15.1 Elementos básicos de una red industrial
Red industrial: una red local o LAN (Local Area Network) es la interconexión de una o varias computadoras y periféricos. Donde el objetivo básico que se persigue a través del uso de una red es la interconexión entre dos o más equipos y otros dispositivos situados en una oficina o área de manufactura cercana mediante un canal de comunicación. Los componentes de una red tienen funciones específicas y se utilizan dependiendo de las características físicas (hardware) que tienen. Para elegirlos es importante considerar las necesidades y los recursos económicos de quien se desea conectar a la red, por eso deben conocerse las características técnicas de cada uno de los componentes de la red.
Servidor: son computadoras que controlan las redes y se encargan de permitir o no el acceso de los usuarios a los recursos, también controlan los permisos que determinan si un nodo puede o no pertenecer a la red. La finalidad de los servidores es controlar el funcionamiento de una red y los servicios que realice cada una de estas computadoras dependerá del diseño de la red.
Estación de trabajo: es el nombre que reciben las computadoras conectadas a una red, pero que no pueden controlarla, ni alguno de sus nodos o recursos de la misma. Cualquier computadora puede ser una estación de trabajo, siempre que esté conectada y se comunique a la red.
Topología: una red informática está compuesta por equipos que están conectados entre sí mediante líneas de comunicación (cables de red, etc.) y elementos de hardware (adaptadores de red y otros equipos que garantizan que los datos viajen correctamente). La configuración física, es decir la configuración espacial de la red. La topología física se define como la forma en que se interconectan las diferentes computadoras de una red. Se distinguen las siguientes topologías básicas:
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Se conectan dos computadoras a través de un puerto dedicado, normalmente es el esquema de conexión entre clúster de computadora. En un ambiente industrial se utiliza para comunicar dos procesos entre sí.
La topología de bus es la manera más simple en la que se puede organizar una red. En la topología de bus, todos los equipos están conectados a la misma línea de transmisión mediante un cable, generalmente coaxial. La palabra bus hace referencia a la línea física que une todos los equipos de la red.
Se conectan dos o más computadoras a través de un HUB. A diferencia de las redes construidas con la topología de bus, las redes que usan la topología de estrella son mucho menos vulnerables, ya que se puede eliminar una de las conexiones fácilmente desconectándola del HUB sin paralizar el resto de la red. El punto crítico en esta red es el concentrador, ya que la ausencia del mismo imposibilita la comunicación entre los equipos de la red. En un ambiente industrial se utilizaría para interconectar varios PLC y HMI.
Se conectan dos o más computadoras a través de una red en forma de anillo. Actualmente no se usa mucho y tiene más bien fines didácticos.
Es una manera de ir interconectando los diferentes clúster de redes locales dentro de un corporativo en una red más amplia. Se administra mejor el tráfico de la red y se facilita la colocación de sistemas de seguridad.
Es la combinación de dos o más esquemas vistos en las secciones anteriores. En general, es lo que se encuentra en el mundo real, ya que las computadoras envían los mensajes a través de diferentes topologías.
Nodos de red: un nodo de red es cualquier elemento que se encuentra conectado y comunicado en una red; los dispositivos periféricos que se conectan a una computadora se convierten en nodos si están conectados a la red y pueden compartir sus servicios para ser utilizados por los usuarios, como impresoras, faxes y carpetas compartidas.
Tarjeta de red: son tarjetas de circuitos integrados que se insertan en unos órganos de expansión de la tarjeta madre y cuya función es recibir el cable que conecta a la computadora con una red informática, así todas las computadoras de red podrán intercambiar información. Las tarjetas de red se encargan de recibir la información que un usuario desea enviar a través de la red a uno de sus nodos y la convierte en un paquete, luego envía la información mediante de un cable que se conecta a la tarjeta.
Medios de transmisión de la información: estos elementos hacen posible la comunicación entre dos computadoras, son cables que se conectan a las computadoras y a través de estos viaja la información. Los cables son un componente básico en la comunicación entre computadoras. Existen diferentes tipos de cables y su elección depende de las necesidades de la comunicación de red.
