Electiva Sistemas Distribuidos (página 2)

A mediados de los 70 los autómatas incorporan el
microprocesador y las memorias semiconductoras lo que permiten
programar sin recablear (aumenta flexibilidad). Además
permiten realizar cálculos matemáticos y comunicar
con un ordenador central (ordenador encargado de controlar la
planta enviando órdenes a los autómatas que
gobiernan cada proceso). Junto con esto aparecen los primeros DCS
(sistemas de control distribuido) que eran controladores
lógicos al igual que los PLC"s solo que estos en el
principio dominaban el reino del control de variables
analógicas. De esta manera sistemas DCS trabajaban a la
par de sistemas separados de PLC para control discreto de
variables on/off.

Hacia los finales de los 70 aparecen
mejoras en los autómatas dándole a
estos:

• Mayor memoria.

• Capacidad de gobernar bucles de
control.

• Más tipos de E/S
(conexión más flexible de sensores/actuadores
).

• Lenguajes de programación
más potentes .

• Comunicaciones más
potentes.

En los años 80 se continua con las
mejoras siendo algunas de estas:

• Mayor velocidad de
proceso.

• Dimensiones más
reducidas.

• Técnicas de control
más complejas (PID, inteligente, fuzzy).

• Múltiples lenguajes
(contactos, lista instrucciones, GRAFCET, etc).

En los años "90 cuando los sistemas de control
basado en PC hicieron su aparición en la escena de la
automatización industrial, los partidarios de estos
sistemas más poderosos y abiertos afirmaban que dichos
sistemas podrían llegar a suplantar a los controladores
lógicos programables (PLC´s) y hasta los sistemas de
control distribuidos (DCS´s) en numerosas aplicaciones. La
PC tenía mucho que ofrecer, pero no suplantaría las
plataformas ya probadas de control industrial, no por lo menos en
la forma de una PC de escritorio. La PC era la mejor
opción a la hora de integrar funcionalidad avanzada, como
puede ser conectividad de base de datos, integración,
control analógico y simulación basados en Web y
comunicación de datos con terceros. El problema con el
control basado en PC ha sido siempre el control . Las PC´s
que corren en sistemas operativos estándares con hardware
común resultan demasiado frágiles y temperamentales
como para brindar un contro industrial confiable.

El resultado de todas estas innovaciones fue la
aparición de controladote híbridos que permiten
manejo de variables analógicas y digitales, en conjunto
con características como procesador de punto flotante para
cálculos personales, servidor Web interactivo embebido que
facilita las tareas de control y monitoreo, flash compacto
removible para la recolección y registro de datos, puertos
seriales múltiples y conexionado mediante buses de campo
para la comunicación con terceros.

En la actualidad tenemos disponibles gran variedad de
autómatas híbridos compactos, sencillos y modulares
para aplicaciones incluso domésticas. Presentan grandes
posibilidades de ampliación. Y con una tendencia hacia una
evolución continua de los sistemas de comunicación,
constituyendo redes de autómatas que permitan
implementaciones más complejas y seguras. Las nuevas
características de los sistemas de automatización
apuntan a incorporar características de los sistemas
distribuidos como:

• Escalabilidad

• Apertura

• Concurrencia

• Tolerancia a fallas

• Transparencia

Estructuras
generales de los sistemas de control
industriales

La Figura 1 muestra en forma
esquemática la estructura control implementadas
normalmente en la industria.

FIG. 1

interfase amigable y entendible para el
operador.

En la misma pueden verse dos áreas bien
definidas: Una la parte operativa y otra la parte de
control.

En la parte operativa tenemos los dispositivos de
hardware y software que brindan la información necesaria
para llevar a cabo las operaciones de planta necesarias, con
una

En la parte de control encontramos a los dispositivos de
control (PLC"s, DCP"S y o PC industriales) que permiten llevar a
cabo las acciones de control en conjunto con los actuadores.
Entre todos estos dispositivos hay comunicación
vertical (desde la parte de control hacia la operativa y
viceversa) y comunicaciones horizontales (entre distintos
dispositivos de control)

A continuación se describirán las dos
arquitecturas más conocidas de control, industrial, aunque
cabe aclarar que no son las únicas y muchas soluciones de
automatizaciones son una mezcla de estas que se adapta a las
necesidades especificas de cada situación.

3.1.1 Control
centralizado

En la figura 2 puede verse la estructura
general del control centralizado

FIG. 2

Constituido por una computador, un interfaz de proceso y
una estación de operador (interfaz de
operación)

La principal

ventaja es que su arquitectura facilita el flujo de
información y se hace posible que los objetivos de
optimización global del proceso puedan ser alcanzados,
pero tiene la desventaja que depende de la fiabilidad del
computador. Para solucionar esto se aplica redundancia de
servicios críticos como se verá más
adelante.

Una variante del control centralizado puede
verse en la figura 3 y quizás la más aplicable por
la probada robustez de los controladores industriales.

3.1.2 Control centralizado
multicapa

FIG 3

SCADA

A partir de esta arquitectura de control aparece el
concepto de SCADA que viene de las siglas de
"Supervisory Control And Data Adquisition", es
decir: adquisición de datos y control de
supervisión. Se trata de una aplicación software
especialmente diseñada para funcionar sobre ordenadores en
el control de producción, proporcionando
comunicación con los dispositivos de campo (controladores
autónomos, autómatas programables, etc.) y
controlando el proceso de forma automática desde la
pantalla del ordenador. Además, provee de toda la
información que se genera en el proceso productivo a
diversos usuarios, tanto del mismo nivel como de otros
supervisores dentro de la empresa: control de calidad,
supervisión, mantenimiento, etc.

En este tipo de sistemas usualmente existe un ordenador,
que efectúa tareas de supervisión y gestión
de alarmas, así como tratamiento de datos y control de
procesos. La comunicación se realiza mediante buses
especiales o redes LAN, los cuales serán abordados
más adelante para su estudio especifico. Todo esto se
ejecuta normalmente en tiempo real, y están
diseñados para dar al operador de planta la posibilidad de
supervisar y controlar dichos procesos. Los elementos de proceso
del sistema de control pueden utilizar una implementación
estándar en tiempo real de CORBA (Common Object Request
Broker Architecture) para la comunicación entre objetos a
través de redes. Además, la especificación
de interfaces será muy importante para el mantenimiento y
conservación de la inversión teniendo en cuenta los
rápidos cambios tecnológicos. Por ello serán
usados estándares abiertos como RT POSIX o ATM, y
también CORBA.

Los programas necesarios, y en su caso el hardware
adicional que se necesite, se denomina en general sistema
SCADA.

Prestaciones

Un paquete SCADA debe estar en
disposición de ofrecer las siguientes
prestaciones:

• Posibilidad de crear paneles de
alarma, que exigen la presencia del operador para reconocer una
parada o situación de alarma, con registro de
incidencias.

• Generación de
históricos de señal de planta, que pueden ser
volcados para su proceso sobre una hoja de
cálculo.

• Ejecución de programas, que
modifican la ley de control, o incluso anular o modificar las
tareas asociadas al autómata, bajo ciertas
condiciones.

• Posibilidad de programación
numérica, que permite realizar cálculos
aritméticos de elevada resolución sobre la CPU del
ordenador.

Con ellas, se pueden desarrollar aplicaciones para
ordenadores (tipo PC, por ejemplo), con captura de datos,
análisis de señales, presentaciones en pantalla,
envío de resultados a disco e impresora, etc.

Además, todas estas acciones se llevan a cabo
mediante un paquete de funciones que incluye zonas de
programación en un lenguaje de uso general (como C,
Pascal, o Basic), lo cual confiere una potencia muy elevada y una
gran versatilidad. Algunos SCADA ofrecen

librerías de funciones para
lenguajes de uso general que permiten personalizar de manera muy
amplia la aplicación que desee realizarse con dicho
SCADA.

Requisitos

Un SCADA debe cumplir varios objetivos para
que su instalación sea perfectamente
aprovechada:

• Deben ser sistemas de arquitectura abierta,
capaces de crecer o adaptarse según las necesidades
cambiantes de la empresa.

• Deben comunicarse con total facilidad y de forma
transparente al usuario con el equipo de planta y con el resto de
la empresa (redes locales y de gestión).

• Deben ser programas sencillos de instalar, sin
excesivas exigencias de hardware, y fáciles de utilizar,
con interfaces amigables con el usuario.

Módulos de un
SCADA.

