PDF de programación - Entrega 21 - Curso sobre Controladores Lógicos Programables (PLC)

Curso sobre Controladores Lógicos
Programables (PLC).

Por Ing. Norberto Molinari.

Entrega Nº 21.

Capitulo 5.

Redes Digitales de Datos en Sistemas de
Control de Procesos

Una red de computadoras es un conjunto interconectado de procesadores, capaces de
intercambiar información entre sí. El estudio completo de redes de computadoras puede
abarcar varios libros, por lo que sólo se presentarán aquí algunos aspectos.

Justamente, se presentarán aquellos aspectos de las redes que estén relacionados con la
implementación de Sistemas Digitales de Control de Procesos.

En la industria, el uso de computadoras digitales aplicadas al control automático
evolucionó desde un único computador supervisando algunos controladores analógicos,
a complejos sistemas que interrelacionan múltiples procesadores.

Estos procesadores comprenden controladores PID mono y multilazo, estaciones de
operación, PLC´s, transmisores inteligentes, cromatógrafos, sistemas de inventario de
playa de tanques, etc., integrados en una o varias redes de datos de tiempo real,
también denominados redes de control de procesos.

Por otra parte, las plantas industriales cuentan en muchos casos con sistemas de
computadoras a fin de satisfacer sus necesidades administrativas y gerenciales.

Llamaremos red administrativa a este sistema. Aparece como evidente que la
integración de ambas redes facilitaría la administración de todo el negocio, como la
compra de materias primas, el proceso de producción, la venta de productos, el pago de
sueldos, etc.

Surgen entonces dos áreas para la implementación de redes en las que participan los
equipos digitales de control de procesos: la integración de estos equipos entre sí, y la
integración de estos equipos con la red administrativa.

La integración de equipos digitales de control de procesos en una red de datos en tiempo
real presenta problemas de diversa índole. Consideremos el caso de los Sistemas de
Control Distribuido (DCS). Si bien estos tienen varias redes como parte de su
arquitectura, su diseño es propiedad del proveedor, sin que el usuario pueda disponer de
su especificación.

La integración de controladores unilazo con una PC es un problema de naturaleza
distinta. En este caso, el usuario accede a todos los aspectos de la implementación de la
red; y debe analizar aspectos tales como la respuesta en tiempo real del sistema, ya que
ésta no es Garantizada por el diseño del sistema.

Lamentablemente, no existe una norma de comunicaciones para la transmisión de datos
en tiempo real que haya alcanzado un alto grado de difusión. Esto hace que en algunos
casos resulte técnicamente difícil integrar equipos de distintos fabricantes. Más aún, en
algunos casos puede resultar técnico / económicamente desaconsejable. Varias normas
emergentes intentan llenar este vacío, como MAP, SP50, etc., sin que ninguna de ellas
haya logrado, hasta ahora, una amplia difusión.

Las redes de datos de tiempo real y las administrativas implican distintos conceptos.
Consideremos, por ejemplo, la seguridad. En la red administrativa la seguridad está
asociada al acceso a la información (¿tiene usted derecho a acceder a la nómina de
sueldos de la compañía?), o su preservación, (¿cuándo hizo el último back-up?).
En la red de control de procesos, la seguridad también está asociada a la disponibilidad
de los datos en tiempo real, y a la inmunidad del sistema a fallas de algún componente,
como la rotura de un cable. Por tal motivo, es deseable la implementación de redes de
alta velocidad, sobre buses redundantes.

En este capítulo presentaremos conceptos básicos de redes, que permitirán una mejor
comprensión del problema de las comunicaciones digitales, en relación a las dos áreas
mencionadas.

Inicialmente, analizaremos la integración de equipos de control según esquema
denominado maestro-esclavo. Este esquema es frecuentemente utilizado en la
integración de PLC´s o instrumentos unilazo con computadoras personales.

Este caso nos servirá para analizar las complejidades del problema de comunicaciones,
y servirá como introducción para la presentación del modelo ISO / OSI para
interconexión de sistemas. Luego reanalizaremos el esquema maestro-esclavo a la luz
del modelo ISO / OSI.

Finalmente se presentarán distintos protocolos, y se los analizará desde el punto de vista
de las problemáticas mencionadas.

5.1 El esquema maestro-esclavo
Analizaremos a continuación los aspectos asociados a la comunicación de dos o más
equipos digitales de control de procesos comunicados entre sí según el esquema
maestro-esclavo. Este esquema es usual en muchas plantas industriales, para la
integración de controladores unilazo o PLC´s con computadoras personales.

Figura 5.1 Integración de controladores unilazo y una PC.

En forma simplificada, el sistema consta de un equipo digital al que llamaremos
maestro, y uno o varios equipos digitales a los que llamaremos esclavos.