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También se le conoce como cable de red. Es el medio de conexión físico entre los distintos elementos de la red industrial. Lo podemos comprar ya hechos o lo podemos construir por nuestra propia cuenta.
Está constituido por un hilo principal de cobre cubierto por una capa plástica rodeada por una película reflejarte que reduce las interferencias, alrededor de ella existe una malla de hilos metálicos y todo esto cubierto por una capa de hule que protege a los conductores de la intemperie. El cable coaxial se utiliza en redes de comunicación de banda ancha (por ejemplo, el cable de televisión) y cables de banda base.
Es un par de cables delgados que se utilizan generalmente en los teléfonos y en las redes de ordenadores. Los cables están trenzados uno alrededor del otro para minimizar las interferencias provenientes de otros cables. Los dos tipos de cables de par trenzado más importantes son los pares trenzados blindados (STP) y los pares trenzados no blindados (UTP). UTP es popular porque es más delgado y no ocupa mucho espacio, pero STP ofrece más protección contra interferencias electromagnéticas.
El cableado de par trenzado está reemplazando al cableado coaxial. Se utiliza más comúnmente porque es más fácil de usar y más flexible que el cable coaxial. La mayoría del equipo de red de Ethernet de hoy en día, tiene puertos para cables de par trenzado. El cable de par trenzado tiene conectores fáciles de utilizar, que se insertan simplemente en los puertos de los dispositivos y del equipo de red. Si uno de los cables de par trenzado se daña o se desconecta, solamente quedará interrumpida esa conexión específica, y el resto de la red continúa funcionando normalmente.
Llamado cable de red blindado, El blindaje ofrece, además de una mayor resistencia a la torsión, una resistencia a las interferencias que el cable UTP no tiene. En ambos caso se trata de una manguera con 8 cables diferenciados por colores (4 colores y su correspondiente combinación con blanco). Dentro de la manguera se trenzan el de color sólido con su correspondiente color/blanco. El nivel de trenzado difiere según el color.
La fibra óptica es resistente a la corrosión y a las altas temperaturas y gracias a la protección de la envoltura es capaz de soportar esfuerzos elevados de tensión en la instalación. La desventaja de este cable es que su costo es elevado, ya que para su elaboración se requiere vidrio de alta calidad además de ser sumamente frágil de manipular durante su fabricación.
Posee una película reflejante que cubre a cada uno de los pares de cables.
Conectores: son aditamentos con los que los cables se conectan a las tarjetas de red ubicadas en los nodos. La función de estos dispositivos es muy importante, ya que sin ellos es imposible utilizar los cables para conectar un nodo a la red. Cada medio de transmisión tiene sus conectores correspondientes y gracias a ellos se logra recibir o transmitir la información con las características que permiten los cables.
Routers: son dispositivos utilizados para recibir los cables correspondientes a cada uno de los nodos de una red y realizar una conexión de punto a punto. Los concentrados reciben la información que envía uno de los nodos y la reenvían a través de todos los cables que se encuentran conectados a él. Los routers reciben la información que envía uno de los nodos y detecta a cuál va dirigida, para enviarla a través del cable correspondiente.
Bridges: repetidores o amplificadores) son dispositivos que reciben la información enviada por un cable y la reenvía con su intensidad y velocidad original a través de otro cable, ya sea hasta el nodo u otro repetidor o amplificador. Su función es actuar como sí el nodo que envía la información se moviera de un punto muy distante a otro sitio. Los repetidores o amplificadores realizar la misma función y lo que los diferencia es que los primeros se usan en transmisiones de señales digitales y los segundos en señales analógicas.
USB (Universal Service Bus): permite conectar y desconectar los periféricos mientras la computadora está encendida, sin afectar otros periféricos que estén en funcionamiento. Cuando se conecta el nuevo dispositivo USB, el sistema operativo se encarga de buscar controladores necesarios sin necesidad de que lo busque el usuario.