Los módulos o bloques software que
permiten las actividades de adquisición,
supervisión y control son los siguientes:

• Configuración: permite al usuario
definir el entorno de trabajo de su SCADA, adaptándolo a
la aplicación particular que se desea
desarrollar.

• Interfaz gráfico del operador:
proporciona al operador las funciones de control y
supervisión de la planta. El proceso se representa
mediante sinópticos gráficos almacenados en el
ordenador de proceso y generados desde el editor incorporado en
el SCADA o importados desde otra aplicación durante la
configuración del paquete.

• Módulo de proceso: ejecuta las
acciones de mando preprogramadas a partir de los valores actuales
de variables leídas.

• Gestión y archivo de datos: se
encarga del almacenamiento y procesado ordenado de los datos, de
forma que otra aplicación o dispositivo pueda tener acceso
a ellos.

• Comunicaciones: se encarga de la
transferencia de información entre la planta y la
arquitectura hardware que soporta el SCADA, y entre ésta y
el resto de elementos informáticos de
gestión.

3.2.1 Control Distribuido

La figura 4 muestra un esquema de control
distribuido, donde puede observarse es que es muy similar al
control centralizado multicapa solo que aquí se
comunicación entre cada controlador de proceso

(comunicación horizontal)

FIG 4

Existencia de varias unidades de control que llevan a
cabo las tareas. En caso de avería o sobrecarga de
trabajo, será posible transferir todo o parte de las
tareas a otras unidades.

La idea de poder hacer by- pass a las unidades con
problemas permite evitar los bloqueos necesarios del
sistema,

(paradas de planta) pero por otra parte exige que las
diferentes controladores tengan una asignación
dinámica de las tareas y por tanto se les va a exigir gran
capacidad de acceso a la comunicación y de tratamiento de
la información

La desventaja de esto es la
disminución de la velocidad de comunicación debido
a los retardos, posibles desbordamientos en el procesamiento de
datos en cada nivel y falta de flujo

de nuevas tecnología de
comunicación de datos cada vez más
potentes

Aquí vemos que también
tenemos una unidad de control y supervisión (SCADA) que
cumple con las características antes mencionadas para el
control centralizado multicapa.

A continuación se muestra una tabla
comparativas sobre los aspectos principales de las dos
arquitecturas antes mencionadas

Tabla 1

A partir de o expuesto hasta aquí se puede
observar que la comunicación entre controladores es un
aspecto fundamental para el funcionamiento de un sistema de
control distribuido. A continuación se detallaran las
características que deben tener estas redes de
controladores para operar en el ambiente de planta.

Características específicas de
las redes locales industriales

Características:

• Entorno de funcionamiento hostil:
las redes industriales deben ser lo suficientemente robustas como
para soportar golpes, atmósfera agresiva, radiaciones
electromagnéticas, ruido eléctrico y otras
perturbaciones típicas de la operación en
planta.

• Restricciones temporales: las
redes que comunican elementos de control con requisitos como
tiempo máximo de entrega de mensajes, esquemas de
prioridades y índices elevados de
disponibilidad

• Arquitecturas adecuadas: debe ser
arquitecturas abiertas que permitan la interconexión de
elementos de distintos proveedores sin problemas

4.1 Jerarquía entre los niveles de
comunicación:

A continuación se realizará
una clasificación jerárquica de las redes locales
industriales según el entorno donde van a ser
instaladas, el grafico de la figura 5 muestra un esquema de
esto.

FIG 5

niveles de comunicación, cada
uno de ellos con diferentes necesidades.

Se puede hablar en realidad de dos tipos de redes: redes
de control y redes de datos. Las redes de control están
ligadas a la parte baja de la pirámide, mientras que las
redes de datos (o de oficina) están más ligadas a
las partes altas de la jerarquía.

En general, las redes de datos están orientadas
al transporte de grandes paquetes de datos, que aparecen de forma
esporádica (baja carga), y con un gran ancho de banda para
permitir el envío rápido de una gran cantidad de
datos. En contraste, las redes de control se enfrentan a un
tráfico formado por un gran número de
pequeños paquetes,

En principio, las redes de datos convencionales
podrían emplearse para su uso como redes de control, sin
embargo, es evidente que no resultan adecuadas para las
necesidades de este tipo de aplicaciones. Por ejemplo, es sabido
que la red Ethernet tiene una gran eficiencia, hasta el 90-95% de
la capacidad del canal cuando los mensajes son largos y
suficientemente espaciados. Sin embargo, la cantidad de
información que una red Ethernet es capaz de transportar
cae bruscamente cuando se utiliza por encima del 35% de la
capacidad del canal, si el tamaño de los mensajes es
pequeño, como puede verse en la figura 6. En las redes de
control es habitual encontrar este tipo de carga, porque el
tráfico de la red depende directamente de eventos externos
que están siendo controlados (o monitorizados) por los
diferentes nodos que la componen. A menudo, varios nodos
necesitan enviar información simultáneamente en
función de uno o más eventos externos. Este hecho,
junto con el gran número de nodos que suelen estar
presentes, implica la existencia de frecuentes periodos en los
que muchas estaciones envían pequeños paquetes de
información.

Fig: 6

Comparación de la red Ethernet
ante variaciones del tamaño de los
paquetes

Por todas estas razones, es necesario diseñar una
arquitectura de red acorde a las características
particulares de este tipo de tráfico. En el diseño
se deberán tener en cuenta aspectos como los tipos de
protocolos utilizados, la interoperabilidad, la topología
y la facilidad de administración. Deben usarse protocolos
abiertos, disponibles por toda la comunidad de fabricantes y
usuarios. Este aspecto es básico para conseguir que
equipos de diferentes fabricantes pueden trabajar en conjunto en
una misma red. También juega un papel fundamental
determinar el tipo de información que viajará por
la red. En las redes de oficina, esta información consiste
básicamente en datos de usuario y en algunas ocasiones
información para la administración y el
mantenimiento de la propia red. En una red de control, esta
elección es menos clara ya que el correcto funcionamiento
de la red es vital.

Figura 7:

Comparación entre redes de datos y
redes de control

Pueden distinguirse dos tipos de redes según la
información que transporten: redes basadas en comandos y
redes basadas en estado. En las redes basadas en comandos, la
información consiste en una orden con la que un nodo
controla el funcionamiento de otro. El principal problema radica
en que si se dispone de un amplio conjunto de tipos de nodos,
habrá un aumento exponencial del número de posibles
comandos y de la sobrecarga que supone su procesamiento. En las
redes orientadas a estado las cosas son más sencillas. En
este caso, la funcionalidad de un nodo no depende de
ningún otro. Cada nodo enviará mensajes en los que
indicará a los demás el estado en que se encuentra.
Los nodos que reciban estos mensajes modificarán su estado
en función de la nueva información. Existen
implementaciones que combinan ambos métodos.

Por lo que se refiere al tipo de topología que
deben adoptar las redes de control, cabe destacar que cualquiera
de las topologías clásicas de las redes de datos es
válida. Cada una de ellas con sus propias ventajas y
limitaciones. Cualquiera puede satisfacer las necesidades de
cableado, prestaciones y coste de algún tipo de
aplicación. La elección está determinada
fundamentalmente por el control de acceso al medio y el tipo de
medio que se emplea. El conjunto formado por el medio, el control
de acceso y la topología, afecta prácticamente a
cualquier otro aspecto de la red de control: coste, facilidad de
instalación, fiabilidad, prestaciones, facilidad de
mantenimiento y expansión. .

La selección de la topología suele hacerse
basándose en los requisitos específicos de cada
sistema en cuanto a coste de instalación y tolerancia a
fallos. Muchas redes de control permiten el uso de distintas
topologías.

El control de acceso al medio es vital. Elegida una
topología, hay que definir como accederá cada nodo
a la red. El objetivo es reducir las colisiones (idealmente
eliminarlas) entre los paquetes de datos y reducir el tiempo que
tarda un nodo en ganar el acceso al medio y comenzar a transmitir
el paquete. En otras palabras, maximizar la eficiencia de la red
y reducir el retardo de acceso al medio. Este último
parámetro es el factor principal a la hora de determinar
si una red sirve para aplicaciones en tiempo real o
no.

El direccionamiento de los nodos es otro de los aspectos
claves. En una red de control, la información puede ser
originada y/o recibida por cualquier nodo. La forma en que se
direccionen los paquetes de información afectará de
forma importante a la eficiencia y la fiabilidad global de la
red. Se pueden distinguir tres tipos de
direccionamiento:

a) Unicast : El paquete es enviado a
un único nodo de destino.

b) Multicast : El paquete es enviado
a un grupo de nodos simultáneamente.

c) Broadcast : El paquete es enviado
a todos los nodos de la red simultáneamente.

