedimiento de testigo entre maestros y procedimiento maestro-esclavo entre maestros y esclavos.
   • Funciones Básicas:
     • Transmisión cíclica de datos.
     • Activación/desactivación de esclavos individuales.
     • Chequeo de configuración de esclavos.
     • Funciones de diagnóstico.
     • Sincronización de E/S.
   • Comunicaciones punto a punto o maestro-esclavo cíclica.
   • Transmisión cíclica de datos de E/S.
   • Sincronización de entradas y salidas.
2. Profibus FMS (Fieldbus Message Specification): Comunicación a nivel de célula. Capa 7. Los PLCs y PCs se comunican entre ellos. Consta de FMS y LLI (Lower Layer Interface).
   • Servicios que Ofrece:
     • Establece conexiones lógicas.
     • Acceso a variables.
     • Asignación de memoria.
     • Control de programas.
     • Transmisión de mensajes de alarma.
3. Profibus PA (Process Automation): Define los parámetros y prestaciones de los dispositivos. Interoperabilidad:
   1. Conocimiento de la estructura de la información (parámetros de proceso, de servicio y parámetros específicos del fabricante).
   2. Estandarización en descripciones (fichero DD, fichero GDS: parámetros de comunicación (especificaciones generales, relativas al maestro y relativas al esclavo)).

Protocolo de Comunicaciones HART: Transmisión Digital sobre Señal Analógica

HART (Highway Addressable Remote Transducer) incrementa la posibilidad de transmisión de información digital. Utiliza canales analógicos y digitales.

Ventajas de HART

• El cableado y las estrategias de control permanecen inalterables.
• La información digital se puede utilizar durante la instalación, calibración, mantenimiento y operación.
• Permite comunicaciones bidireccionales.
• Los parámetros de los instrumentos se pueden consultar y ajustar desde cualquier posición del cable.
• Conexión de múltiples instrumentos inteligentes a un mismo cable.
• Soportado por la mayoría de los suministradores de instrumentos.

Modos de Comunicación HART

1. Comunicación Simultánea en Analógico y Digital: Con respuesta de 500 ms. Maestro-esclavo o solo digital con los dispositivos de campo.
2. Solo Digital:
   • Punto a punto: Señal de 4 a 20 mA para transmisiones analógicas. Medida, ajuste, datos y parámetros digitalmente.
   • Multipunto: Máximo 15 dispositivos en un único par de cables, para supervisar.

Ethernet en la Industria: Justificación y Desafíos

Ethernet se ha convertido en una solución popular en la industria debido a:

• Ser la columna dorsal de redes de comunicación.
• Permitir la prioridad de datos en tiempo real.
• Gestión basada en web y escalabilidad del ancho de banda.
• Bajo precio debido a su comercialización.

Se utiliza como solución para aplicaciones de alta velocidad y cumple con casi todos los requerimientos de buses industriales. Potencialmente, puede servir al 70% de las aplicaciones de redes industriales.

Problema de Interoperabilidad con Ethernet

Ethernet y TCP/IP no garantizan interoperabilidad por sí solos (no garantizan que dos dispositivos distintos conectados al mismo cable puedan comunicarse). Según el modelo OSI, Ethernet es una especificación de nivel físico y de enlace que define las características eléctricas de la red. TCP/IP opera en los niveles de red y transporte, empaquetando, transmitiendo y reconstruyendo los datos.

Conclusión: OPC como Solución a la Interoperabilidad

OPC resuelve el problema de interoperabilidad en entornos de automatización industrial, facilitando la comunicación entre dispositivos y aplicaciones de diferentes fabricantes y tecnologías.