Comunicaciones Industriales

Revista Colombiana de Tecnologías de Avanzada

ISSN: 1692-7257

THE PLC AND INDUSTRIAL COMMUNICATIONS

EL PLC Y LAS COMUNICACIONES INDUSTRIALES

Jeison Gabriel Martinez Bustos. Luis Alejandro Torres Sarmiento.

Universidad de PamplonaComité Editorial Revista Colombiana de Tecnologías de AvanzadaCiudadela Universitaria. Pamplona, Norte de Santander, Colombia.

Tel.: 57-7-5685303, Fax: 57-7-5685303, Ext. 144E-mail: {jei_sum41, alejo87torres}@hotmail.com

Abstract: The article is made based on the different types of communications that are in the industry and implemented at each level of the pyramid CIM also describes the PLC which is the basis of industrial processes having all business on its control and processes.

Keywords: PLC, Industrial Communications, Industry, Networking, Enterprise.

Resumen: El artículo realizado se basa en los diferentes tipos de comunicaciones que se encuentran en la industria e implementado a cada uno de los niveles de la pirámide CIM, también se describe el autómata programable que es la base de las procesos industriales que tiene toda empresa en su parte de control y procesos.

Palabras clave: PLC, Comunicaciones Industriales, Industria, Redes, Empresa.

1. INTRODUCION

Durante la década de los 80 surge la necesidad de fabricación digital; que permita integrar los procesos de producción de la empresa con los de gestión. Siendo, esta idea promovida y desarrollada por Informática y Asociación de Sistemas Automatizados (CASA) de Sociedad de Ingenieros de Manufactura (SME).

Dado el alto nivel de competitividad en el marcado las compañías necesitan abatir sus tiempos de diseño, haciendo uso de la tecnología computacional en labores de dibujo y diseño. Es así como obtienen, desarrollan e implementan CIM (Computer Integrated Manufacturing), este concepto responde a una estructura piramidal jerarquizada, produciéndose en la cúspide las decisiones de política empresarial.

2. FABRICACIÓN INTEGRADA POR COMPUTADOR. PIRÁMIDE CIM

La división en los niveles de la estructura funcional de un sistema de fabricación flexible, propicia la representación de un sistema de fabricación integrada por computador mediante la pirámide de la figura 1, que se denomina pirámide CIM y está formada por cinco o seis niveles que se describen seguidamente.

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Fig. 1. Pirámide CIM.

Nivel De ProcesoEn este nivel se adquieren datos del proceso mediante sensores situados en él y se actúa sobre el mediante actuadores.

Control directo de las máquinas y sistemas de producción.

Sensores, actuadores, instrumentos de medida, máquinas de control numérico, etc.

Cableado tradicional o Buses de Sensores y Actuadores o Buses de Campo.

Nivel de EstaciónEn este nivel se elabora la información procedente de los dispositivos del nivel inferior y se informa al usuario de la situación de las variables y alarma.

Control individual de cada recurso. PLCs de gama baja y media, sistemas de

control numérico, transporte automatizado. Se utilizarán las medidas proporcionadas por

el nivel 0 y se darán las consignas a losactuadores y máquinas de dicho nivel.

Nivel de CélulaEn este nivel se realiza la coordinación de máquinas pertenecientes a una célula de fabricación. Las tareas generadas en el nivel superior de área o de fábrica se descomponen en un conjunto de operaciones más sencillas que se trasladan, de forma sincronizada, hacia los subprocesos del nivel inferior (almacenamiento y transporte, fabricación, ensamblado, control de calidad, etc.).

Sistemas que controlan la secuencia de fabricación y/o producción (darán las consignas al nivel de campo).

En este nivel se emplean PLCs de gama media y alta, PCs Industriales, etc.

Nivel de Área En este nivel se coordinan entre si las diferentes células que constituyen una línea de fabricación. Solo existe en instalaciones de cierta complejidad y por ello a veces no es incluye en la pirámide CIM.

Nivel de Fábrica En este nivel se realiza el secuenciamiento de las tareas y la administración de los recursos. Suele ser el responsable de la gestión de la planta o fabrica concreta.