El direccionamiento broadcast presenta la ventaja de su
sencillez. Es adecuado para redes basadas en información
de estado. Cada nodo informa a todos los demás de
cuál es estado actual. El principal inconveniente es que
los nodos pueden tener que procesar paquetes que no les afecten
directamente. Los esquemas de direccionamiento unicast y
multicast son más eficientes, y facilitan operaciones como
el acuse de recibo y el reenvío, características
que aumentan la fiabilidad del sistema. En redes de control, es
muy habitual encontrar esquemas de direccionamiento del tipo
maestro-esclavo. Este tipo de esquemas permite plasmar ciertos
aspectos jerárquicos del control de forma sencilla, a la
vez que simplifica el funcionamiento de la red y por tanto
abarata los costes de la interfaz física.

La elección del medio físico afecta a
aspectos tales como la velocidad de transmisión, distancia
entre nodos y fiabilidad. En muchas redes de control se recurre a
una mezcla de distintos medios físicos para cumplir con
los requisitos de diferentes secciones al menor coste posible. Se
incorporarán los routes, puentes o repetidores necesarios
para asegurar el objetivo de una comunicación extremo a
extremo transparente, al menor coste posible, y sin que la
integración conlleve una disminución de las
prestaciones.

El control en tiempo real demanda de las redes de
control buenos tiempos de respuesta (baja latencia). Por ejemplo,
el retardo entre la detección de un objeto en una
línea de montaje de alta velocidad y el arranque de una
máquina de pintado puede ser del orden de decenas de
milisegundos. En general, las redes de datos no necesitan una
respuesta en tiempo real cuando envían grandes conjuntos
de datos a través de la red. El control de acceso al medio
y el número de capas implementadas en la arquitectura de
red resultan determinantes a la hora de fijar la velocidad de
respuesta de la red. La implementación de las siete capas
del modelo OSI implica una mayor potencia de proceso por la
sobrecarga que conlleva con respecto a un sistema más
sencillo que por ejemplo sólo implementase las dos
primeras capas. En ocasiones, los beneficios que aportan las
capas adicionales compensan la sobrecarga adicional (que implica
un mayor costo), sobre todo a medida que aumenta la funcionalidad
demandada de la red y mejora la tecnología disponible.
Cuando la velocidad es el factor esencial, como ocurre con muchos
buses de campo, el modelo puede aligerarse ya que en la mayor
parte de este tipo de aplicaciones las capas de red, transporte,
sesión y presentación no son necesarias, como
muestra el esquema de la figura 8.

Fig. 8 Capas del modelo OSI/ISO y su
relación con las redes de control.

Otra forma de favorecer un tiempo de respuesta
pequeño es la capacidad para establecer mensajes con
diferentes prioridades, de forma que mensajes de alta prioridad
(como por ejemplo una alarma) tengan más facilidad para
acceder al medio.

Por último, hay que destacar el papel que juega
la seguridad de la red. Podemos destacar dos niveles diferentes
de seguridad. Por una parte la protección frente a accesos
no autorizados a la red, y por otra parte la protección
frente a fallos del sistema y averías.

El primer problema es el menos grave, ya que la mayor
parte de las redes de control no están conectadas a redes
externas a la fábrica. Además, en la
práctica, la mayor parte de las veces, las redes
pertenecientes a los escalones más bajos de la
pirámide no están conectadas siquiera con las redes
de nivel superior dentro de la propia fábrica. En
cualquier caso, los mecanismos de protección son similares
a los empleados en las redes de datos: claves de usuario y
autentificación de los nodos de la red.

La protección frente a fallos juega un papel
mucho más importante, debido a que se debe evitar a toda
costa, que este hecho afecte negativamente a la planta. Por
ejemplo, los sistemas de refrigeración de una central
nuclear no pueden bloquearse porque la interfaz de comunicaciones
de un nodo de la red se averíe. Para ello es fundamental
que los nodos puedan detectar si la red está funcionando
correctamente o no, y en caso de avería puedan pasar a un
algoritmo de control que mantenga la planta en un punto seguro.
Si el sistema es crítico, se deben incluir equipos
redundantes, que reemplacen al averiado de forma
automática en caso de avería. La
monitorización de la red y la capacidad de
diagnóstico representan por tanto dos puntos
básicos de cualquier red de control.

La necesidad de buenas herramientas de mantenimiento y
administración de la red son vitales. No sólo por
lo dicho anteriormente sino que también porque en las
redes de control las operaciones de reconfiguración y
actualización de la red son frecuentes.

4.1.1 Red de Factoría

La constituyen redes de oficina que
comunican departamentos contabilidad, administración,
ventas, gestión de pedidos, almacén, Red de Planta.
Generalmente están basadas en tecnología Ethernet y
conectadas a Internet a través de un firewall para
proteger la red interna de un ataque exterior. Brindan Servicios
de comunicación como transferencia de ficheros y proceso
de transacciones teniendo un gran volumen de información
intercambiada

y los tiempos de respuesta no son tan
críticos. (Estas redes no serán estudiadas en el
presente trabajo)

4.1.2 Red de Planta

La función de esta capa es interconectar
módulos y células de fabricación entre
sí y con departamentos como diseño o
planificación. La información vinculada de esta
capa es administrada y controlada por aplicaciones SCADA, ya sea
en forma centralizada o distribuida según la arquitectura
implementada. En estas redes el tráfico de datos es muy
variable desde mensajes cortos de órdenes de
ejecución hasta mensajes interactivos de terminales de
operarios. Al protocolo usado en estas redes se lo denomina MAP
(Manufacturing Automation Protocol). En la práctica se
emplean soluciones clásicas Ethernet o Token Ring, con
características especiales ya presentan menor costo y
más experiencia en su implantación frente a
soluciones a medida.

Requisitos de estas redes

• Manejar mensajes de cualquier
tamaño.

• Gestión de errores de
transmisión eficaces (detectar y corregir).

• Cubrir áreas extensas (puede
llegar a varios kilómetros).

• Poder gestionar mensajes con
prioridades.

• Amplio ancho de banda
disponible

4.1.3 Red de
Célula

Interconectar dispositivos de control que
operan en modo secuencial como por ejemplo

PLCs.

Características deseables en estas
redes :

• Gestionar mensajes cortos
eficientemente.

• Capacidad de manejar tráfico
de eventos discretos.

• Mecanismos de control de error (El
protocolo de comunicaciones debe detectar y corregir
errores).

• Posibilidad de transmitir mensaje
prioritarios.

• Bajo coste de instalación y
de conexión por nodo.

• Recuperación rápida
ante eventos anormales en la red.

• Alta disponibilidad (el tiempo medio entre fallos
mayor que 100.000 horas, para poder mejorar la disponibilidad se
implementa redundancia de servicios críticos).

En la práctica son redes son de
Tamaño pequeño (5 a 50 dispositivos.) trabajando
con Redes propietarias que resultan generalmente díficiles
de ampliar a un cuando se dispone de dispositivos de control de
proveedores distintos. Se emplean potocolos asíncronos
(orientados al carácter) si los paquetes transferidos son
del orden de Kbps o síncronos si son de mayor
tamaño (Mbps). Con un tráfico de mensajes cortos
para control y sincronización entre los dispositivos y
ocasional transferencia de archivos.

Si bien falta de una norma de
aceptación general para estas redes se las suelen
encuadrar en las siguientes categorías

• Redes de atuómatas (generalmente
dependen del fabricante) : por ejemplo Jnet, Jbus, Modbus,
Uni-Telway

• Redes locales
heterogéneas : LAC-1, LAC-2.

• Redes normalizadas: Mini-MAP que resulta
de una simplificación de MAP para poder utilizar en
entornos de tiempo real, en donde, el nivel de aplicación
acceda directamente al nivel de enlace del modelo OSI y PROWAY
(Process Data Highway) que consiste en una topología en
bus y mecanismo de acceso por paso de testigo, cuyos aspectos
funcionales están orientados a su aplicación en
control de procesos

• Redes de propósito general
: Ethernet.

