PDF de programación - Capítulo I - El modelo CIM y jerarquía de redes de comunicación en la industria

EL MODELO CIM Y JERARQUÍA DE REDES DE COMUNICACIÓN EN LA

CAPÍTULO I

INDUSTRIA

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1.1 Introducción



En la industria moderna se utilizan diferentes redes de comunicación de acuerdo a

diferentes niveles de automatización. Estos niveles son definidos por el modelo denominado

Computer Integrated Manufacturing, o CIM, que puede traducirse al español como Manufactura

Integrada por Computadora, por el cual se determina una jerarquización de las redes según el

propósito para el que han sido diseñadas y aplicadas. En este capítulo se establecen los conceptos

de este modelo y de la jerarquización de comunicaciones industriales que se derivan de éste, los

que servirán de base para posicionar los buses de campo DeviceNet y ControlNet en el entorno

industrial.



1.2 Modelo de Automatización CIM



Dada las exigencias de los procesos productivos, estos se han estructurado de manera de

hacerlos más eficientes. De este modo, se utilizan modelos jerárquicos para la implantación de

sistemas automatizados, siendo CIM uno de los modelos más difundidos en la actualidad.



1.2.1 Objetivos de CIM



CIM es un modelo de automatización jerárquico que busca incrementar la eficiencia de

todos los componentes de la empresa, relacionados con la producción, definiendo los siguientes

objetivos:



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• Aumentar la flexibilidad.

• Mejorar la calidad del producto.

• Reducir los costos.

• Reducir el tiempo y el número de pasos empleados en la fabricación.

• Aumentar la confiabilidad del sistema.

1.2.2 Concepto de CIM



CIM se refiere a la manufactura automatizada, al transporte automatizado de piezas y

materiales, usando las tecnologías computarizadas en todas las etapas de producción de un

producto, desde el diseño a la fabricación y el control de calidad.



El modelo CIM considera la factoría (sistema de manufactura) como un todo, recogiendo

la automatización de cada actividad y las relaciona entre sí formando un bloque único. Además,

se estructuran las aplicaciones de un modo jerárquico dividiendo las tareas de control en distintos

niveles funcionales. Como ejemplo, se muestra en la figura 1.1 un modelo CIM de 5 niveles de la

arquitectura de aplicación definido por el National Bureau of Standards (NBS) de los Estados

Unidos.



Figura 1.1. Modelo CIM definido por NBS de los Estados Unidos.





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En un modelo CIM, cada nivel se caracteriza por llevar a cabo labores específicas,

asociada a ello un tipo de información y de procesamiento diferente. De ahí, queda determinada

la jerarquía a la cual pertenece una red. Cada red gobierna las funciones del nivel inferior y sirve

de interfaz al nivel superior (integración del proceso automatizado). El flujo de la información

fluye tanto en sentido horizontal (dentro de su propio nivel) como en sentido vertical (a un nivel

superior o inferior).



• Nivel de Empresa (nivel 5): Este es el nivel superior y en el se realizan funciones de

gestión de la empresa. Se establecen las políticas de producción del conjunto de la

empresa en función de los recursos y costes del mercado.



• Nivel de Control de Factoría (nivel 4): A este nivel corresponden las funciones de

planificación de la producción del conjunto de la factoría. También se encuentran los

elementos de oficina técnica que mediante herramientas como CAD (Diseño Asistido por

Computadora) permiten el diseño de productos y elaboración automática de programas

para los elementos de fabricación (ingeniería). También, en este nivel se efectúan

funciones de control de materiales y recursos. Se generan órdenes de ejecución hacia el

nivel de célula en base a las indicaciones del nivel de factoría. Funciones de elaboración

de secuencias de producción, secuenciamiento de tareas y coordinación de recursos en la

planta.

• Nivel de Control de Célula (nivel 3): Se realizan funciones de coordinación de máquinas

y operaciones. En él se sitúa el sistema de control que secuencia y controla una tarea

específica. Gestiona los recursos y materiales dentro de la propia célula.

• Nivel de Control de Máquina (nivel 2): En este nivel se efectúa el control de

operaciones de los dispositivos de fabricación. Se encuentra en este nivel el controlador

de cada recurso individual, ej. Máquinas-herramienta, robots, sistemas de medición,

sistemas de transporte.

• Nivel de Sensor y Actuador (nivel 1): Es el nivel inferior de la jerarquía CIM. En este

nivel se ubican los dispositivos de campo que interactúan con el proceso tales como

sensores y actuadotes.

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El modelo CIM, sin embargo, se enfrenta al problema de integrar estos niveles jerárquicos.

