Industria 4.0

Industria 4.0: Red inteligente de máquinas y procesos para la industria, con la ayuda de la tecnología de la información y la comunicación. Esta cuarta revolución industrial se centra en la organización y el control de toda la cadena de valor durante el ciclo de vida del producto, desde el diseño hasta el reciclado.

RAMI 4.0:

1. Jerarquía funcional
2. Modelo de datos en el ciclo de vida del producto
3. Modelo de capas para integrar fácilmente diferentes tecnologías

NIST:

• Product: Ciclo de vida del producto, desde el diseño hasta el reciclaje.
• Production: Ciclo de vida del sistema de producción.
• Business: Planificación, fuente, entrega, devolución.
• CPPS: Sistema que vincula objetos y procesos físicos con información virtual a través de redes de información abiertas, a veces globales e interconectadas constantemente.

IIRA:

• Empresarial: Identifica a los agentes involucrados en la fabricación digital.
• Uso: Describe cómo el sistema realiza las capacidades fundamentales desde el punto de vista empresarial.
• Funcional: Descompone un sistema típico de Ilot en partes funcionales para describir la estructura del sistema.
• Implementación: Tecnologías necesarias para implementar componentes funcionales, esquemas de comunicación y los procedimientos que intervienen.

IMSA:

• Ciclo de vida: Describe las etapas de la creación.
• Jerarquía del sistema: Representa los niveles de organización de las actividades de fabricación.
• Funciones inteligentes: Representan las funcionalidades de alto nivel proporcionadas por las tecnologías de las TIC.

Tipos de Procesos Industriales

Batch: Cantidad finita de material, cantidades de material proporcionales, conjunto ordenado de operaciones, tiempo finito, utilizando una o más piezas de equipo o equipos físicos.

Discreto: Piezas u objetos que se identifican de manera única, proceso secuencial, distintas estaciones, diferentes operaciones.

Contínuo: Flujo continuo, materia prima, modelos matemáticos, condiciones estándar, desviación supone no llegar a producir. Equipo para un único proceso, no se puede contar, a veces intangible. Variables de proceso.

Controladores Lógicos Programables (PLCs)

Introducción a los PLCs

Norma IEC 61131-3: Estándar internacional referente a los autómatas industriales, que intenta armonizar la forma en la cual las personas diseñan, programan y operan con los controladores industriales.

Definición del PLC: Sistema electrónico con funcionamiento digital para su uso en un entorno industrial. Utiliza una memoria programable para el almacenamiento interno de instrucciones orientadas al usuario para la implementación de funciones específicas de tipo lógico, secuencial, temporización de contaje y aritméticas, comunicación y gestión de datos.

Modelo de Software del PLC

Modelo software:

• Resource: Recursos como un procesador capaz de ejecutar programas IEC.
• Task: Las tareas controlan la ejecución de un conjunto de programas y/o bloques de función (POUs). Pueden ser ejecutadas periódicamente o por una señal de disparo.
• POUs: Los programas, bloques funcionales y funciones se denominan Unidades de Organización de Programas. Permiten la reutilización de software desde el nivel macro (programas) al nivel micro (FB y Funciones). Consisten en un encabezado (declaración de variable) y el cuerpo (instrucciones).

Unidades de Organización de Programas (POUs)

POU:

• Partes:
  • Variables globales: Bloques de datos, contadores, arrays, temporizadores.
  • Interfaz de bloque: Input, Output, InOut, static, temp, constante.
  • Cuerpo de bloque: Variable de bloque, VG de DB instanciados, VG de DB global, VG de tabla de variables.
• Lenguajes de la norma:
  • LD-KOP-LAD: Contactos.
  • FBD-FUP: Esquema de bloques funcionales.
  • ST-SCL: Estructurado.
  • SFC-GRAPH: Grafcet.
  • IL-AWL: Lista de instrucciones.

Función: Estándar (ADD, ABS, SQRT) o definidas por el usuario (una vez implementadas pueden ser usadas indefinidamente en los POUs). No pueden contener información, no tienen memoria, una entrada siempre da la misma salida.