Los controladores actuales disponen de dispositivos
configurables de manera de poder comunicarse en alguna o varias
de las categorías antes mencionadas. También
existen dispositivos que permiten pasar de un protocolo a otro
sin problemas, son como los gateway de las redes de computadoras
convencionales. (En la sección 5 se abarcaran ejemplos
concretos de estas redes)

4.1.4 Bus de Campo (field
bus)

Un bus de campo es un término genérico que
describe un conjunto de redes de comunicación para uso
industrial, cuyo objetivo es sustituir las conexiones punto a
punto entre los elementos de campo y el equipo de control a
través del tradicional bucle de corriente de 4-20mA.
Típicamente son redes digitales, bidireccionales,
multipunto, montadas sobre un bus serie, que conectan
dispositivos de campo como PLCs, transductores, actuadores y
sensores. Cada dispositivo de campo incorpora cierta capacidad de
proceso, que lo convierte en un dispositivo inteligente,
manteniendo siempre un costo bajo. Cada uno de estos elementos
será capaz de ejecutar funciones simples de
autodiagnóstico, control o mantenimiento, así como
de comunicarse bidireccionalmente a través del
bus.

El objetivo es reemplazar los sistemas de control
centralizados por redes para control distribuido con las que
mejorar la calidad del producto, reducir costes y mejorar la
eficiencia. Para ello se basa en que la información que
envían y/o reciben los dispositivos de campo es digital,
lo que resulta mucho más preciso que si se recurre a
métodos analógicos. Además,
cada dispositivo de campo es un dispositivo inteligente y
puede llevar a cabo funciones propias de control, mantenimiento y
diagnóstico. De esta forma, cada nodo de la red puede
informar en caso de fallo del dispositivo asociado, y en general
sobre cualquier anomalía asociada al dispositivo. Esta
monitorización permite aumentar la eficiencia del sistema
y reducir la cantidad de horas de mantenimiento
necesarias.

La principal ventaja que ofrecen los buses de campo, y
la que los hace más atractivos a los usuarios finales, es
la reducción de costes. El ahorro proviene
fundamentalmente de tres fuentes: ahorro en coste de
instalación, ahorro en el coste de mantenimiento y ahorros
derivados de la mejora del funcionamiento del sistema. Una de las
principales características de los buses de campo es una
significativa reducción en el cableado necesario para el
control de una instalación. Cada célula de proceso
sólo requiere un cable para la conexión de los
diversos nodos. Se estima que puede ofrecer una reducción
de 5 a 1 en los costes de cableado. En comparación con
otros tipos de redes, dispone de herramientas de
administración del bus que permiten la reducción
del número de horas necesarias para la instalación
y puesta en marcha. El hecho de que los buses de campo sean
más sencillos que otras redes de uso industrial como por
ejemplo MAP, hace que las necesidades de mantenimiento de la red
sean menores, de modo que la confiabilidad del sistema a largo
plazo aumenta. Además, los buses de campo permiten a los
operadores monitorizar todos los dispositivos que integran el
sistema e interpretar fácilmente las interacciones entre
ellos. De esta forma, la detección de las fuentes de
problemas en la planta y su corrección resulta mucho
más sencilla, reduciendo los costes de mantenimiento y el
tiempo de parada de la planta. Los buses de campo ofrecen mayor
flexibilidad al usuario en el diseño del sistema. Algunos
algoritmos y procedimientos de control que con sistemas de
comunicación tradicionales debían incluirse en los
propios algoritmos de control, radican ahora en los propios
dispositivos de campo, simplificando el sistema de control y sus
posibles ampliaciones.

También hay que tener en cuenta que las
prestaciones del sistema mejoran con el uso de la
tecnología de los buses de campo debido a la
simplificación en la forma de obtener información
de la planta desde los distintos sensores. Las mediciones de los
distintos elementos de la red están disponibles para todos
los demás dispositivos. La simplificación en la
obtención de datos permitirá el diseño de
sistemas de control más eficientes. Con la
tecnología de los buses de campo, se permite la
comunicación bidireccional entre los dispositivos de campo
y los sistemas de control, pero también entre los propios
dispositivos de campo. Otra ventaja de los buses de campo es que
sólo incluyen 4 capas (Física, Enlace,
Aplicación y Usuario), y un conjunto de servicios de
administración. El usuario no tiene que preocuparse de las
capas de enlace o de aplicación. Sólo necesita
saber cual es funcionalidad. Al usuario sólo se le exige
tener un conocimiento mínimo de los servicios de
administración de la red, ya que parte de la
información generada por dichos servicios puede ser
necesaria para la reparación de averías en el
sistema. De hecho, prácticamente, el usuario sólo
debe preocuparse de la capa física y la capa de
usuario.

Comunicación en el Bus

Los métodos utilizados en los buses de campo para
actualizar los datos de proceso o entrada/salida son:

• Strobe:

Petición de información por
parte del maestro (dispositivote control) y envío desde
los dispositivos esclavos ( sensore – actudores ).
Este método es muy eficientes para sensores.

• Polling:

El maestro envía información de salida al
dispositivo y éste le responde con la información
de entradas.

• Cambio de
estado:

El dispositivo no transmite
información hasta que se modifica el estado de las
variables.

Muy eficiente en sistemas discretos.

•
Cíclico:

El dispositivo envía la
información a la red en un intervalo de tiempo
prefijado

Además el bus de campo debe incorporar los
servicios de comunicación necesarios para los procesos de
configuración, programación y test del
bus.

Buses de campo existentes:

Debido a la falta de estándares, diferentes
empresas han desarrollado diferentes soluciones, cada una de
ellas con diferentes prestaciones y campos de aplicación.
En una primera clasificación podríamos dividirlos
en los siguientes grupos:

1_ Buses de alta velocidad y baja
funcionalidad

Diseñados para integrar dispositivos simples como
finales de carrera, fotocélulas, relés y actuadores
simples, funcionando en aplicaciones de tiempo real, y agrupados
en una pequeña zona de la planta, típicamente una
máquina. Suelen especificar las capas física y de
enlace del modelo OSI, es decir, señales físicas y
patrones de bits de las tramas. Algunos ejemplos son:

• CAN: Diseñado originalmente
para su aplicación en vehículos.

• SDS: Bus para la integración
de sensores y actuadores, basado en CAN

• ASI: Bus serie diseñado por
Siemens para la integración de sensores y
actuadores.

2_Buses de alta velocidad y funcionalidad
media

Se basan en el diseño de una capa de enlace para
el envío eficiente de bloques de datos de tamaño
medio. Estos mensajes permiten que el dispositivo tenga mayor
funcionalidad de modo que permite incluir aspectos como la
configuración, calibración o programación
del dispositivo. Son buses capaces de controlar dispositivos de
campo complejos, de forma eficiente y a bajo coste. Normalmente
incluyen la especificación completa de la capa de
aplicación, lo que significa que se dispone de funciones
utilizables desde programas basados en PCs para acceder, cambiar
y controlar los diversos dispositivos que constituyen el sistema.
Algunos incluyen funciones estándar para distintos tipos
de dispositivos (perfiles) que facilitan la interoperbilidad de
dispositivos de distintos fabricantes. Algunos ejemplos
son:

• DeviceNet: Desarrollado por
Allen-Bradley, utiliza como base el bus CAN, e incorpora una capa
de aplicación orientada a objetos.

• LONWorks Red desarrollada por
Echelon.

• BitBus: Red desarrollada por
INTEL.

• DIN MessBus: Estándar
alemán de bus de instrumentación, basado en
comunicación RS-232.

• InterBus-S: Bus de campo
alemán de uso común en aplicaciones
medias.

3_ Buses de altas prestaciones

Son capaces de soportar comunicaciones a nivel de toda
la factoría, en muy diversos tipos de aplicaciones. Aunque
se basan en buses de alta velocidad, algunos presentan problemas
debido a la sobrecarga necesaria para alcanzar las
características funcionales y de seguridad que se les
exigen. La capa de aplicación oferta un gran número
de servicios a la capa de usuario, habitualmente un subconjunto
del estándar MMS. Entre sus características
incluyen:

• Redes multi-maestro con
redundancia.

• Comunicación maestro-esclavo
según el esquema pregunta-respuesta.

• Recuperación de datos desde
el esclavo con un límite máximo de
tiempo

• Capacidad de direccionamiento
unicast, multicast y broadcast.

• Petición de servicios a los
esclavos basada en eventos.

• Comunicación de variables y
bloques de datos orientada a objetos.

• Descarga y ejecución remota
de programas.

• Altos niveles de seguridad de la
red, opcionalmente con procedimientos de
autentificación.

• Conjunto completo de funciones de
administración de la red.

