PROTOCOLOS DE COMUNICACIN INDUSTRIAL

PROTOCOLOS INDUSTRIALES

Muchas veces escuchamos en la industria la frase protocolos de comunicacin sin tener claro de qu estamos hablando. Con el objeto de familiarizar a los lectores, expondremos sus principales caractersticas y fundamentos de los ms utilizados. En principio un protocolo de comunicacin es un conjunto de reglas que permiten la transferencia e intercambio de datos entre los distintos dispositivos que conforman una red. Estos han tenido un proceso de evolucin gradual a medida que la tecnologa electrnica ha avanzado y muy en especial en lo que se refiere a los microprocesadores.Un importante nmero de empresas en nuestro pas presentan la existencia de islas automatizadas (clulas de trabajo sin comunicacin entre s), siendo en estos ca-sos las redes y los protocolos de comunicacin Industrial indispensables para realizar un enlace entre las distintas etapas que conforman el proceso.La irrupcin de los microprocesadores en la industria han posibilitado su integracin a redes de comunicacin con importantes ventajas, entre las cuales figuran: Mayor precisin derivada de la integracin de tecnologa digital en las mediciones. Mayor y mejor disponibilidad de informacin de los dispositivos de campo. Diagnstico remoto de componentes.La integracin de las mencionadas islas automatizadas suele hacerse dividiendo las tareas entre grupos de procesadores jerrquicamente anidados. Esto da lugar a una estructura de redes Industriales, las cuales es posible agrupar en tres categoras: Buses de campo. Redes LAN. Redes LAN-WAN.En esta oportunidad nos referiremos a los protocolos de comunicacin ms usados en la industria.Los buses de datos que permiten la integracin de equipos para la medicin y control de variables de proceso, reciben la denominacin genrica de buses de campo. Un bus de campo es un sistema de transmisin de informacin (datos) que simplifica enormemente la instalacin y operacin de mquinas y equipamientos industriales utilizados en procesos de produccin.El objetivo de un bus de campo es sustituir las conexiones punto a punto entre los elementos de campo y el equipo de control a travs del tradicional lazo de corriente de 4-20mA o 0 a 10V DC, segn corresponda. Generalmente son redes digitales, bidireccionales, multipunto, montadas sobre un bus serie, que conectan dispositivos de campo como PLCs, transductores, actuadores, sensores y equipos de supervisin. Varios grupos han intentado generar e imponer una norma que permita la integracin de equipos de distintos proveedores. Sin embargo, hasta la fecha no existe un bus de campo universal. Los buses de campo con mayor presencia en el rea de control y automatizacin de procesos son: HART. Profibus. Fieldbus Foundation.

Figura 1.

HART (Highway-Addressable-Remote-Transdu-cer): Agrupa la informacin digital sobre la seal analgica tpica de 4 a 20 mA DC. La seal digital usa dos frecuencias individuales de 1200 y 2200 Hz, que representan los dgitos 1 y 0 respectivamente, y que en conjunto forman una onda sinusoidal que se superpone al lazo de corriente de 4-20 mA (Figura 1).Como la seal promedio de un onda sinusoidal es cero, no se aade ninguna componente DC a la seal analgica de 4-20 mA., lo que permite continuar utilizando la variacin analgica para el control del proceso.PROFIBUS (Process Field Bus): Norma internacional de bus de campo de alta velocidad para control de procesos normalizada en Europa por EN 50170.Existen tres perfiles: Profibus DP (Decentralized Periphery). Orientado a sensores/actuadores enlazados a procesadores (PLCs) o terminales. Profibus PA (Process Automation). Para control de proceso, cumple normas especiales de seguridad para la industria qumica (IEC 11158-2, seguridad intrnseca). Profibus FMS (Fieldbus Message Specification). Para comunicacin entre clulas de proceso o equipos de automatizacin.FOUNDATION FIELDBUS (FF): Es un protocolo de comunicacin digital para redes industriales, es-pecficamente utilizado en aplicaciones de control distribuido. Puede comunicar grandes volmenes de informacin, ideal para aplicaciones con varios lazos complejos de control de procesos y automatizacin. Est orientado principalmente a la interconexin de dispositivos en industrias de proceso continuo. Los dispositivos de campo son alimentados a travs del bus Fieldbus cuando la potencia requerida para el funcionamiento lo permite.MODBUS: Es un protocolo de transmisin para sistemas de control y supervisin de procesos (SCADA) con control centralizado, puede comunicarse con una o varias Estaciones Remotas (RTU) con la finalidad de obtener datos de campo para la supervisin y control de un proceso. Las Interfaces de Capa Fsica puede estar configurada en: RS-232, RS-422, RS-485.En Modbus, los datos pueden intercambiarse en dos modos de transmisin: RTU y ASCII.DEVICENET: Red de bajo nivel adecuada para conectar dispositivos simples como sensores fotoelctricos, sensores magnticos, pulsadores, etc., y dispositivos de alto nivel (PLCs, controladores, computadores, HMI, entre otros). Provee informacin adicional sobre el estado de la red, que ser desplegada en la interfaz.