Modem: es un dispositivo que convierte las señales digitales en analógicas y viceversa, posteriormente las envía o recibe a través de una red telefónica. Es una contracción de las palabras MO-dulador y DEM-odulador. Existen dos tipos de módems: externos e internos (tarjetas de circuitos integrados), los externos pueden ser conectados a cualquier computadora y los internos se ubican dentro del gabinete de una computadora.
Comunicación inalámbrica: transmisión de la información sin utilizar elementos físicos como cables, se usan elementos lógicos como ondas de radio y microondas para enviar información de un dispositivo a otro. La comunicación inalámbrica depende de las frecuencias utilizadas para él envió de la información, el hardware se encarga de convertir el lenguaje binario de las computadoras a frecuencias, dicha información es empaquetada y protegida de forma que garantice la recepción y lectura de información en otra computadora que reciba la señal. A continuación se muestran ejemplos del tipo de comunicación inalámbrica.
- Wi-Fi (Wireless Fidelity - Fidelidad sin cables): es una frecuencia de ondas de radio que contiene un conjunto de estándares para la comunicación, se creó para su aplicación en redes de área local, actualmente combinándolas con otras frecuencias y equipos se utiliza para conectar a la red de área mundial (Internet).
- Bluetooth: es una frecuencia de ondas de radio, esta tecnología se creó pensando en dispositivos que se alimentan de energía de baterías y no de los contactos tomacorriente de casa u oficina, por lo que consume mucho menos energía y además necesita un hardware más económico.
15.2 Direccionamiento en una red.
En este apartado nos centraremos en los dispositivos de campo que actúan directamente sobre el proceso productivo. Las comunicaciones a este nivel deben poseer unas características particulares para responder a las necesidades de intercomunicación en tiempo real que se deben producir y ser capaces de resistir un ambiente hostil donde existe gran cantidad de ruido electromagnético y condiciones ambientales duras. En las comunicaciones industriales la comunicación a nivel de campo es donde la transmisión de datos se realiza en tiempo real, o por lo menos con una demora que no es significativa para el proceso. A continuación explicaremos en que consiste la comunicación a nivel de campo.
Bus de campo: se trata de redes digitales bidireccionales ubicados en una conexión en serie los cuales conectan dispositivos de campo (actuadores, sensores, módulos de entrada-salida) y generalmente se asignan para sustituir el cableado en los correspondientes elementos de control. Este tipo de buses debe ser de bajo costo, tiempo real, permitir la transmisión en serie sobre un bus digital de datos con capacidad de interconectar controladores con todo tipo de dispositivos entrada-salida, sencillos y permitir el uso de controladores esclavos. Además debe gestionar mensajes cortos eficientemente, poseer mecanismos para la detección de errores, recuperarse rápidamente de eventos anormales en la red, tener un bajo costo de instalación y de conexión por nodo y responder rápidamente a los mensajes recibidos. Los nodos son los elementos esenciales del bus, los cuales se dividen en dos categorías:
- Activos: son nodos que pueden actuar como maestro del bus, tomando enteramente el control del bus.
- Pasivos: son nodos que únicamente pueden actuar como esclavos y no tienen capacidad de control sobre el bus. Dialogan con los nodos activos mediante un mecanismo de pregunta-respuesta, pero no pueden dialogar entre sí.
Una mirada a la situación actual revela que los sistemas de bus de campo se emplean en todos los dominios de automatización que van desde las áreas de proceso y de fábrica mencionadas a la construcción y automatización del hogar, construcción de maquinaria, aplicaciones automotrices y de ferrocarril, así como la industria aeroespacial. En todos estos campos, los sistemas de bus surgieron principalmente para romper los esquemas convencionales de tipo estrella de punto-a-punto de cableado de conexión de dispositivos de entrada y salida digitales y analógicas simples a los controladores centrales, sentando así las bases para la implementación de sistemas realmente distribuidos con más dispositivos inteligentes.