Órgano de diseño y gestión en el que se estudian las órdenes de fabricación y/o

producción que seguirán los niveles inferiores.

Suele coincidir con los recursos destinados a la producción de uno o varios productos

Similares (secciones). Se emplean PCs, estaciones de trabajo,

servidores de bases de datos y backups.

Nivel de EmpresaEn este nivel se lleva a cabo la gestión e integración de los niveles inferiores. En él se consideran principalmente los aspectos de la empresa desde el punto de vista de su gestión global (compras, ventas, comercialización, investigación, objetivos estratégicos, planificación a mediano y largo plazo, etc.).

Gestiona la producción completa de la empresa.

Comunica distintas plantas. Mantiene las relaciones con los proveedores

y clientes. Proporciona las consignas básicas para el

diseño y la producción de la empresa. Se emplean PCs, estaciones de trabajo y

servidores de distinta índole.

2.1. Implementación del modelo CIM

El modelo CIM, que se acaba de describir, se puede implantar en la realidad tal como se indica en la figura 2.

Fig. 2. Relación entre el modelo teórico de la pirámide CIM y su implantación real en la

empresa.

El nivel de proceso, tal como se indica anteriormente, está formado por los dispositivos de campo (sensores y actuadores) que interactúan de forma directa con el proceso productivo.El conjunto formado por el nivel de estación/máquina, taller/célula y área está constituido por un conjunto de sistemas electrónicos de control.El nivel de fábrica, en el que se realiza el secuenciamiento de las tareas y la administración de los recursos, es el último en el que se han comenzado a utilizar, en los últimos años, programas que tienen como objetivo contribuir a ejecutar eficientemente el plan de fabricación de una planta. Por eso, los suministradores de



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equipo tanto hardware como software orientados a la fabricación integrada por computador, como Siemens, desarrollaron programas específicos que reciben el nombre de MES (acrónimo de Manufacturing Execution System). Los sistemas MES son principalmente sistemas informáticos en línea que proporcionan herramientas para llevar a cabo las distintas actividades de la administración de la producción. La importancia de los sistemas MES ha hecho que se haya constituido una asociación para impulsarlos, denominada Manufacturing Execution Systems Association (MESA), que ha elaborado una lista descriptiva de las tareas que pueden ser incluidas en un sistema MES. Entre ellas cabe citar:

Ubicación y estado de los recursos. Calendario detallado de operación. Unidad de despacho de producción. Control de documentos. Adquisición de datos. Administración del trabajo. Administración de la calidad. Gestión del mantenimiento. Administración de procesos. Trazabilidad de los productos. Análisis de rendimiento.

La asociación MESA divide las funciones las funciones de un sistema MES en básicas (directamente asociadas con la gestión de la producción) y complementarias.

Las principales funciones básicas son:

Interfaz con el sistema de planificación de la producción.

Gestión de órdenes de trabajo. Gestión de las estaciones de trabajo. Trazabilidad y gestión de inventarios. Gestión de movimiento de materiales. Adquisición de datos. Administración de sucesos imprevistos.

Las principales funciones complementarias son:

Gestión de mantenimiento. Sistemas de control del personal. Control estadístico de procesos. Gestión integral de la calidad

(aseguramiento de la calidad). Análisis de rendimientos. Gestión documental. Trazabilidad de los productos. Gestión de proveedores.

En la figura 3, se muestra de forma gráfica el modelo de asociación MESA que se acaba de describir.

Fig. 3. Modelo de un sistema MES desarrollado por la asociación MESA.

2. COMUNICACIONES INDUSTRIALES

Las comunicaciones industriales (Industrial Comunications) es el área de la tecnología que estudia la transmisión de información entre circuitos y sistemas electrónicos utilizados para ejecutar tareas de control y gestión del ciclo de vida de los productos industriales.Las comunicaciones industriales deben, oir lo tanto, resolver la problemática de la transferencia de información entre los equipos de control del mismo nivel y entre los correspondientes a los niveles contiguos de la pirámide CIM. En la década de 1980, las Comunicaciones Industriales comenzaron a realizarse punto a punto para facilitar la utilización de los computadores como sistemas de diseño asistido por computador del programa de control. Pero las conexiones punto a punto dan lugar a múltiples canales de comunicación con la consiguiente complejidad. Por ello para llevar a cabo dicha transferencia de información de la manera más eficaz posible, los equipos deben compartir canales de información, lo cual incentivó el desarrollo de redes de comunicaciones que tienen que poseer las características adecuadas.Para estudiar las redes en las comunicaciones industriales se debe conocer el modelo OSI presentado a continuación.