Algunos ejemplos son:

• Profibus

• FIP

• Fieldbus Foundation

4_ Buses para áreas de seguridad
intrínseca

Incluyen modificaciones en la capa física para
cumplir con los requisitos específicos de seguridad
intrínseca en ambientes con atmósferas explosivas.
La seguridad intrínseca es un tipo de protección
por la que el aparato en cuestión no tienen posibilidad de
provocauna explosión en la atmósfera circundante.
Un circuito eléctrico o una parte de un circuito tienen
seguridad intrínseca, cuando alguna chispa o efecto
térmico en este circuito producidos en las condiciones de
prueba establecidas por un estándar (dentro del cual
figuran las condiciones de operación normal y de fallo
específicas) no puede ocasionar una ignición.
Algunos ejemplos son HART, Profibus PA o FIP.

Ejemplos de
estudio

5.1 Redes MAP Y TOP

Para competir con las compañías japonesas
fabricantes de automóviles, la General Motors
quería establecer una red que cubriera todas sus oficinas,
fábricas, distribuidores y proveedores. La idea central
era que, cuando un cliente, localizado en cualquier parte del
mundo, ordenara un coche al distribuidor, éste le enviara
inmediatamente su orden mediante su ordenador conectado a la
General Motors. A continuación la compañía
notificaría sus necesidades a sus proveedores. Una parte
importante de la red de General Motors fue la
automatización de la fábrica, en la que todos los
robots utilizados en las líneas de ensamblado se
conectarían por medio de una LAN. Dado que los coches
montados sobre la línea de ensamblado se mueven a una
velocidad constante, independientemente de si los robots
están listos o no, se determinó que era fundamental
tener un límite superior del tiempo de transmisión
en el peor caso. Ethernet no dispone de dicha
característica, es más un mensaje podría no
llegar a enviarse nunca. Se optó por un mecanismo de paso
de testigo en bus (IEEE

802.4) en el que las máquinas van
pasándose el turno, produciendo así un
comportamiento determinista. General Motors y otras
compañías con interés en la
automatización de fábricas, vieron claramente la
necesidad de adoptar protocolos específicos en cada una de
las capas OSI para evitar incompatibilidades posteriores. Este
trabajo dio origen al Protocolo de Fabricación
Automatizada (MAP), el cual fue inicialmente adoptado con rapidez
por varias compañías. Aproximadamente por la misma
época, la compañía Boeing se interesó
en el establecimiento de normas para la automatización de
oficinas. Prefirió usar como base la red local Ethernet ya
que no le preocupaba un funcionamiento determinista de la misma
(los aviones no se fabrican en cadenas de montaje), y Ethernet
estaba muy extendida. Sobre esta red local, Boeing
desarrolló un conjunto de protocolos orientados a la
automatización de oficinas llamado TOP (Protocolo
Técnico y de Oficina), que varias compañías
también adoptaron para la automatización de sus
propias oficinas. Los protocolos son TOP son muy similares a los
de redes de oficinas convencionales. Aunque MAP y TOP presentan
diferencias en sus capas inferiores, sus impulsores decidieron
colaborar para asegurar que las capas de nivel medio y superior
fueran totalmente compatibles. Las torres de protocolos de las
redes MAP y TOP siguen capa a capa el modelo OSI. La principal
diferencia entre ambas redes está en el medio
físico y en el control de acceso al medio. Mientras las
redes MAP sólo contemplan el uso de paso de testigo en bus
de acuerdo con el standard IEEE 802.4, paso de testigo en bus
(Token Bus), la red TOP permite tanto el uso de Ethernet (o IEEE
802.3), como de paso de testigo en anillo, Token Ring (IEEE
802.5). El resto de protocolos son

coincidentes. Para la capa de enlace, ambas redes se
basan en el protocolo 802.2 (LLC) de control lógico de
enlace, operando en el modo sin conexión como un servicio
ofrecido a la capa de red. La capa de red utiliza el protocolo
ISO 8473, que es muy parecido al protocolo IP. La razón de
esta elección es porque con el conocimiento que se
tenía sobre la interconexión de redes en ARPA (el
origen de Internet), se demostró que el planteamiento
datagrama es más flexible y robusto cuando se conectan
redes heterogéneas múltiples, que es un aspecto
importante para las redes MAP y TOP. La capa de transporte se
basa en el protocolo ISO 8073. Se supone que la capa de red no es
del todo fiable y gestiona el control de error y de flujo. De
esta forma MAP y TOP han podido conectarse a casi cualquier tipo
de red, sin importar las deficiencias de éstas. El precio
que se paga es la necesidad de tener una capa de transporte
complicada para ocuparse del servicio no fiable de la red. Las
capas de sesión y presentación utilizan los
protocolos ISO 8327 e ISO 8823 respectivamente. Las normas OSI
también se utilizan en la capa de aplicación,
particularmente el protocolo de transferencia de archivos y el de
terminal virtual. En la figura 9 puede verse la pila de
protocolos de las redes MAP

Fig 9 Capa de aplicación
protocolo MAP

El protocolo MMPS, especialmente diseñado para
aplicaciones industriales, establece un servicio de mensajes
entre controladores industriales para realizar las siguientes
funciones:

• Acceso a variables

• Manejo de eventos

• Control de ejecución de los
programas

• Comunicación con el
operario

• Paso de ficheros

• Manejo de recursos
comunes

• Acceso al estado de aparatos
remotos

• Carga de programas

• Grabación histórica de
eventos

En una red MAP, en teoría, todos los nodos llevan
implantadas las 7 capas del modelo de referencia OSI.

El grado de complejidad que esto supone y el tiempo
necesario para el intercambio de unidades de protocolo de cada
capa, ha provocado la aparición de una opción
más sencilla, que será estudiada en la
sección 5.2.

MAP no cubre el nivel de bus de campo(estación y
proceso), lo considera un nivel inferior que se integra en la red
mediante dispositivos inteligentes (PLCs, PCs,…).Estos
dispositivos dispondrán de una conexión de enlace
con MAP directamente o a través de otro dispositivo. El
MAP es un protocolo pensado para redes de tipo WAN incluye los
niveles de red, transporte, sesión y presentación.
Esto le permite el fraccionamiento de paquetes y el
encaminamiento de los mismos a través de redes
públicas o privadas. Lo que resulta excesivamente costoso
y complejo para pequeñas y medianas aplicaciones, sobre
todo para la interconexión de pequeños
controladores a nivel industrial.

Basada en un bus con transmisión de banda ancha
multicanal, que permite interconectar los sistemas de control de
planta con las aplicaciones de gestión, oficina, CAD,
ordenadores de planta, canales de datos, voz, imágenes, ya
sean estos locales o remotos.

Características de la red MAP
destacables:

• Todas las señales se
transmiten moduladas en frecuencia

• Ancho de banda de 6 MHZ

• Número de nodos 10000 y
distancia entre ellos 10km

5.2 Redes MINIMAP

Es el caso de MINI-MAP, que para agilizar
las comunicaciones prescinde de las capas 3 a la 6, como puede
verse en la figura 10.

También se modificaron las capas
física y de enlace. En la capa física se prescinde
del sistema de transmisión en banda ancha sobre cable
coaxial y se pasa a una transmisión en banda portadora,
también sobre coaxial, que abarata enormemente el sistema
de cableado y sobre todo el interfaz de red que precisa cada
dispositivo. Esto permite que pueda ser empleado con elementos de
control en tiempo real de bajo coste. En la capa de enlace, en el
LLC (control lógico de enlace) se sustituye la norma IEEE
802.2 de tipo 1 por la IEEE 802.2 de tipo 3. Esta última
proporciona los servicios de Envío

Fig. 10

Capa de protolos

MINIMAP

de datos con acuse de recibo y de Petición de
datos con respuesta. Esto obliga a una interoperabilidad entre el
LLC y el MAC (mecanismo de detección y corrección
de coliciones), teniendo este último que incorporar
la opción de prioridad de respuesta
inmediata. Es decir, la estación que transmite cede (junto
con el mensaje que envía) el testigo a la receptora para
que esta acuse recibo o responda a la petición de datos de
forma inmediata. Esto lógicamente permite minimizar los
tiempos de respuesta con el fin de ofrecer un buen servicio en
tiempo real.

La capa de aplicación incorpora los mismos
servicios MMS que MAP, lo que permite que esta capa se pueda
comunicar con una homóloga en una red MAP a través
de una pasarela que incorpore las capas que le faltan a
MINI-MAP.