Bloque Funcional: Equivalentes a circuitos integrados, representan funciones de control especializadas. Contienen datos o instrucciones y pueden guardar valores si tienen memoria.

Programa: Conjunto lógico de todos los elementos y construcciones del lenguaje de programación necesarios para el tratamiento de señal previsto que se requiere para el control de una máquina/proceso mediante el autómata.

Organización y Ejecución del Programa

Bloques de organización: Son la interfaz entre el sistema operativo y el programa del usuario. Los diferentes OB son llamados por el sistema operativo. En un mismo programa pueden haber varios siendo procesados secuencialmente según su orden numérico.

Estructura de Programación:

• Sistema operativo: Organiza la funcionalidad y las secuencias del controlador.
• Programa de usuario: Incluye todos los bloques requeridos para el procesamiento de una determinada tarea de automatización.

Ejecución del programa:

• Cíclica: Las tareas tienen la misma prioridad. Actualizar memoria de proceso 0 entradas, ejecución, actualizar memoria proceso 0 salidas.
• Controlada por tiempo: Alarma que se dispara con frecuencia definida y lanza la ejecución de un OB de alarma cíclica, prioridad del 2 al 24.
• Controlada por eventos: Se pueden configurar alarmas de proceso que provoquen la llamada de los OB de alarma de procesos asignados. Las alarmas de procesos tienen mayor prioridad e interrumpen el programa cíclico.
• Tiempo de ciclo: Tiempo que necesita la CPU para procesar el programa cíclico, para actualizar la memoria imagen de proceso E/S, y para todas las actividades del sistema y partes del programa que interrumpen este ciclo.

Tipos de Datos y Objetos

Tipos de datos:

• Cadenas de bit: BOOL, BYTE, WORD, DWORD, LWORD.
• Enteros: SINT, INT, DINT, LINT.
• Enteros sin signo: USINT, UINT, UDINT, ULINT.
• Reales: REAL, LREAL.
• Temporales: TIME, DATE, TIME_OF_DAY, DATE_AND_TIME.
• Caracteres: STRING.

Objetos predefinidos: Memoria %M, Entradas %I, Salidas %Q, Bloques de Datos %DB, Datos Locales %L, Temporizadores %T, contadores %C.

Bits en cada zona: Bits (X), byte (B – 8 bits), Words (W – 16 bits), Double Words (D – 32 bits), word real con coma flotante (Float – F – 32 bits).

Arquitectura del PLC

PLCs: El autómata programable es la unidad de control, incluyendo total o parcialmente las interfaces con las señales del proceso. Es un sistema con un hardware estándar, con capacidad de conexión directa a las señales de campo y programable. Es un sistema modular.

Estructura compacta: Incorpora en un solo bloque, todos los elementos. Características de funcionamiento cada vez más complejas y con un tamaño reducido, potencia de proceso limitada, control de máquinas o cuadros de mando, número de entradas y salidas pequeños.

Estructura modular: Agrupación en módulos que realizan partes específicas, sujeción mediante carril DIN o RACK.

• CPU: Cerebro del PLC, varía dependiendo de la memoria, tiempo de ejecución o software requerido.
• Módulos de E/S: Digitales y analógicas, módulos inteligentes, comunicaciones… de acuerdo con los requerimientos.
• Fuente de alimentación: Según la potencia que consume la CPU, E/S, periféricos, más módulos futuros.
• Tamaño del rack: Dependiendo de los módulos o futuras expansiones.

Son más caros que los compactos y varían dependiendo de la configuración del PLC. Puede aislarse un problema y cambiar el módulo.

Estructura semimodular: PLC compacto que se puede expandir con otros módulos, generalmente E/S, comunicaciones. Generalmente la CPU posee pocas E/S, son más económicos, selección más sencilla.

Tipos de Memoria

Memoria de carga: Memoria no volátil, bloques lógicos de datos y objetos tecnológicos para la configuración del hardware. Se encuentra en la SIMATIC Memory Card, transfiere datos del proyecto de la programadora a la memoria de carga.