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Fig. 4. Modelo OSI desarrollado por la ISO, Tomado de

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2.1. Clasificación de las redes de Comunicaciones Industriales

los distintos tiempos de respuesta exigidos al sistema de comunicaciones de cada uno de los niveles de la pirámide CIM, esto hace que la red utilizada para implementar la comunicación en cada uno de ellos deba tener unas características específicas. Por ello, para soluciones las comunicaciones en una planta de producción se pueden adoptar teóricamente dos estrategias diferentes:

La utilización de redes distintas, específicas para cada uno de los niveles de la pirámide CIM.

LA utilización de una red universal o una red integrada que atienda de forma diferente a los distintos tipos de transferencia de información que se deben realizar en la pirámide CIM.

Las redes de datos, derivadas de las redes ofimáticas, están ligadas a los niveles altos de la pirámide CIM y por ellos tienen como principal objetivo transportar grandes paquetes de información de forma esporádica (baja carga), pero a elevada velocidad (gran ancho de banda) para permitir el envío rápido, a través de ellas, de una gran cantidad de datos entre un volumen potencialmente elevado de estaciones interconectadas.Las redes de control están ligadas a los niveles bajos de la pirámide CIM y, por ello, deben ser capaces de soportar, en tiempo real, un tráfico de información formado por un gran número de pequeños paquetes procedentes de un número de estaciones proporcionalmente menos elevado que en las redes de datos.El extraordinario avance de la Microelectrónica hizo que a partir de finales de la década de 1990 diversos fabricantes de equipos de

automatización industrial se planteasen el desarrollo de una red única que diese respuesta a las necesidades de comunicación de los diferentes niveles de la pirámide CIM. Nacieron así las redes industriales universales que. Este hecho hace necesario realizar una nueva clasificación de las redes de Comunicaciones Industriales, que las clasifica en redes de aplicación específica y redes universales.

Fig. 5. Clasificación de las redes de Comunicaciones Industriales en el siglo XXI

2.2. Redes de datos

Las Redes de datos (Data networks) las dedicadas al establecimiento de las comunicaciones entre los equipos informáticos que conforman los niveles de empresa, fabrca, área y en ocasiones, de célula de la pirámide CIM.

2.2.1. Redes de empresa y fábrica

Los sistemas de control de los niveles de empresa y de fábrica ejecutan, entre otras, las siguientes herramientas informáticas:

Programas dedicados a la planificación de recursos de la empresa, conocidos como ERP (acrónimo de Enterprise Resource Planning).

Programas dedicados a la gestión de los sistemas de ejecución de la fabricación, que se suelen conocer como MES.

Programas de diseño, simulación, ingeniería y fabricación asistidos por computador denominados CAD/CAM/CAE.

Herramientas de aplicación general que permiten el trabajo en grupo( Groupware) del personal de todas las áreas de la empresa.

2.2.2. Redes de célula

En las dos últimas décadas del siglo XX se acrecentó el interés por desarrollar redes de comunicación específicamente diseñada para ambientes industriales, que integrasen sistemas heterogéneos de diferentes fabricantes, y que


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diesen soporte a la intercomunicación entre las operaciones del novel de fábrica y lsa funciones de apoyo y gestión de la producción, correspondiente al nivel de la empresa.

La red MAP se desarrolló de acuerdo con el modelo de interconexión OSI de sistemas abiertos. En su capa física y en la de control de acceso al medio se utilizaba, en especial por su comportamiento determinista, el protocolo correspondiente a la red de área local denominada bus con paso de testigo (Token Bus), definida en la norma IEEE 802.49, en dos de sus variantes para cable coaxial:

Transmisión en banda ancha, con una tasa de 10 Mbaudios, adecuada para los niveles altos de la pirámide CIM.