La falta de la capa de red impide que haya
comunicación extremo a extremo entre nodos que se
encuentran en segmentos separados por encaminadores (routers).
Esto no plantea ningún inconveniente puesto que elementos
que han de trabajar en tiempo real deben conectarse al mismo bus,
para evitar las demoras que introducirían los elementos
intermedios. Por otro lado, las funciones de la desaparecida capa
de transporte son asumidas por el LLC tipo 3 y el mapeado de las
funciones entre el LLC y el MMS.

Topología y estructura
lógica

MINIMAP dispona de una topología de bus con un
máximo de 64 nodos, pero desde el punto de vista
lógico funciona como un anillo. La codificación se
realiza por modulación de frecuencia en banda base y la
transmisión de tipo síncrono. Cada estación
tiene asignada una dirección única e independiente
de su situación física, formada por un
número de red (0 a

127) más un número de estación (0 a
62). El número de red 0 es para arquitecturas monosegmento
y de 1 a 127 para multisegmento (varias MINIMAP integradas en una
red

MAP)

Al inicializar la red, el testigo se le asigna a la
dirección de la estación más alta y el paso
de testigo se realiza por orden decreciente de direcciones.
Cuando un nodo recibe testigo transmite y pasa el testigo, si no
tiene mensajes que transmitir pasa el testigo. El tiempo de
posesión del testigo limitado a
800&µs.

Protocolo

La figura 11 muestra la estructura de una
trama MINIMAP

Fig. 11 Estructura de una trama
MINIMAP

Partes Constitutivas:

• Preámbulo 2 bytes: 55
Hex secuencia de 0 y 1 que se utiliza para la
sincronización y permite localizar el primer bit
útil.

• Inicio trama: carácter
especial que depende de la codificación
empleada

• Tipo de Trama 1 byte: MAC (Control de
acceso al medio) y LLC (control lógico de
enlace)

• Direcciones destino/origen MAC: 6 bytes
indican tipo de mensaje (punto a punto o difundido), los nodos de
destino u origen, el número de red y el tipo de servicio
(palabras comunes, memoria compartida,….)

• Datos/control LLC: Contiene la
códigos de registros o áreas de memoria de origen y
destino, así como el código de control LLC, que son
ya propios de los equipos de origen y destino del
mensaje.

• CRC: 4 bytes para control de
errores

• Fin de trama: al menos un bit de error y
un bit que marca si es el final de mensaje o se ha interrumpido
por límite de tiempo en la posesión del
testigo.

Como el acceso a la red es por paso de
testigo y este se ejecuta por orden de mayor dirección a
menor, en caso de perdida de testigo o arraque de la red una
estación no conoce la dirección de la
estación que le precede o le sigue. Para esto existen
procedimientos de inicialización y reinicialización
los que permiten crear un tabla con esta información en
cada estación.

Los procedimientos de inicialización
y reinicialización se ejecutarán en los siguientes
casos:

• Arranque del sistema

• Eliminación de estaciones en
la red

• Pérdida del testigo por
error

• Periódicamente para detectar
la inserción de nuevas estaciones

El formato de la pila de protocolos de la
capa de aplicación es muy similar al del MAP

solo que aquí al MMPS se lo denomina
MMS y desempeña las mismas tareas que el
anterior.

5.3 Ethernet Industrial

El protocolo Industrial Ethernet, es una solución
abierta estándar para la interconexión de redes
industriales que aprovecha los medios físicos y los chips
de comunicaciones Ethernet comerciales. Si se tiene en cuenta que
la tecnología Ethernet se utiliza desde mediados de los
años setenta y su gran aceptación en el mundo, no
es de extrañar que Ethernet brinde la mayor comunidad de
proveedores del mundo. Al utilizar Ethernet, no solo se sigue con
una tendencia tecnológica actual, sino que.
mademás, se posibilita obtener acceso a datos en el nivel
de los dispositivos de control mediante Internet.

• Ethernet Industrial es una red
abierta que utiliza:

• El estándar de
comunicación física y de datos IEEE
802.3

• El conjunto de protocolos
TCP/IP

• El protocolo de control e
información (CIP)

TCP/IP es el protozoo de nivel de transporte y red de
internet y suele estar vinculado con la instalaciones Ethernet y
el mundo de los negocios. TCP/IP proporciona una serie de
servicios que puede utilizar cualquier pareja de dispositivos
para compartir datos. Dado que la tecnología Ethernet y
los conjunto de protocolos estándar como TCP/IP han sido
proporcionados para uso público, se han producido en forma
masiva y pueden conseguirse fácilmente medios
físicos y herramientas de software estandarizadas, con lo
que puede tenerse las ventajas de una tecnología conocida
y una gran facilidad de acceso.

El UDP/IP protocolo de datagrama de usuario)
también se utiliza junto con la red Ethernet. Este
protocolo proporciona un transporte de datos rápido y
eficiente, caracteristicas necesarias para el intercambio de
información en tiempo real.

Para que Ethernet industrial tenga
éxito se ha agregado el protocolo CIP al
conjunto

TCP/UDP/IP con el fin de proporcionar un
nivel de aplicaciones común .

Con la introducción de la tecnología de
conmutación de Ethernet (swich) y la transmición de
datos full-Duplex, se minimizan las colisiones de datos y el
rendimiento en la red aumenta drásticamente.

Por lo general, una red EtherNet utiliza una
topología estrella activa en la que los grupos de
dispositivos están conectados punto a punto con un
conmutador. La ventaja de una topología tipo estrella
radica en la compatibilidad con los productos de 10 y 100 Mbps.
Puede combinar dispositivos de 10 y 100 Mbps. Y el conmutador
EtherNet negociará la velocidad. Asimismo, la
topología estrella le ofrece conexiones fáciles de
cablear o de depurar, o en las que resulta fácil detectar
fallos o llevar a cabo tareas de mantenimiento.

Ethernet Industrial permite cubrir grandes distancias,
ta sea a nivel de una LAN: con tecnología de Switching
hasta 200 km. O bien extendiéndose a una WAN, en todo el
mundo, mediante protocolo TCP/IP.

La tabla 2 muestra una resumen de las
características técnicas de Ethernet
Industrial.

Tabla 2

Los dos protocolos mas usados son ISO, según
normas ISO 8073, y este está optimisado para la
transferencia de variables para servicios y observación en
tiempo real. Bajo este protocolo resulta difícil de
realizar encaminamiento (routing) a través de distintas
redes por este motivo se utiliza solo en el ámbito de
LAN´s.

El otro protocolo utilizado ese muy conocido TCP/IP ,
optimizado para la transferencia de grandes cantidades de datos,
y este caso si es mas fácil y económico el ruteo
entre distintas redes, se utilizan en redes LAN estructuradas y
en WAN. Esto permite el uso de tecnológicas de
información IT, como SNMP (protocolo de
administración de redes), http (protocolo de transferencia
hipertexto), servicios WEB, etc

Ethernet Industrial ha sido diseñada para
gestionar grandes cantidades de datos de transmisión de
mensajes , hasta 1500 bytes por paquete. Permite la
gestión de grandes volúmenes de datos en modo
previsible. Gracias a la gran aceptación de la
tecnología EtherNet en los últimos años, el
costo por nodo de dispositivos Ethernet está disminuyendo
rápidamente .

5.4 PROFIBUS

En el año 1987, las firmas alemanas Bosch,
Klöckner Möeller y Siemens iniciaron un proyecto de
desarrollo de una arquitectura de comunicaciones industriales que
permitiera la interconexión de equipos de distintos
fabricantes. Esta fue la base de un grupo de trabajo al que se
integraron otras grandes empresas tales como ABB, AEG,
Landis&Gir, etc., algunas universidades y
organizaciones técnicas estatales, entre ellas la propia
VDE y el Ministerio Federal de Investigación
Alemán. Se formaron varios grupos de trabajo en distintas
áreas, cuya tarea esencial fue la de desarrollar un
sistema abierto de comunicaciones apto para integrar desde los
sencillos transductores y elementos de campo, pasando por los
autómatas y controles numéricos hasta llegar al
nivel de los miniordenadores para diseño y gestión
de la producción. El primer objetivo fue sólo el
diseño de un bus de campo con una estructura abierta y un
protocolo compatible que permitiera enlazar con una red adoptada
como base en los niveles superiores (MAP). A partir del
año 1990 se abrió la posibilidad para cualquier
usuario o empresa de integrarse en un consorcio denominado
PROFIBUS Nutzerorganisation, que a través de diversos
comités sigue desarrollando y dando soporte al nivel de
aplicación y certificación de productos. PROFIBUS
es actualmente el líder de los sistemas basados en buses
de campo en Europa y goza de una aceptación mundial. Sus
áreas de aplicación incluyen
manufacturación, automatización y generación
de procesos. PROFIBUS es un bus de campo normalizado
internacional que fue estandarizado bajo la norma EN 50 170. Esto
asegura una protección óptima tanto a los clientes
como a los vendedores y asegura la independencia de estos
últimos. Hoy en día, todos los fabricantes
líderes de tecnología de automatización
ofrecen interfaces PROFIBUS para sus dispositivos.