En la declaración de la misión original del trabajo de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), se señala que el bus de campo será un estándar de comunicación digital en serie que puede sustituir a las técnicas de señalización presentes, para que más información puede fluir en ambas direcciones entre los dispositivos de campo inteligentes y los sistemas de control de nivel más altos más de un medio de comunicación compartido. Existen otras características importantes a considerar en un bus de campo.
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Flexibilidad y modularidad
Una instalación de bus de campo como cualquier otra red pueden extenderse mucho más fácilmente que un sistema centralizado, siempre que las limitaciones de espacio de direccionamiento, la longitud del cable, etc., no se superen.
Configurabilidad
Una red - que no sea una interfaz analógica - permite la parametrización y configuración de dispositivos de campo complejos, lo que facilita la configuración del sistema y la puesta en marcha en el requisito principal para la facilidad del uso de dispositivos inteligentes.
Mantenibilidad
Tareas de supervisión de dispositivos, donde se efectúen actualizaciones y el mantenimiento sea más fácil, es posible a través de una red.
Distribución
Una red es el requisito previo de los sistemas distribuidos; muchas tareas de procesamiento de datos se pueden eliminar de un controlador central y se colocan directamente en los dispositivos de campo si la interfaz puede manejar formas razonablemente complejas de comunicación.
Para aplicaciones típicas de control de procesos, el determinismo de la transferencia de datos es un tema clave y el tiempo de ciclo es un parámetro crítico. Este hecho ha sido el criterio de optimización para diferentes protocolos de bus de campo y la razón de que son diferentes de las redes LAN convencionales. En particular, la capa física debe cumplir requisitos sustancialmente más exigentes como la robustez, la inmunidad a las perturbaciones electromagnéticas, seguridad intrínseca para áreas peligrosas y los costos. La importancia de la capa física se basa en el hecho de que esta zona fue la primera que llegó a un consenso (en particular indiscutible) en la normalización. El modelo de referencia OSI que se muestra en la siguiente figura se basa en una propuesta desarrollada por la Organización Internacional de Normas (ISO):
Imagen obtenida de http://www.telecomhall.com/ES/las-7-capas-del-modelo-osi-.aspx solo para fines educativos.
El modelo OSI o interconexión de sistemas abiertos, esto es, sistemas que están abiertos a la comunicación con otros sistemas. Se divide en 7 capas y los principios que se aplicaron para llegar a estas son:
- Las cuatro capas inferiores (Física, de Enlace de Datos, de Red y de Transporte) se encargan de la transmisión de los datos (segmentación, empaquetamiento, enrutamiento, verificación y transmisión por los medios físicos), sin importarles el tipo de datos que se transmiten ni la aplicación que los envía o recibe.
- Las tres capas superiores (de Sesión, de Presentación y de Aplicación) se encargan del establecimiento de sesiones de comunicación entre aplicaciones, del formateo, cifrado y compresión de datos y de suministrar los mismos a las aplicaciones de usuario de forma adecuada.
15.3 Profibus y Ethernet.
Profibus: PROcess FIeld BUS es un estándar de bus de campo abierto independiente del fabricante de origen alemán. La base para el desarrollo de este protocolo fue un proyecto de 21 empresas e institutos de investigación alemana en el año de 1987. El objetivo básico de su creación es hacer que funcione a través de un bus de campo, con bits serial incorporados que soporten manufactura y procesos.
PROFIBUS es actualmente el líder de los sistemas de buses de campo en Europa y goza de una aceptación mundial. Todos los fabricantes líderes en automatización ofrecen interfaces PROFIBUS para sus dispositivos. Está basado en el estándar Europeo EN 50170 e internacional IEC 61158. Puede ser usado tanto para transmisión crítica en el tiempo de datos, a alta velocidad, como para tareas de comunicación extensas y complejas. Lo anterior permite la interconexión de dispositivos digitales de campo o sistemas de bajas o medias prestaciones, tales como: Sensores, actuadores, transmisores, PLC’s, máquinas CNC, computadores personal, interfaces hombre-máquina, etc. A continuación se enlistan algunas de las ventajas que ofrecen los sistemas de Profibus en comparación con otros buses de campo:
- Transmite pequeñas cantidades de datos.