Genéricamente, denominaremos estaciones al maestro y a los esclavos (Fig. 5.1.).
La diferencia básica entre el maestro y los esclavos es que el maestro inicia las
comunicaciones. Los esclavos sólo envían mensajes cuando el maestro así se los
solicita. El proceso por el cual el maestro envía un mensaje, y recibe una respuesta del
esclavo (si así lo solicitó) se denomina transacción.

Existen dos tipos de transacción:

• Consulta / respuesta (query / response): El maestro transmite un mensaje a un

esclavo determinado, el que transmite una respuesta correspondiente al mensaje que
recibió. Cada esclavo está identificado con una dirección (address) único en la red.
Tanto el mensaje de consulta como el de respuesta contienen la dirección que
identifica al esclavo al que fue dirigida la consulta. El mensaje que envía el maestro

es escuchado por todos los esclavos, pero será contestado sólo por aquel esclavo
cuya dirección coincida con la del mensaje. Este método es utilizado por el maestro
para transmitir datos a un esclavo, así como para obtenerlos de él.

• De difusión sin respuesta (broadcast / no response): Estas transacciones tienen
dos diferencias básicas con las de consulta / respuesta: tiene como destinatario a
todos los esclavos, y éstos no emiten mensaje de respuesta. Este método se utiliza
para transmitir un mismo dato a todos los esclavos, en una sola transacción. Un
aspecto que debe considerarse es que el maestro no recibe confirmación alguna
acerca de la correcta recepción del mensaje por parte de los esclavos.

Obsérvese que sólo el maestro tiene capacidad de iniciar la transacción, y que los
esclavos sólo hablan si este les ha preguntado algo. De esta forma, la relación maestro-
esclavo es definitivamente una relación de jerarquía entre ambos equipos, al menos
desde el punto de vista de las comunicaciones. Por supuesto desde otros puntos de vista
(como el control de procesos), cualquier esclavo podría ser más importante que el
maestro.

Por razones de seguridad, es frecuente que el esquema maestro-esclavo se implemente
utilizando únicamente transacciones consulta / respuesta.
Sucesivamente, el maestro interroga a todos los esclavos de la red, en un mecanismo
conocido como encuesta (polling).

Físicamente, todas las estaciones están conectadas a un único medio físico; por ejemplo,
un par de cables.

Brevemente descripto, este esquema parece de fácil implementación. Sin embargo, para
que funcione es necesario definir varios aspectos.

En primer lugar debemos definir cómo se interconectarán las distintas estaciones entre
sí. El medio más usual es el uso de cables de cobre, pero también se utilizan fibras
ópticas, radio, etc.

Supongamos que utilizaremos cables. ¿Cómo se representarán los unos y ceros que la
comunicación implica? También aquí hay una variedad de opciones: tensión, tonos de
frecuencia, etc. Más aún, ¿cómo será físicamente el conector que permitirá conectar el
cable? ¿Cómo se transmitirán los mensajes? ¿Qué técnicas asegurarán que el mensaje
llegó sin que su contenido se altere?

Como se ve, aún para este sencillo esquema es necesario detallar numerosos aspectos.

Los clasificaremos en 4 grupos:

• Aspectos mecánicos, eléctricos y funcionales de la comunicación.

• Definición del método utilizado para compartir un único medio físico entre
varias estaciones (problema conocido como acceso al medio).

• Aspectos asociados al correcto envío y recepción de un mensaje.

• Definición de los comandos que establecen los objetivos de la comunicación: en

definitiva, ¿para qué sirve el mensaje que el maestro envió?. Por ejemplo, cambiar
un valor deseado, conocer el estado de una variable de procesos, etc.

Las distintas estaciones conectadas al medio físico deberán resolver estos problemas en
forma compatible. Caso contrario, no habrá posibilidad decomunicaciones entre ellas.
En la práctica, será como tratar que un argentino intenta hablar con un zulú: distinto
idioma, distinta cultura, distinta forma de pensar. Aún cuando compartan el mismo
medio físico (el aire) y utilicen sus cuerdas vocales para hablar, no podrán intercambiar
mensajes en forma directa.

El conjunto de reglas y convenciones que se utilizan para resolver el problema de
comunicaciones se denomina protocolo.

Se dice que un protocolo es abierto si el fabricante de un equipo ofrece la
especificación de su protocolo en forma gratuita o a un precio razonable; o si
existe una norma que defina esta especificación. En caso contrario, se dice que el
protocolo es cerrado.

En relación a los aspectos mecánicos, eléctricos y funcionales de la comunicación, la
implementación de un esquema maestro-esclavo se basa con frecuencia en las normas
RS-232 ó RS-485, que serán descriptas a continuación.

5.1.1. RS-232 y RS-485

La norma RS-232-C es la tercera revisión de la norma original RS-232.
Fue propuesta por la Asociación de Industrias Electrónicas (Electronic Industry
Association, EIA), e incluida en la recomendación V.24 del Comité Consultivo
Internacional Telegráfico y Telefónico (Co