5.4.1 Versiones Compatibles

PROFIBUS es un bus de campo standard que soporta un
amplio rango de aplicaciones en fabricación, procesado y
automatización. Con PROFIBUS los componentes de distintos
fabricantes pueden comunicarse sin necesidad de ajustes
especiales de interfaces.. Puede ser usado para
transmisión crítica en el tiempo de datos a alta
velocidad y para tareas de comunicación extensas y
complejas. Esta versatilidad viene dada por las tres versiones
compatibles que componen la familia PROFIBUS (Figura
12):

PROFIBUS PA:

• Diseñado para
automatización de procesos.

• Permite la conexión de
sensores y actuadores a una línea de bus común
incluso en áreas especialmente protegidas.

• Permite la comunicación de
datos y energía en el bus mediante el uso de 2
tecnologías (norma IEC 1158-2).

PROFIBUS DP:

• Optimizado para alta
velocidad.

• Conexiones sencillas y
baratas.

• Diseñada especialmente para
la comunicación entre los sistemas de control de
automatismos y las entradas/salidas distribuidas.

PROFIBUS FMS:

• Solución general para tareas
de comunicación a nivel de célula.

• Gran rango de aplicaciones y
flexibilidad.

• Posibilidad de uso en tareas de
comunicación complejas y extensas.

Figura 12

Versiones compatibles de
PROFIBUS

Puede decirse sin lugar a dudas que PROFIBUS ha
conseguido definir toda una red de comunicación
industrial, desde el nivel físico hasta el de
aplicación, superando ampliamente los límites de un
bus de campo, integrando al máximo las técnicas de
comunicación previamente definidas y consolidadas En la
actualidad la estructura es tal que los grupos de los 20
países más industrializados ofrecen un soporte en
su idioma para el resto del mundo. Todos los grupos de usuarios
se unen bajo la Organización PROFIBUS International (PI),
que con más de 750 miembros es la organización de
buses de campo más grande del mundo.

5.4.2 Estructura de la
red

Medio físico

La tecnología de transmisión más
usada es la RS 485,conocida habitualmente como H2. Su área
de aplicación comprende aquellas aplicaciones donde prima
su simplicidad, la velocidad de transmisión y lo barato de
la instalación. Se usa un par diferencial con cable
trenzado, previsto para comunicación semi-duplex, aunque
también puede implementarse con fibra óptica y
enlaces con estaciones remotas vía módem o
vía radio. La velocidad de transmisión varía
entre 9.6Kbits/s y 12Mbits/s, dependiendo del medio
físico, como se indica en la tabla 3.

Al conectar varias estaciones, hay que comprobar que el
cable de las líneas de datos no sea trenzado. El uso de
líneas apantalladas es absolutamente esencial para el
logro de una alta inmunidad del sistema en ambientes con
emisiones altas de electromagnetismo. El apantallamiento se usa
para mejorar la compatibilidad electromagnética
(CEM).

Tabla 3. Distancias máximas
sin repetidor, según medio
físico

Elementos del bus

El elemento esencial del bus es el nodo. PROFIBUS
prevé la existencia de dos tipos de nodos:

• 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, por tanto, no tienen capacidad
para controlar el bus. Estos nodos pueden dialogar con los nodos
activos mediante un simple mecanismo de pregunta-respuesta, pero
no pueden dialogar directamente entre sí. Aparte de estos
dos tipos de nodos, existen otros dos bloques esenciales en la
arquitectura del bus:

• Expansiones E/S: este tipo de bloques
constituyen la interfaz con las señales de proceso y
pueden estar integrados tanto en un nodo activo como en un nodo
pasivo.

• Repetidores: los repetidores ejecutan el
papel de simples transceptores bidireccionables para regenerar la
señal.

Topología

La topología puede ser simplemente
en forma de bus lineal o en forma de árbol, en el que los
repetidores constituyen el nudo de partida de una
expansión del bus (Figura 13).

Fig. 13 Estructura física
incluyendo repetidores para expansión del bus

En este caso, la estructura en árbol es puramente
una impresión de dibujo, ya que el PROFIBUS admite una
estructura lógica de maestro flotante y una
estación activa, ejerciendo el papel de maestro, que puede
estar físicamente conectada a lo que se pudiera considerar
una expansión del bus. Por tanto, incluso en caso de
ramificaciones debe considerarse como un bus único. El
número máximo de nodos conectables a cada tramo del
bus, sin necesidad de repetidores es de 32. A efectos de esta
limitación los propios repetidores cuentan como un nodo.
El número máximo de nodos del bus es de 127, de los
cuales un máximo de 32 pueden ser nodos activos. No existe
ninguna limitación en cuanto a poder configurar una
estructura con buses anidados (un esclavo puede ser, a su vez,
maestro de otro bus de nivel inferior), aunque deben considerarse
como buses independientes, dado que el protocolo no permite
direccionar desde arriba las estaciones de niveles
inferiores.

Estructura lógica

La estructura lógica es de tipo híbrido:
las estaciones activas comparten una estructura de maestro
flotante, relevándose en el papel de maestro mediante paso
de testigo. Las estaciones pasivas sólo pueden ejercer el
papel de esclavos, sea cual sea el maestro activo en cada
momento. La Figura 14 ilustra esta estructura.

Fig. 14 Estructura
lógica

Naturalmente esta estructura admite la posibilidad de
que exista un solo nodo activo en el bus, con lo que se
convertiría en un bus con una estructura del tipo
maestro-esclavo. Cabe señalar que cuando una
estación activa posee el testigo, considera a todas las
demás como esclavos, incluyendo también al resto de
estaciones activas que no poseen el testigo en aquel
momento.

5.4.3 Tecnología de
transmisión

El área de aplicación de un sistema de
buses de campo está claramente determinada por la
elección de la tecnología de transmisión.
Aparte de los requerimientos generales (seguridad de
transmisión, distancia de la misma, velocidad) cobran
particular importancia los factores electromecánicos.
Cuando se mezclan aplicaciones para automatización de
procesos, los datos y la energía deben ser transmitidos en
un cable común. Como es imposible satisfacer todos los
requerimientos con una tecnología de transmisión
sencilla, PROFIBUS aprovecha 3 variaciones:

RS 485 (Transmisión para
DP/FMS)

Es la transmisión más frecuentemente
utilizada por PROFIBUS. Esta tecnología de
transmisión es conocida como H2. Su área de
aplicación incluye todas las áreas en las que se
requieren alta velocidad de transmisión y una
instalación sencilla. Tiene la ventaja de que posibles
ampliaciones no influyen en las estaciones que se encuentran ya
en operación.

Algunas de sus características
son:

• Velocidad de transmisión de
9.6 Kbit/seg. a 12 Mbit/seg. Se seleccionará una para
todos los dispositivos.

• La estructura de la red es linear,
con par trenzado.

• Conexión máxima de 32
estaciones sin repetidor (127 con repetidor).

• Longitud máxima del cable
dependiente de la velocidad de transmisión.

Tabla 4. Distancias basadas en la
velocidad de transmisión

En la conexión, es conveniente tener en cuenta
algunas precauciones, de las que son destacables:

• Se recomienda el uso de
líneas de datos escudadas para mejorar la compatibilidad
electromagnética (EMC).

• Se recomienda mantener las
líneas de datos separadas de los cables de alto
voltaje.

IEC 1158-2 (Transmisión PROFIBUS
PA)

La tecnología de transmisión IEC 1158-2
cumple los requerimientos de las industrias químicas y
petroquímicas.

Posee una seguridad intrínseca y permite a los
dispositivos de campo ser conectados al bus. Es una
tecnología principalmente usada por PROFIBUS PA y suele
conocerse como H1.

• La transmisión se basa en los
siguientes principios:

• Cada segmento tiene sólo una
fuente de energía.

• No se produce ningún tipo de
alimentación cuando una estación está
enviando datos.