- Cubre necesidades de tiempo real.
- Fácil configuración.
- Ampliación o reducción de elementos Plug & Play.
- Bajos costos de conexión y cableado.
- Protocolos simples y limitados.
Por lo general, existen dos tipos de estaciones que funcionan conjuntamente con Profibus:
- Maestras: Pueden controlar el bus y transferir mensajes sin una petición remota, si está en posición del testigo.
- Esclavas: Sólo pueden reconocer mensajes recibidos o transferir datos después de una petición remota.
La familia PROFIBUS consiste de tres versiones compatibles:
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Diseñado especialmente para la comunicación entre los sistemas automáticos de control y E/S distribuidas a través del dispositivo. Puede ser empleado para realizar transmisiones paralelas de señales con 24 V o 4 a 20 mA. El intercambio de datos es cíclico. El tiempo de ciclo del bus ha de ser menor que el tiempo de ciclo del programa del controlador central.
Está especialmente diseñado para la automatización de procesos. Básicamente es la ampliación de PROFIBUS-DP compatible en comunicación con una tecnología que constan de seguridad intrínseca, lo anterior permite la conexión de sensores y actuadores a una línea de bus común en áreas especialmente protegidas. También existen diversos perfiles orientados a aplicaciones concretas donde se definen elementos específicos como perfiles de automatización de edificios, aplicaciones seguras ante fallos, control numérico y robots e interfases Hombre-máquina.
Diseñado para un gran número de aplicaciones y comunicaciones a nivel del área de manufactura, donde las computadoras y los PLC´s se comunican entre sí. Los potentes servicios FMS abren un amplio rango de aplicaciones y proveen gran flexibilidad. La funcionalidad más importante es conseguir un tiempo de reacción pequeño (alrededor de 4 milisegundos). El intercambio de los datos es fundamentalmente a cíclico, en base a la demanda del proceso del usuario.
ETHERNET: es la tecnología de red más extendida en la actualidad (LAN). Es el método de acceso a redes que más se utiliza. Ethernet es una LAN de medios compartidos. Fue diseñado originalmente por Digital, Intel y Xerox, por lo cual, la especificación original se conoce como Ethernet DIX. Posteriormente en 1983 fue formalizada por el IEEE como el estándar Ethernet 802.3. La velocidad de transmisión de datos en Ethernet es de 10Mbits/s en las configuraciones habituales pudiendo llegar a ser de 100Mbits/s en las especificaciones Fast Ethernet.
Ethernet/IEEE 802.3 está diseñado de manera que no se puede transmitir más de una información a la vez. El objetivo es que no se pierda ninguna información y se controla con un sistema conocido como CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, Detección de Portadora con Acceso Múltiple y Detección de Colisiones), cuyo principio de funcionamiento consiste en que una estación, para transmitir, debe detectar la presencia de una señal portadora y, si existe, comienza a transmitir. Si dos estaciones empiezan a transmitir al mismo tiempo, se produce una colisión y ambas deben repetir la transmisión, para lo cual esperan un tiempo aleatorio antes de hacerlo, evitando una nueva colisión, ya que ambas escogerán un tiempo de espera distinto. Este proceso se repite hasta que se reciba confirmación de que la información ha llegado a su destino.
Hace ya mucho tiempo que Ethernet consiguió situarse como el principal protocolo del nivel de enlace. Ethernet 10Base2 consiguió en la década de los noventas una gran aceptación en el sector. Actualmente, 10Base2 se considera como una tecnología de legado respecto a 100BaseT. Hoy los fabricantes ya han desarrollado adaptadores capaces de trabajar tanto con la tecnología 10baseT como la 100BaseT, lo que ayuda a una mejor adaptación y transición
A continuación, la siguiente imagen muestra un diagrama de la información del transporte de la información a través de Ethernet, donde las tres versiones de la familia PROFIBUS se encuentran también directamente involucradas.
Imagen obtenida de http://linux0.unsl.edu.ar/~rvilla/c3m10/tema13.pdf solo para fines educativos
