PDF de programación - Introducción a las Redes de Comunicación Industrial

Introducción a las Redes de

Comunicación Industrial





1.- INTRODUCCIÓN

Hasta el siglo XX, el desarrollo tecnológico había venido de la mano de la revolución industrial en la que
los sistemas mecánicos eran piezas clave para la industria y el desarrollo de los procesos industriales. Pero es en
el siglo XX cuando los sistemas de automatización surgen con más fuerza, potenciados por los sistemas
eléctricos basados en relés electromagnéticos en la primera mitad del siglo, y de los sistemas electrónicos
de estado sólido en su segunda mitad. Así, además de sus objetivos iniciales, el concepto de
automatización se extiende a la mejora de producción y calidad, disminución de riesgos laborales, disminución de
costes, etc.

La aparición de los autómatas programables marcó un cambio en la industria de ensamblaje y líneas de
producción. El concepto de línea de producción automatizada apareció entonces como un hecho real. Este
pequeño dispositivo permitió que los procesos industriales fuesen desde entonces más eficientes, precisos, y
lo que es más importante, reprogramables, eliminando el gran costo que se producía al reemplazar el complejo
sistema de control basado en relés y contactores, tanto por tamaño como por vida útil.



Pero la mejora en los procesos de automatización pasa hoy en día por el desarrollo de las redes de comunicación.
La intercomunicación de sistemas y procesos industriales no es un concepto nuevo, pues es ampliamente
conocido el uso de sistemas como IEEE-488 y RS485/422 que durante más de 20 años han sido capaces de
ofrecer los requerimientos necesarios en las instalaciones de baja y media complejidad en cuanto a las
capacidades de
intercomunicación se refiere. Este tipo de enlaces entre sistemas se ha empleado
esencialmente para equipos de instrumentación y sistemas de automatización, donde es necesaria una baja
tasa de transferencia de datos entre equipos, pero que en gran número de casos hoy en día ya no puede
responder a las necesidades de intercomunicación entre dispositivos que se demandan. Por ello, redes de
comunicación como PROFIBUS y PROFINET han conseguido ser indispensables en un entorno de trabajo donde
cada día es más necesaria la integración global.

Por tanto, los sistemas de automatización industrial y su funcionamiento distribuido forman parte de un
concepto de mayor entidad, encaminado a la optimización global de las industrias mediante la mejora de los
procesos de fabricación, la reducción de costes, el incremento en la calidad, la mejora de la eficiencia, la mayor
flexibilidad en los procesos de producción y, en general, todos aquellos factores que permitan adaptarse de
manera eficiente a las necesidades del mercado al que está orientado el producto.


Autor: José Mª. Hurtado

Departamento de Electricidad-Electrónica. I.E.S. Himilce - Linares



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2.- Sistemas industriales de Control

Se distinguen tres tipos de sistemas de control industrial: control centralizado, control híbrido y control
distribuido. La importancia de las tareas a realizar, o la posibilidad de subdividir la tarea de control del
proceso o conjunto de máquinas en esas funciones autónomas, determinará en muchos casos la elección de
un tipo u otro de control.

2.1.- Control centralizado

Esta aproximación es la que se sigue en el caso de sistemas poco complejos, donde un proceso puede ser
gestionado directamente mediante un único elemento de control encargado de realizar todas las tareas del
proceso de producción y que puede incluir un sistema de monitorización y supervisión. Conforme las
necesidades de producción han requerido mayor complejidad, una tendencia ha sido
la de emplear
elementos de control más complejos y potentes, manteniendo en un único elemento todo el control del proceso,
con la complejidad que ello supone, ya que se hace necesario hacer llegar todas las señales de sensores y
cablear todos los actuadores allá donde se encuentren.

Como ventajas de esta metodología se tiene que no es necesario planificar un sistema de intercomunicación
entre procesos, ya que todas las señales están gestionadas por el mismo sistema. Por otro lado, para sistemas
poco complejos, posee un menor coste económico. En cambio, posee numerosas desventajas, ya que si el
sistema falla, toda la instalación queda paralizada, siendo necesario un sistema redundante para evitar estas
situaciones. También se hace necesario el empleo de unidades de control (generalmente autómatas
programables) de mayor capacidad de proceso, dada la complejidad de los problemas que debe abordar y las
restricciones de tiempo límite que son habituales en los procesos industriales.