• Los dispositivos actúan como
sumideros pasivos de corriente.

• Se permiten redes con estructura
linear, en árbol y estrella.

• Para incrementar la fiabilidad, se
pueden diseñar segmentos de bus redundantes. Las
características más importantes de este tipo de
transmisión son:

• Transmisión de datos digital,
asíncrona, codificación Manchester.

• Velocidad de transmisión
31.25 kbit/seg.

• Seguridad de los datos: prueba de
error al principio y al final.

• Cable de dos líneas
trenzadas.

• Opción de alimentación
a distancia.

• Conexión de 32 estaciones por
segmento (máximo de 126 con repetidor).

• Posibilidad de expansión
hasta a 4 repetidores.

• La estructura de la red es linear,
en árbol o una combinación de ambas.

FIBRA ÓPTICA.

Los conductores por fibra óptica pueden ser
usados para aplicaciones PROFIBUS en ambientes con interferencias
electromagnéticas muy altas y para incrementar la
distancia máxima con velocidades elevadas. Hay disponibles
dos tipos de conductores. Los conductores por fibra óptica
(plástico) para distancias de 50m. o los conductores por
fibra óptica (cuarzo) para distancias de 1Km. Son muy
baratos. Muchos fabricantes ofrecen conexiones especiales
que posibilitan una conversión integrada de
señales RS 485 para trabajar con conductores de fibra
óptica y viceversa. Esto proporciona un método muy
sencillo de intercambio entre transmisión RS 485 y
transmisión por fi bra óptica en un mismo
sistema

5.5 AS-I: AKTUATOR SENSOR
INTERFACE

AS-i es un bus de campo desarrollado inicialmente por
Siemens, para la interconexión de actuadores y sensores
binarios. Actualmente está recogido por el estándar
IEC TG 17B.

A nivel físico, la red puede adoptar cualquier
tipo de topología: estructura en bus, en árbol, en
estrella o en anillo, como muestra la figura 15. Permite la
interconexión de un máximo de

31 esclavos. La longitud máxima de
cada segmento es de 100 metros. Dispone de repetidores que
permiten la unión de hasta tres segmentos, y de puentes
hacia redes Profibus.

Fig. 15

Arquitecturas AS-I

Como medio físico de transmisión, emplea
un único cable que permite tanto la transmisión de
datos como la alimentación de los dispositivos conectados
a la red. Su diseño evita errores de polaridad al conectar
nuevos dispositivos a la red. La incorporación o
eliminación de elementos de la red no requiere la
modificación del cable.

El cable consta de dos hilos sin apantallamiento. Para
lograr inmunidad al ruido, la transmisión se hace
basándose en una codificación Manchester. La
señal con la codificación Manchester se traduce en
pulsos de corriente, que producen pulsos positivos y negativos en
la tensión de alimentación, que indican las
transiciones en la señal. A partir de la detección
de dichas transiciones se reconstruye la secuencia de bits
transmitida, como muestra la figura 16.

Fig. 16 Codificación de la
información en el bus AS-i

Cada esclavo dispone de hasta 4 entradas/salidas, lo que
hace que la red pueda controlar hasta 124 E/S digitales. La
comunicación sigue un esquema maestro -esclavo, en la cual
el maestro interroga a las estaciones enviándoles mensajes
(llamados telegramas) de 14 bits y el esclavo responde con un
mensaje de 7 bits. La duración de cada ciclo pregunta-
respuesta es de 150 &µs. En cada ciclo de
comunicación se deben consultar todos los esclavos,
añadiendo dos ciclos extras para operaciones de
administración del bus (detección de fallos). El
resultado es un tiempo de ciclo máximo de 5ms. Como
muestra la figura 17

Fig. 17 Comunicación
maestro -esclavo

Los telegramas tienen un formato sencillo,
como muestra la figura 18

St: bit de start. 0 indica comienzo de la
trama.

SB: Tipo de telegrama. 0 indica trama de
datos y 1 indica trama de comandos

A0…A4: Dirección del esclavo
I0…I4: Información

PB: Bit de paridad EB: Bit de
fin

El esclavo responde con un telegrama de 7
bits de la forma:

St: bit de start. 0 indica comienzo de la
trama. I0…I3: Información

PB: Bit de paridad

EB: Bit de fin

Fig. 18

Formatos de los telegramas AS-I

5.6 INTERBUS

INTERBUS es un bus de campo para la interconexión
de sensores y actuadores. Las partes claves de INTERBUS han sido
estandarizadas en Alemania por la DKE (Deutsche Elektrotechnische
Kommission para DIN y VDE).

INTERBUS se basa en un esquema maestro-esclavo, El
maestro del bus actúa simultáneamente como interfaz
con los niveles superiores de la jerarquía de
comunicaciones. La topología es de anillo, es decir, todos
los dispositivos están conectados formando un camino
cerrado. El anillo principal es el que parte del maestro, aunque
pueden formarse otros anillos para adaptarse a la estructura
particular de cada sistema. Este tipo de conexiones se lleva a
cabo mediante unos equipos denominados módulos
terminadores de bus.

Un rasgo distintivo de INTERBUS es que las líneas
de envío y recepción de datos están
contenidas dentro de un mismo cable que une todos los
dispositivos. De esta forma, el sistema

tiene el aspecto físico de un bus o un
árbol. Típicamente, la capa física se basa
en el estándar RS-485. Debido a la estructura de anillo y
a que es necesario transportar la masa de las señales
lógicas, INTERBUS requiere un cable de cinco hilos para
interconectar dos estaciones. Con velocidades de
transmisión de 500 Kbits, pueden alcanzarse distancias de
hasta 400 m entre dispositivos. Cada dispositivo incorpora una
función de repetidor que permite extender el sistema hasta
una longitud total de 13 Km. Para facilitar el funcionamiento de
INTERBUS, el número máximo de estaciones
está limitado a 512.

La estructura punto a punto de INTERBUS y su
división en anillo principal y subanillos es ideal para la
incorporación de distintos medios de transmisión en
distintas zonas de la planta si esto fuese necesario. La
estructura de anillo ofrece dos ventajas. La primera es que
permite el envío y recepción simultánea de
datos (full duplex). En segundo lugar, la capacidad de
autodiagnóstico del sistema se ve mejorada, ya que la
conexión de cada nodo a la red es activa. INTERBUS permite
la detección preventiva de errores por medio de una
evaluación estadística de la calidad de las
transmisiones. La determinación de la frecuencia de los
errores de transmisión permite prever la aparición
de fallo en un componente de la red.

Para facilitar la detección de errores y la
puesta en marcha del sistema, INTERBUS permite la
desconexión transparente de los subanillos conectados al
anillo principal. El direccionamiento se basa en la
posición física de cada sistema dentro del anillo,
aunque opcionalmente se dispone de la posibilidad del empleo de
direcciones lógicas para acceder a dispositivos
individuales independientemente de su posición.

Fig.18

Estructura de conexionado
Interbus

y formato de ciclos de

scan e identificación

El protocolo de transmisión de
INTERBUS se estructura en tres capas que se corresponden con
capas del modelo OSI. La capa 1 es la capa física.
Especifica aspectos

como la velocidad, modos de codificación de la
señal física, etc. La capa 2 se corresponde con la
capa de enlace. Garantiza la integridad de los datos y permite el
soporte de dos tipos de datos, por una parte los datos
correspondientes a procesos cíclicos, y por otra parte
datos que aparecen asíncronamente. La capa de enlace es
determinista, es decir, garantiza un tiempo máximo para el
transporte de datos entre dispositivos. El control de acceso al
medio se encuadra dentro de los mecanismo TDMA (Time Division
Multiple Access), eliminando así la posibilidad de
colisiones. Cada dispositivo tiene reservado un slot de tiempo
adecuado para su función dentro del sistema. El tiempo de
ciclo es la suma de los tiempos asignados a cada dispositivo.
Pueden definirse slots adicionales para la transmisión de
bloques de datos en modo conexión. De esta forma pueden
enviarse grandes bloques de datos a través de INTERBUS,
sin alterar el tiempo de ciclo para los datos de proceso. Otra
ventaja importante que incorpora este tipo de control de acceso
al medio, es que todos los elementos insertan sus datos en el bus
simultáneamente, lo que garantiza que las mediciones en
las que se basan los bucles de control, fueron realizadas
simultáneamente.

Este mecanismo también reduce la sobrecarga con
información correspondiente al protocolo, con lo que la
eficiencia que se alcanza es alta.