1 Introduccion Redes Industriales

Introducción a Redes de Comunicaciones Industriales

EASM-PUCP

Introducción• La automatización industrial inicialmente dio lugar a islas

automatizadas que eran equipos (autómatas, controles numéricos, robots, ordenadores, etc) aislados entre sí.

• En la búsqueda de la integración de las islas automatizadas, fueron desarrolladas las Redes de Comunicaciones Industriales

• Actualmente, se presentan jerarquías en las comunicaciones industriales, desde el nivel de fábrica hasta el nivel sensor-actuador, recorriendo de este modo sistemas de comunicación tales como el bus ASi, los buses de campo con sus diversas variantes, buses a nivel de célula (Profibus FMS) y bus a nivel de fábrica (Ethernet).

1. Datos de proceso o de entrada/salidaSeñales que actúan sobre los contactores, válvulas, referencias, etc.

Datos de entrada/salida de cada dispositivo: unos pocos bytes. Se pueden conectar al bus un gran número de dispositivos de campo.

Èstos datos de proceso (de E/S) son cíclicos y deben ser continuamente actualizados por medio del bus de comunicación. Los tiempos que se manejan son del orden de unos pocos milisegundos.

Por el bus se deben transmitir dos tipos de datos:

Característica de una Red Industrial

Los datos de entrada/salida únicamente se identifican por la dirección del dispositivo en la red.

2. Parámetros o mensajes Los parámetros tienen la función de ajustar,

monitorizar y programar los dispositivos. No dispone del carácter de información cíclica que

tienen los datos de proceso. Esta información es transmitida sólo por demanda.

La transmisión requiere una especial seguridad. El tamaño de la información oscila desde 10 a 100

bytes por dispositivo, aunque pueden ser del orden de cientos de Kbytes en dispositivos inteligentes.

No tiene requisitos de tiempo.


Se requiere información adicional describiendo el tipo de información (no sólo la dirección del dispositivo).

Tamaño de datos Velocidad de reacción


Nivel de Gestión

Nivel de Supervisión

Nivel de Control

Nivel de Campo

Niveles de un Sistema de Control Industrial

NIVEL DE INSTRUMENTACIÓNNIVEL DE INSTRUMENTACIÓN

NIVEL NIVEL DE DE

CONTROLCONTROL

NIVEL DE NIVEL DE SUPERVISIÓNSUPERVISIÓN

NIVELNIVELGESTIÓNGESTIÓN

PROCESO Medidores, Actuadores, Reles, etc

Computadores, Controladores, PLC, etc

Centros de Control

Ambientes de Oficina

http://www.emersonprocess.com/rosemount/products/pressure/m3051s.html

Redes Industriales

INFORMATION LAYER

Area-ControllerFactorylevel

Cycle-time< 1000 ms

Peer-Peer/Multi-masterLarge DataTransfer

DCS

VME/PC

Peer-Peer/Multi-master

SCADA

Sensor

CNCPC/VME

CONTROL LAYER

Cell-level

Cycle-time< 100 ms

Cell-controller

Master/SlaveSmall DataTransfer

Fielddevice

SensorTrans-mitter

DEVICE LAYER

RemoteI/O

Field-level

Cycle-time< 10 ms

PLC

Niveles en Redes Industriales

Niveles Generales en Redes Industriales

• En resumen se presentan : Nivel Bus de campo. Nivel LAN. Nivel LAN/WAN.

• Los buses de campo son una forma especial de LAN dedicada a aplicaciones de adquisición de datos y comando de elementos finales de control sobre la planta.

Dentro de estos niveles pueden subdividirse de diversas maneras

Niveles Generales en Redes Industriales

1. Nivel de bus de campo. Nivel de red más próximo al proceso y se encarga de la integración de equipos (autómatas compactos, multiplexores de E/S, controladores PID, equipos de medida, etc.) para la medición y control de variables de proceso. Suelen formar células de fabricación.

2. Nivel de LAN.Nivel superior al anterior que enlaza las células de fabricación. Esta formado por autómatas de gama alta y ordenadores para control de calidad.

3. Nivel de LAN/WAN. Nivel más próximo al área de gestión, que integra los niveles anteriores en una estructura de fábrica o múltiples factorías. Esta formado por ordenadores y redes de ordenadores.

Descripción de funciones en cada Nivel en Redes Industriales

1. Nivel de Acción/Sensado

• Llamado nivel de instrumentación. Formado por los sensores y actuadores distribuidos en una línea de producción. Por ejemplo un motor de mezcla de materias primas.