Esto significa que aunque los componentes de la empresa interactúan en sentido horizontal, es

decir, en su propio nivel, no lo hacen en forma tan simple en sentido vertical, es decir, entre

niveles.



1.3 Arquitecturas de comunicación basadas en CIM



Diferentes arquitecturas de comunicación para la industria se han desarrollado de acuerdo

con el concepto de CIM, siguiendo un modelo de jerarquización de redes. Éstas distinguen

generalmente 3 niveles de comunicación que son:



• Nivel de Información

• Nivel de Control, y

• Nivel de Dispositivo.



Estos niveles son equivalentes con los 5 niveles de CIM, descritos anteriormente.



Entre las arquitecturas que actualmente se han desarrollado, se pueden mencionar las

siguientes dos:

• NetLinx, y

• SINEC





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1.3.1 Arquitectura NetLinx



La arquitectura de comunicación integrada NetLinx, es desarrollada por la empresa

Rockwell-Automation e impulsada por las asociaciones ODVA (Open DeviceNet Vendor

Association) y ControlNet International. En los capítulos posteriores se tratan en más detalle

estas organizaciones. En la figura 1.2 se muestra la composición de la arquitectura NetLinx.

Figura 1.2. Arquitectura NetLinx basada en el modelo CIM.



Puede observarse en la figura que la arquitectura NetLinx se compone de los tres niveles

jerárquicos que son: Información, Control y Dispositivo. Además, se observa que para cada nivel,

se asigna una red. Estas redes son:



• EtherNet/IP (Nivel de Información)

• ControlNet (Nivel de Control)

• DeviceNet (Nivel de Dispositivo)



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1.3.2 Arquitectura SINEC



La arquitectura de comunicación integrada SINEC es desarrollada e impulsada por la

empresa alemana Siemens. En la figura 1.3 se muestra la composición de la arquitectura SINEC.

Figura 1.3. Arquitectura SINEC basada en el modelo CIM.



Puede observarse en la figura que la arquitectura SINEC, se compone de los tres niveles

jerárquicos que son: Información, Control y Dispositivo, se observa que para cada nivel, a su vez,

tiene asignada una red. Estas redes son:



• FDDI (Nivel de Información, de Empresa)

• EtherNet (Nivel de Información, de Planta)

• Profibus (Nivel de Control)

• AS-I/Fieldbus Foundation (Nivel de Dispositivo)



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1.4 Jerarquía de redes de comunicación según el modelo CIM



Debido a los distintos requerimientos que poseen los niveles del modelo CIM, cada red de

comunicación está optimizada para operar dentro de un determinado rango en el modelo. Al

trabajar fuera del nivel para el cual están diseñadas, disminuye su rendimiento y aumenta la

relación costo/prestación.



Tal como se pudo observar en las arquitecturas de comunicación comerciales basadas en

el concepto de CIM, a cada nivel le corresponde una red con determinadas propiedades y

limitaciones.



De esta forma aparece la jerarquización de las redes de comunicación en la industria.

Pueden definirse dos grupos de redes de comunicación en la empresa:



• Redes de Información, y

• Redes de Campo.

Las primeras se ubican en la parte alta de la jerarquía CIM y las últimas en la parte baja.

En la figura 1.4 se muestra cómo se posicionan los tipos de redes en un modelo CIM.



Figura 1.4. Posicionamiento de las redes de información e industriales y equipamiento típico

frente al modelo CIM.





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1.4.1 Redes de Información



Estas redes se encuentran, en un sentido ascendente, en los niveles de célula, factoría y

empresa del modelo CIM. Son redes orientadas al transporte de grandes paquetes de datos, que

aparecen en forma esporádica (baja carga), y con un amplio ancho de banda para permitir el

envío rápido de una gran cantidad de datos.



Permiten a los diversos sistemas y archivos el acceso a los datos de la planta, relativos a

los costos, calidad, fabricación y desarrollo (ofimática). Por lo general, las redes utilizadas en

estos niveles jerárquicos son basadas en tecnología IP. Ejemplos de estas redes son EtherNet,

WiFi y WiMax en el nivel de empresa y EtherNet y MAP en el nivel de Factoría.



Los dispositivos típicos a conectar por estas redes son Computadores Personales (PC),

servidores (Host) y MainFrames.



1.4.2 Redes de Campo



Las redes de campo se ubican, en un sentido ascendente, en los niveles de sensor/actuador,

campo y célula dentro del modelo CIM. Son redes utilizadas para conectar distintos procesos de

aplicación con el propósito de asegurar la explotación de la instalación (comando, supervisión,

mantenimiento y gestión). Provee servicios bajo restricciones temporales (tiempo real) y están

constituidas por protocolos capaces de gestionar estas restricciones (garantiza que las

restricciones