Transmisión en banda base digital con una tasa de 5 Mbaudios para los niveles inferiores de la misma.

2.2.3. Redes de control

Las redes de control resuelven los problemas de comunicación en los niveles de estación y proceso de la pirámide CIM, aunque también se utilizan, en ocasiones, en el nivel de cédula. Suelen recibir también el nombre genérico de redes o buses de campo (field buses) porque utilizaban la topología de buses de las redes de área local y se utilizaban en una planta (field) de fabricación.

Además, las redes de campo no tienen por qué limitarse a la conexión de sensores y actuadores con un sistema de control, sino que pueden también servir para enlazar entre si todos los sistemas electrónicos de control del nivel de fabrica (autómatas programables de diferentes fabricantes, computadores industriales, controladores de robots, etc). Este tipo de redes se denominan redes de controladores.

2.2.4. Redes de controladores

Las redes de controladores (Controller Networks) están diseñadas para realizar la comunicación de vario sistemas electrónicos de control (autómatas programables, robots, controladores numéricos, terminales de operador, computadores industriales, etc) entre si.

Son redes de controladores, entre otras: La red MAP que, actualmente no se

utiliza, aunque la capa de aplicación de algunas redes esta basada en ella.

La red PROFIBUS-FMS, perteneciente a la familia de redes PROFIBUS, que ha sido diseñada específicamente para cubrir este tipo de redes de control. Precisamente, gran parte de sus conceptos funcionales se derivan de las especificaciones desarrolladas en torno a la red MAP.

La red ControlNet, desarrollada inicialmente por ROCKWELL AUTOMATION en 1995. Esta red de control esta especialmente diseñada para el intercambio de información entre los sistemas de control proceso.

2.2.5. Redes de Sensores-Actuadores

Bajo la denominación de redes de sensores-actuadores se agrupan las redes o buses de campo (Field buses) diseñados con el objetivo específico de intercomunicar los sistemas electrónicos de control con los dispositivos de campo conectados al proceso. Este tipo de redes funcionan en aplicaciones de tiempo real estricto en una pequeña zona de la planta. Por ello, los fabricantes d estas redes las suelen denominar de periferia distribuida (Distributed periphery).

2.2.6. Familia de redes industrial

Una familia de redes industriales es un conjunto de redes de datos y de control que comparten la capa física y de enlace de datos del modelo OSI. Su objetivo es utilizar una base común y, a partir de ella, implementar un conjunto de protocolos de aplicación que satisfagan los requisitos funcionales de los diferentes niveles de la pirámide CIM

2.2.7. Redes Ethernet industrial

Las redes Ethernet Industrial presentan una capa de enlace basada en la técnica de acceso al medio normalizada denominada Ethernet y los protocolos básicos de comunicación de las capas de red y transporte TCP/IP del modelo OSI, utilizados por las redes ofimáticas.

2.2.7.1. Tipos de redes Ethernet industrial.

Modificar Ethernet para utilizar en todos los niveles de la pirámide CIM

Se obtiene así una red industrial universal que permite la implementación de las comunicaciones en diversos niveles de la



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pirámide CIM, en la que se observa que a través de una red única se conectan los diferentes sistemas que forman parte de l pirámide CIM:

Los controladores (PLC) y los sistemas SCADA utilizados en aplicaciones en las que el tiempo de respuesta esta comprendido, en general entre 10 y 100ms.

Los controladores (PLC), las interfaces máquinas-usuario (HMI) y las estaciones de entrada-salida remotas en las que el tiempo de respuesta esta comprendido, en general, entre 1 y 10ms.

Las unidades de control de movimiento y las estaciones de entrada-salida remotas en las que el tiempo de respuesta es, en general, inferior a 1ms.

Figura 6. Diagrama de bloques del principio de funcionamiento de una red universal Ethernet

industrial.

Combinar la red Ethernet con una red de controladores y otra de sensores/actuadores

Integrar la red Ethernet con una red de controladores y otra de sensores/actuadores que utilizan el mismo protocolo de la capa de aplicación que ella. La red Ethernet, se utiliza hasta que el nivel de sus prestaciones de velocidad y determinismo lo permiten, teniendo e cuenta las características de la planta. Las redes de controladores y de sensores/actuadores implementan el resto de las comunicaciones de la planta. En la figura se representa el diagrama de bloques del principio de funcionamiento de una red Ethernet Industrial de este tipo de red industrial integrada.