Memoria de trabajo: Memoria volátil, contiene bloques lógicos y datos, integrada en la CPU, no se puede ampliar. Solo se usa cuando funciona la CPU, dos áreas, códigos y datos.

Memorias para el almacenamiento de datos de la aplicación:

• Almacenamiento programa: Posiciones de memoria que almacenan una serie de instrucciones, cuya ejecución periódica u orientada a eventos determina la progresión de la máquina o proceso. También puede consistir en posiciones de memoria que almacenan los valores iniciales de los datos del programa.
• Almacenamiento de datos: Posiciones de memoria que almacenan tablas y datos de imágenes de E/S, requeridas durante la ejecución del programa.

Componentes del PLC

Microprocesador: El conjunto de microprocesador y memoria forman parte inteligente del PLC, siendo el primero el encargado de procesar el programa y la segunda de asegurar que los datos necesarios estén disponibles. Es el circuito integrado que se encarga de ejecutar el programa, para lo cual realiza operaciones lógicas, aritméticas, etc.

Unidad de Control: Organiza todas las tareas del microprocesador, decodifica y ejecuta instrucciones del programa.

Unidad Aritmética y Lógica: Realiza los cálculos y toma las decisiones lógicas para controlar el autómata.

Registros Internos: Memorias donde se almacenan datos, instrucciones o direcciones durante el tiempo que los necesite el microprocesador.

Buses: Cables por los cuales se transmiten datos, direcciones, instrucciones y señales de control entre los módulos implicados en la ejecución del programa.

• Buses internos: Unen distintas partes del procesador: direcciones (activar una dirección de memoria concreta para acceder al dato contenido), datos (transferir datos desde o hacia el procesador), control (proporciona y recibe señales de control para el manejo de los distintos componentes y memorias).
• Buses externos: Unen chips independientes, son una extensión de los buses internos.

Funciones del Microprocesador

Funciones microprocesador:

• Supervisión y control del tiempo de ciclo: si el tiempo supera un determinado valor, el procesador detiene la ejecución del programa.
• Diagnóstico: mediante LEDs se indica si funciona bien o no.
• Inicio del ciclo de SCAN del programa y de la configuración del conjunto.
• Comunicación con la unidad de programación u otros periféricos.

Modos de Arranque

Arranque en frío: Arranque del sistema y del programa después de reajustar los datos dinámicos a estado predeterminado. Puede ser automático después de un fallo de alimentación o manual mediante reset.

Arranque en caliente: Después de un fallo de alimentación, datos remanentes programados y contexto del sistema predeterminados. Se usa un indicador (flag) de estado, forma parte del programa de aplicación, indica el apagado del PLC debido a un fallo.

Arranque completo: Después de un fallo de alimentación, dentro de un tiempo máximo, depende del proceso permitido por el PLC para recuperarse como si no hubiera fallo. E/S y otros datos junto al contexto del programa se restauran o se mantienen sin cambios. Requiere de la presencia de un reloj de tiempo real, alimentado de manera independiente.

Interfaces de Entrada/Salida (E/S)

Interfaces de E/S: Convierte las señales de entrada y datos obtenidos a niveles adecuados para el procesamiento, y al revés, las salidas a señales adecuadas para actuadores y pantallas.

Tipos de señales E/S: Información sobre el estado y los datos de la máquina son señales binarias digitales, de incremento o analógicas.

Características del sistema E/S: Varios métodos de procesamiento: conversión y aislamiento de señales en los sistemas E/S y funcionamiento del PLC depende de la evaluación estática/dinámica de la señal, procedimientos de almacenamiento o no almacenamiento.

Funciones de las unidades de E/S:

• Adaptación de las señales E/S: Entradas (adaptar tensiones e intensidades de sensores a las del PLC), salidas (adaptar tensiones e intensidades del PLC a las de los actuadores).
• Aislamiento galvánico: Separación eléctrica de los circuitos lógicos y los de potencia.
• Identificación de los sensores y actuadores: Medio por el que el procesador identifica cada sensor y actuador.