EJEMPLO DE TOPOLOGA DE ESTRUCTURA EN BUS

Todos los dispositivos son conectados a una misma lnea de datos, llamada bus, a travs de la cual es pasada la informacin. Un bus con ramas se dice que tiene una estructura en rbol. La informacin llega al receptor sin la ayuda de ningn otro dispositivo; en efecto, en contraste a una estructura en anillo, las estaciones individuales son pasivas. Si se aade un dispositivo al bus, no se requieren interfaces adicionales en las estaciones existentes. As, el problema de un nmero limitado de participantes relacionados con la estructura en estrella no aparece. La cantidad de cableado necesario es pequeo y se pueden agregar nuevos dispositivos sin problema. Una estructura en bus puede permitir comunicacin cruzada entre cualquiera de los dispositivos conectados. Desde que todos se conectan a un cable comn, la transmisin debe ser estrictamente regulada.

NVELES DE ABSTRACCIN

INTEROPERABILIDAD

Por interoperabilidad se entiende la condicion de los sistemas de intercambiar procesos y datos en ambientes heterogeneos. Es esta condicion la que en la actualidad se pretende utilizar para llevar a cabo una integracion de las diferentes areas operativas del sector electrico, con el objetivo de contribuir a la materializacion del concepto de red inteligente. La interoperabilidad puede considerarse desde un enfoque de alto nivel, en la integracion de las diferentes areas del sector electrico. En el concepto de red inteligente se han clasificado las diferentes areas de la industria electrica en Generacion, Transmision, Distribucion, Comercializacion y Generacion Distribuida, todas ellas operando sobre un area clasificada como telecomunicaciones. Dentro de cada area es comun encontrar una diversidad de sistemas funcionando y generando informacion de apoyo a la toma de decisiones, para mejorar indices de desempeno o calidad del servicio. La interoperabilidad constituye una pieza fundamental para agilizar los procesos de interaccion entre los diferentes sistemas, y en consecuencia, agilizar la toma de decisiones. En un ambiente administrativo y empresarial, las herramientas de analisis y manejo de grandes volumenes de informacion han madurado considerablemente para lograr el inter- cambio de datos eficiente. Sin embargo, aun no es generalizada la integracion de procesos administrativos y empresariales con los procesos operativos a niveles de planta, instrumentos y sistemas de control.

DISPOSITIVOS ELECTRNICOS INTELIGENTES (IEDS)

Es el trmino utilizado en la industria de la energa elctrica para describir equipos de regulacin electrnica inmersos en los sistemas elctricos, por ejemplo utilizados en interruptores, transformadores y bancos de capacitores.DescripcinLos IEDs reciben datos de los sensores y diversos dispositivos elctricos, y puede informar los comandos de control, tales como interruptores que se disparan cuando se detectan voltajes, corrientes o frecuencias anmalas, cuando se suceden las variaciones por el aumento o niveles de tensin inferior para mantener el nivel deseado. Los tipos comunes de IEDs incluyen los dispositivos, los reguladores de carga, los reguladores de interruptores, los interruptores del banco de condensadores, los reguladores del recloser o reconectadores, los reguladores de voltaje, el etc. Los sistemas de proteccin de retransmisin.Los relais de proteccin que son fabricados actualmente son sobre todo IEDs. Esto es porque, con la tecnologa de microprocesador disponible puede realizar varios protecciones, control, y las funciones similares. Mientras que antes de la tecnologa de microprocesador una sola unidad contendra solamente una funcin de la proteccin, si varias funciones de la proteccin fueran requeridas una tendra que combinar un nmero de diversas unidades del relais de proteccin.Un IED tpico puede contener alrededor 5-12 funciones de la proteccin, 5-8 funciones de control que controlan los dispositivos separados, una funcin del autoreclosed, la funcin de auto-supervisin, las funciones de comunicacin. Por lo tanto, se nombran convenientemente como dispositivos electrnicos inteligentes.Algunos IEDs recientes se disean para apoyar a la norma IEC61850 para la Automatizacin de la Subestaciones, que proporcionan interoperabilidad y capacidades avanzadas de comunicaciones en el control de las redes elctricas.

REDES INDUSTRIALES SOBRE ETHERNET Y TCP/IP

La administracin de las redes industriales ha avanzado acorde con la tecnologa, permitiendo nuevos mtodos de monitorizacin de los elementos pertenecientes a la red, dando mejor facilidad de control. En las aplicaciones industriales, Ethernet es usado en conjunto con la pila de protocolos TCP/IP universalmente aceptada. TCP/IP es el conjunto de protocolos usado en Internet, suministrando un mecanismo de transporte de datos confiable entre mquinas y permitiendo interoperabilidad entre diversas plataformas.Usar TCP/IP sobre Ethernet a nivel de campo en la industria permite tener una verdadera integracin con la Intranet corporativa, y de esta forma se ejerce un estricto control sobre la produccin.En el rea de las comunicaciones en entornos industriales, la estandarizacin de protocolos es un tema en permanente discusin, donde intervienen problemas tcnicos y comerciales. Cada protocolo esta optimizado para diferentes niveles de automatizacin y en consecuencia responden al inters de diferentes proveedores. Por ejemplo Fieldbus Foundation, Profibus y HART, estn diseados para instrumentacin de control de procesos. En cambio DeviceNet y SDC estan optimizados para los mercados de los dispositivos discretos (on-off) de detectores, actuadores e interruptores, donde el tiempo de respuesta y respetabilidad son factores crticos.