Figura 7. Diagrama de bloque del principio de funcionamiento de una red integrada Ethernet industrial.

3. El autómata programable y las comunicaciones industriales

Por ser el autómata programable, uno de los sistemas electrónicos más utilizados en la automatización de los procesos productivos como parte de integrante de la pirámide CIM (figura 8) de fabricación integrada por computador, también conocida como TIA (acrónimo del inglés Totally Integrated Automation), en especial en los niveles de control de máquinas, cédulas y áreas de fabricación, se fueron incorporando en él, de forma paulatina, las Comunicaciones Industriales.

Figura 8. Utilizacion del automata en la piramide CIM.

3.1. Comunicaciones Entre Autómata Programable Y Los Dispositivos De Campo

Los autómatas programables modernos se han adaptado, a lo largo de la ultima década del siglo XX, para disponer de capacidad de conexión, mediante una red de control, con los dispositivos de campo (Field Devices) presentes en el proceso productivo.

Las redes que conectan los autómatas programables con los dispositivos de campo (figura) tienen, en general, las siguientes características:



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Garantizan un tiempo máximo de lectura de los sensores y de actualización de la señal de control de los actuadores.

Facilitan la instalación y conexión de todos los elementos de la red.

Proporcionan capacidad de ampliación (Scalability) del sistema a lo largo de toda su vida útil.

Proporcionan funciones complementarias de diagnóstico y seguridad.

3.2. Comunicacinoes Entre Automatas Programables Y Otros Sistemas Electricos De Control

La primera técnica utilizada para el establecimiento de la comunicación entre los autómatas programables y los otros sistemas electrónico de control de procesos (como por ejemplo otros autómatas programables de igual o distinto fabricante, robots industriales, sistemas de control numéricos, etc.) consistió en conectar entre si sus módulos analógicos y digitales de entrada/salida. Pese a sus limitadas prestaciones funcionales y su costo relativamente elevado, este método aún se utiliza hoy en día en muchas instalaciones industriales porque es la única forma posible de comunicar dispositivos de control de características muy dispares. No obstante, la situación va cambiando a medida que aumenta la normalización y disponibilidad de sistemas de comunicación abiertos, más avanzados y versátiles.

3.3. Diseño e Implantación De Sistemas De Control Distribuido Basados En Autómatas Programables

La implantación de un sistema electrónico de control distribuido implica la utilización de un conjunto de redes de comunicaciones o una red universal que resuelva las transferencias de información entre los sistemas utilizados en los diferentes niveles de la pirámide CIM. Para el diseño de dichas redes, el fabricante suministra elementos físicos y herramientas de programación:

Elementos físicos Resuelven el nivel físico (1) y la mayor parte del de enlace de datos (nivel 2) del modelo OSI mediante un procesador de comunicaciones que implementa el protocolo de enlace a través de un programa situado en una memoria no volátil.

Herramientas de programación

Son programas de diseño integrado que se ejecutan en un computador personal y permiten configurar de forma sencilla cualquier sistema de control distribuido que combina redes de datos y redes de control o que utiliza una red universal.

5. CONCLUSIONES

A pesar de que CIM implica integrar todos los pasos de un proceso de manufactura, en la práctica muchas compañías han logrado grandes beneficios al implementar sistemas CIM parciales, es decir en solo algunas áreas de la empresa. De hecho, se cree que aún no existe ninguna empresa que haya logrado una integración total del sistema. Sin embargo, se sabe con certeza que ese es el próximo paso a seguir. La implementación de este sistema CIM por parte de algunas empresas busca, por un lado, aumentar la productividad y, por otro, mejorar la calidad de los productos. Estudios recientes aporta información sobre los beneficios que ha traído el CIM a empresas que lo han implementado.

REFERENCIAS

Enrique Mandado Pérez, Jorge Marcos Acevedo, Celso Fernández Silva, segunda edición (2009).

Autómatas Programables Y Sistemas De Automatización, Editorial técnicas Marcombo.


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