Comunicaciones Industriales

OPC UA

OPC UA: Es una tecnología de comunicación industrial multiplataforma, abierta (lo que la hace independiente de los fabricantes), orientada a servicios, segura, y con ricos modelos de información. Es una tecnología diseñada para comunicar datos de forma segura y operativa entre aplicaciones tanto en la industria de la automatización (OT), como en otros sectores (IT). Se considera un lenguaje de programación con capacidades de comunicación a través de redes. Tipo Cliente-Servidor.

Servidor OPC UA: Contiene información referente al proceso que se está controlando, la información de la memoria de los controladores (PLCs), ofrece servicios para el acceso a esa información (el servidor no hace nada por sí mismo, realiza las acciones solicitadas por el cliente). En los servidores se definen los servicios que pueden proporcionar a los clientes como un modelo de objetos que puede ser descubierto dinámicamente por los clientes y un modelo de datos siguiendo los data-type definidos en el propio protocolo.

Cliente OPC UA: Aplicación que permite utilizar los servicios ofrecidos por un servidor para acceder a la información que contiene. Es el cliente quien pide la información al servidor.

Un cliente puede comunicarse con uno o varios servidores, un servidor puede actuar como cliente para comunicarse con otros servidores.

Sesiones: Las sesiones representan una conexión entre la aplicación cliente y servidor. La conexión se produce cuando el cliente apunta a un endpoint (el del servidor) y este le devuelve la»conexió». Cuando esto pasa, se establece una sesión, que es el flujo de información que fluye por la conexión generada. Está ligada al flujo de datos.

Parámetros de sesión: Para generar comunicaciones seguras y fiables, es deseable parametrizar diferentes parámetros de una comunicación basada en sesiones: cantidad de sesiones abiertas, timeout y negociación de la reconexión, etc.

Adress Space: Es la forma que tiene un servidor para entregar la información a los clientes. Define un conjunto de objetos ordenados en carpetas. Para cerrar la ecuación, los objetos se describen mediante atributos, que contienen información relativa al objeto: equipo donde se encuentra, número de serie, etc.

MQTT

MQTT: Protocolo estandarizado y abierto, existen clientes y servidores. Enfocado a M2M y a IoT, al envío de datos en aplicaciones donde se requiere muy poco ancho de banda, seguro (se pueden cifrar los datos), fiable con diferentes calidades de servicio QoS, bajo consumo. Basado en la pila TCP/IP, topología estrella. Un mensaje no tiene destinatario concreto, solo el broker sabe a quién enviar los mensajes. El publisher envía el mensaje, el subscriber recibe los mensajes de los temas a los que está suscrito, el broker recibe el mensaje del publisher y los reenvía al subscriber.

Cliente MQTT: Conectarse y desconectarse del broker (mecanismo de registro), mantenimiento de la conexión (mecanismo de ping), enviar mensajes con un tópico (publicación), suscribirse o desuscribirse de un topic (suscripción y desuscripción). El bloque de función LMQTT_Client soporta todos estos mecanismos.

Broker MQTT: Gestiona los tópicos incluyendo los mensajes contenidos en ellos y regula el acceso a los temas.

• Acepta la solicitud de conexión.
• Recibe los mensajes.
• Acepta la solicitud de suscripción.
• Reenvía los mensajes.

Mensaje MQTT: Asunto denominado»tópico, tópico o tem», el mensaje o»payloa», un criterio de»Calidad de Servici».

QoS:

• 0: Fire and forget, el broker/cliente entrega el mensaje una vez, sin confirmación.
• 1: Garantiza que el mensaje es almacenado en la cola del tópico al menos una vez.
• 2: El broker garantiza que el mensaje es registrado exactamente una vez usando un handshake de 4 pasos.

Última voluntad: Cada cliente especifica su última voluntad al conectarse al broker, notifica a todos los suscriptores que el publicista se ha desconectado de forma abrupta.

Keep Alive: Definen un intervalo de tiempo máximo que el cliente y el broker pueden permanecer sin contacto.

Mensajes retenidos: El suscriptor recibe el último valor enviado al tópico antes de su solicitud de suscripción.