• Se trata de sustituir los sistemas de cableado tradicionales por buses de campo de prestaciones sencillas y sistemas de periferia descentralizada

2. Nivel de Control(Nivel de Campo y Proceso)

• En este nivel se sitúan los elementos capaces de gestionar los actuadores y sensores, como PLC o equipos de aplicación especifica basados en microprocesador como robots, maquinas herramientas o controladores de motores.

• Son dispositivos programables de tal manera que es posible ajustar y personalizar su funcionamiento según las necesidades de cada caso. Los dispositivos de este nivel de control junto con los de niveles inferiores de accion/sensado realizan procesos productivos por si mismos

• En este nivel se emplean los buses de campo tradicionales aunque podría emplearse redes superiores como Ethernet Industrial bajo ciertas premisas que aseguren el determinismos en la red

• El bus de campo constituye el nivel más simple y próximo al proceso dentro de la estructura de comunicaciones industriales.

• Los buses de campo conectan actuadores, controladores, sensores y dispositivos similares, en el nivel inferior de la estructura jerárquica de la automatización industrial.

2. Redes de Control: introducción

• Una arquitectura de bus de campo es un sistema abierto de tiempo real. Pero no necesariamente ha de conformarse con el modelo OSI de 7 capas, pues es más importante que la conexión sea de bajo coste y alta fiabilidad frente a las posibilidades de interconexión a redes generales.



2. Redes de Control: sensores-actuadores

• En este grupo se encuentran las redes de campo diseñados con el objetivo específico de intercomunicar los sistemas electrónicos de control con los dispositivos de campo conectados al proceso.

• Funcionan en aplicaciones de tiempo real estricto en una pequeña zona de la planta (típicamente una máquina o célula).

• Los fabricantes suelen denominarlas redes de periferia distribuida (distributed periphery).

• Han sido numerosos los fabricantes que han desarrollado este tipo de redes, que se diferencian en aspectos como:– La posibilidad de disponer de uno o más nodos principales

(master) en la red.– La comunicación de datos de sensores y actuadores todo/nada

(on/off) o analógicos.– La capacidad de diagnosis y/o parametrización de los sensores y

actuadores.• Es frecuente, además, que los fabricantes traten de

normalizar el intercambio de información con los dispositivos de uso más frecuente (perfiles de comunicación).


• Tiempo de ciclo breve y constante

• Alta fiabilidad de la transmisión con datos de pequeño tamaño y alta eficacia del protocolo

• Transmisión simultanea de datos de E/S y mensajes sin influencia mutua

• Manejo sencillo


capacidad limitada• Las redes de sensores-actuadores de capacidad funcional limitada han

sido diseñadas para integrar principalmente dispositivos todo-nada (fin de carrera, fotocélula, relé, …).

• Se caracterizan por tener, en general, un único nodo principal.• Como ejemplo de este tipo de redes se puede citar la red AS-i

(Actuator Sensor Interface)


• Las redes de sensores-actuadores de elevada capacidad funcional disponen de una capa de enlace adecuada para el envío eficiente de bloques de datos de mayor tamaño que en el caso anterior.

• Estos mensajes más complejos permiten que, mediante ellas, se puedan configurar, calibrar e incluso programar dispositivos de campo (Field Devices) más “inteligentes” que los todo/nada (codificadores absolutos, sensores de temperatura, presión o caudal, variadores de velocidad, servoválvulas, etc.).

elevada capacidad


elevada capacidad


Buses para áreas de Seguridad Intrínseca

• Dispositivos con seguridad intrínseca para uso en ambientes explosivosa. HARTb. Profibus PAc. FIP

Tipos de Buses de Campo: Clasificación

Tipos de Buses de Campo(Clasificación General)

Tipos de Buses de Campo (Clasificación)

Por ejemplo Fieldbus Foundation, Profibus y Hart, están diseñados para instrumentación de control de procesos. En cambio DevicetNect y SDC están optimizados para los mercados de los dispositivos discretos (on-off) de detectores, actuadores e interruptores, donde el tiempo de respuesta y repetibilidad son factores críticos.Cada protocolo tiene un rango de aplicación, fuera del mismo disminuye el rendimiento y aumenta la relación costo/prestación. En muchos casos no se trata de protocolos que compitan entre sí, sino que se complementan, cuando se trata de una arquitectura de un sistema de comunicación de varios niveles

Estrategia Americana

Estrategia Europea

Estructura Jerárquica de la Comunicaciones Industriales: en Siemmens

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