DIAGRAMA ESCALERA

LADDER, tambin denominado lenguaje de contactos o en escalera, es un lenguaje de programacin grfico muy popular dentro de los autmatas programables debido a que est basado en los esquemas elctricos de control clsicos. De este modo, con los conocimientos que todo tcnico elctrico posee, es muy fcil adaptarse a la programacin en este tipo de lenguaje.Ladder es uno de los varios lenguajes de programacin de PLC estandarizado en IEC 61131-3.

Para programar un autmata con LADDER, adems de estar familiarizado con las reglas de los circuitos de conmutacin, es necesario conocer cada uno de los elementos de que consta este lenguaje. A continuacin se describen de modo general los ms comunes.

Elementos bsicos en LADDER

Se suele indicar mediante los caracteres B M y tienen tanto bobinas como contactos asociados a las mismas de los tipos vistos en el punto anterior. Su nmero de identificacin suele oscilar, en general, entre 0 y 255. Su utilidad fundamental es la de almacenar informacin intermedia para simplificar esquemas y programacin.Los bits de sistema son contactos que el propio autmata activa cuando conviene o cuando se dan unas circunstancias determinadas. Existe una gran variedad, siendo los ms importantes los de arranque y los de reloj, que permiten que empiece la ejecucin desde un sitio en concreto y formar una base de tiempos respectivamente. Su nomenclatura es muy diversa, dependiendo siempre del tipo de autmata y fabricante.

PLC

El PLC es un dispositivo electrnico que puede ser programado por el usuario y se utiliza en la industria para resolver problemas de secuencias en la maquinaria o procesos, ahorrando costos en mantenimiento y aumentando la confiabilidad de los equipos. Es importante conocer sus generalidades y lo que un PLC puede hacer por tu proceso, pues podras estar gastando mucho dinero en mantenimiento y reparaciones, cuando estos equipos te solucionan el problema y se pagan slos.Adems, programar un PLC resulta bastante sencillo. Anteriormente se utilizaban los sistemas de relevadores pero las desventajas que presentaban eran bastantes; ms adelante mencionaremos algunas. La historia de los PLC nos dice que fueron desarrollados por Ingenieros de la GMC (General Motors Company) para sustituir sus sistemas basados en relevadores.

PLCs y relevadores

Los sistemas de relevadores eran utilizados para un proceso especfico, por lo tanto su funcin era nica. Pensar en cambiar el proceso era un caos y el cambio requera volver a obtener la lgica de control y para obtenerla se tenia que realizar un anlisis matemtico. Tambin haba que modificar el cableado de los relevadores y en algunos casos incluso era necesario volver a hacer la instalacin del sistema.En cambio, el PLC es un sistema de microprocesador; en otras palabras una computadora de tipo industrial. Tiene una Unidad central de procesamiento mejor conocido como CPU, interfaces de comunicacin, y puertos de salida y entrada de tipo digital o anlogo, etc., y estas son solo algunas de sus caractersticas ms sobresalientes.

Campos de Aplicacin del PLCEn la actualidad el campo de aplicacin de un PLC es muy extenso. Se utilizan fundamentalmente en procesos de maniobras de mquinas, control, sealizacin, etc. La aplicacin de un PLC abarca procesos industriales de cualquier tipo y ofrecen conexin a red; esto te permite tener comunicado un PLC con una PC y otros dispositivos al mismo tiempo, permitiendo hacer monitoreo, estadsticas y reportes.

Ventajas del PLCHablar sobre las ventajas que ofrece un PLC es un tema largo, pero aqu te presentare las mas importantes: Ofrecen las mismas ventajas sobre la lgica cableada. Menor tiempo empleado en su elaboracin. Podrs realizar modificaciones sin cambiar cableado. La lista de materiales es muy reducida. Mnimo espacio de aplicacin. Menor costo. Mantenimiento econmico por tiempos de paro reducidos.

Las funciones bsicas de un PLC son las siguientes:DeteccinEl PLC detecta seales del proceso de diferentes tipos.MandoElabora y enva acciones al sistema segn el programa que tenga.Dialogo hombre maquinaRecibe configuraciones y da reportes al operador de produccin o supervisores.ProgramacinEl programa que utiliza permite modificarlo, incluso por el operador, cuando se encuentra autorizado.Por todo esto es evidente que por medio de la implementacin de un sistema de control PLC es posible hacer automtico prcticamente cualquier proceso, mejorar la eficiencia y confiabilidad de la maquinaria, y lo ms importante bajar los costos. En suma, se pagan solos.