Por otro lado, el cableado puede aumentar notablemente debido a las mayores distancias que pueden
existir entre los sensores, actuadores y la unidad de control, aunque este problema se pueda simplificar en
cierta medida debido al uso de buses de campo.

2.1.- Control distribuido

La opción de control distribuido requiere que puedan considerarse procesos, grupos de procesos o áreas
funcionales susceptibles de ser definidas por un algoritmo de control que pueda realizarse de forma autónoma. A
cada unidad se destinará un autómata (o elemento de control) dimensionado de acuerdo con
los
requerimientos del proceso considerado. Debido a la interdependencia que existe entre las operaciones que
tienen lugar en cada proceso, hay que tener en cuenta que es necesario interconectar los autómatas entre sí
mediante entradas y salidas digitales, o a través de una red de comunicaciones para intercambio de datos y
estados. Por tanto, el autómata o elemento de control evaluado debe permitir las comunicaciones.

Con esta metodología de control es posible que cada unidad funcional consista en un proceso relativamente
sencillo comparado con el proceso global, reduciendo
la posibilidad de errores en la programación y
permitiendo el empleo de unidades de control (autómatas programables principalmente) más sencillas y,
por tanto, más económicas. Al mismo tiempo, la existencia de fallos en otras unidades de control no implica
necesariamente la paralización de todos los procesos que se llevan a cabo en la planta. Como desventaja, es
necesario realizar un estudio de implantación previo, ya que se deben identificar los procesos autónomos,
asignar elementos a cada proceso y diseñar el modelo de intercomunicación para responder a las necesidades
del proceso planteado.

2.2.- Control híbrido

El control híbrido no está muy bien definido, ya que este tipo de gestión de planta puede considerarse a
cualquier estrategia de distribución de elementos de control a medio camino entre el control distribuido y
el control centralizado. En numerosas ocasiones no resulta sencillo separar los procesos de manera



Autor: José Mª. Hurtado

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completamente autónoma, por lo que se debe recurrir a la gestión de varios procesos desde una misma unidad
de control, debido a que la complejidad de la separación es mayor que la complejidad que supone su gestión
conjunta. Por otro lado, una estrategia de este tipo también conduce a una gestión estructurada, de modo que
existen elementos de control de nivel superior que supervisan e intercomunican los procesos autónomos
más sencillos, siendo los encargados de gestionar la información común. Para este tipo de gestión también
es necesario el uso de redes de comunicación.



Instalación industrial con control distribuido


Instalación industrial con control centralizado


3.- La Pirámide CIM

El ideal de factoría completamente automatizada (Computer Integrated Manufacturing) se representa como
una pirámide en la que en los niveles bajos se encuentran los sensores y actuadores; en los niveles
intermedios se interconectan estos elementos para funcionar cooperativamente realizando funciones más o
menos sincronizadas y finalmente, en el nivel superior aparece la red informática técnico-administrativa donde
se recogen informaciones de estado, registros históricos, datos de partida, consignas, etc.



Autor: José Mª. Hurtado

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3.1.- Nivel de E/S (Nivel actuador/sensor)

También llamado nivel de instrumentación. Está formado por los elementos de medida (sensores) y mando
(actuadores) distribuidos en una línea de producción. Son los elementos más directamente relacionados con el
proceso productivo. Así, los actuadores son los encargados de ejecutar las órdenes de los elementos de control
para modificar el proceso productivo y los sensores miden variables en el proceso de producción. Ejemplos de
sensores son aquellos que permiten medir nivel de líquidos, caudal, temperatura, presión, posición, etc. Como
ejemplos de actuadores se tienen los motores, válvulas, calentadores, taladros, cizallas, etc. Como característica
adicional, los sensores y actuadores suelen ser dispositivos que necesitan ser controlados por otros
elementos.

3.2.- Ni