Protocolos de Comunicación para PLCs

VENEZUELA

MAYO 2015

N째 005

EDITORIAL CIM

CIM Magazine, es una revista que nace en el 2015, con el objetivo de publicar artículos de calidad, referentes a los temas inmersos en cada uno de los seminarios del Curso Especial de Grado (CEG), Automatización y Control de Procesos Industriales (ACPI) de la Universidad de Oriente Núcleo Maturín. En esta 5ta edición, dirigida al seminario Instrumentación y Control Industrial (ICI), CIM Magazine les estará hablando sobre los Protocolos de Comunicación para PLCs. Los Autores

Equipo Editorial

CONTENIDO Pág.

Director Editorial Rosangi Rojas Director Asociado Yddany Palma

Maquetación Rosangi Rojas Yddany Palma Documentación Rosangi Rojas Colaboradores Mharla Alcalá Rafael Franceschi Institución Universidad de Oriente CEG – ACPI – ICI Asesor: Ing. Moisés Pérez

Editorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Prólogo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Protocolos de Comunicación . . . . Industrial

Bus de Campo . . . . . . . . . . . . . . .

Ventajas de los Buses de Campo. .

Clasificación de los Buses de . . . . Campo

Buses de alta velocidad y baja . . . funcionalidad

Buses de alta velocidad y . . . . . . . funcionalidad media

Buses de altas prestaciones . . . . .

Buses para áreas de seguridad . . . intrínsecas

Cierre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . .

Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . .

PRÓLOGO

COMUNICACÍÓN PARA PLC’s “Cada dispositivo de campo incorpora cierta capacidad de proceso, que lo convierte en un dispositivo inteligente”

Cuando se creó el procesador digi-

cada empresa fabricante desarrollo sus

tal en la década de los años ‘70, las com-

propios métodos de comunicación, lo

putadoras empezaron a ser usadas con

que

funciones de monitoreo y control del

protocolos

sistema desde un punto central, en los

conocemos hoy en día. Esto se nota con

años ‘80 inició la era del control digital y

los buses de campo, que son los

surgieron problemas de integración

protocolos de comunicación que serán

entre los distintos componentes.

estudiados a continuación.

originó de

gran

variedad

comunicaciones

de que

Debido a la falta de un estándar,

Protocolos de Comunicación para PLC’s

EQUIPO CIM 3ra Cohorte Curso Especial de Grado Automatizaci贸n y Control de Procesos Industriales Seminario: Instrumentaci贸n y Control Industrial 04

PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN INDUSTRIAL

“En principio un protocolo de comunicación es un conjunto de reglas que permiten la transferencia e intercambio de datos entre los distintos dispositivos que conforman una red. Estos han tenido un proceso de evolución gradual a medida que la tecnología electrónica ha avanzado y muy en especial en lo que se refiere a los microprocesadores” http://www.emb.cl/electroindustria

importante número de empresas presentan la existencia de islas automatizadas (células de trabajo sin comunicación entre sí), siendo en estos casos las redes y los protocolos de comunicación Industrial indispensables para realizar un enlace entre las distintas etapas que conforman el proceso. Protocolos de Comunicación para PLC’s

La integración de las mencionadas islas automatizadas suele hacerse dividiendo las tareas entre grupos de procesadores jerárquicamente anidados. Esto da lugar a una estructura de redes Industriales, las cuales es posible agrupar en tres categorías:  Buses de campo.  Redes LAN.  Redes LAN-WAN. En esta oportunidad nos referiremos a los protocolos de comunicación más usados en la industria, los cuales reciben la denominación genérica de buses de campo. Éstos son buses de datos que permiten la integración de equipos para la medición y control de variables de proceso. 05

BUS DE CAMPO El objetivo de un bus de campo es sustituir las conexiones punto a punto entre los elementos de campo y el equipo de control a través del tradicional lazo de corriente de 4-20mA o 0 a 10V DC, según corresponda. Generalmente son redes digitales, bidireccionales, multipunto, montadas sobre un bus serie, que conectan dispositivos de campo como PLCs, transductores, actuadores, sensores y equipos de supervisión. Varios grupos han intentado generar e imponer una norma que permita la integración de equipos de distintos proveedores. Sin embargo, hasta la fecha no existe un bus de campo universal. Los buses de campo con mayor presencia en el área de control y automatización de procesos son:

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Un bus de campo es un sistema de transmisión de información (datos) que simplifica enormemente la instalación y operación de máquinas y equipamientos industriales utilizados en procesos de producción.

 HART.  Profibus.  Fieldbus Foundation.

VENTAJAS DE BUSES DE CAMPO 

En primer lugar, está la Reducción de costos. El ahorro proviene fundamentalmente de tres fuentes: ahorro en costos de instalación, ahorro en los costos de mantenimiento y ahorros derivados de la mejora del funcionamiento del sistema.



Necesidades de Mantenimiento de red menores. Los buses de campo son más sencillos de implementar que otras redes de uso industrial, como por ejemplo, MAP. De modo que la fiabilidad 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 más sencilla, reduciendo los costos de mantenimiento y el tiempo de parada de la planta.

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

Mayor flexibilidad. Los buses de campo ofrecen mayor flexibilidad al usuario en el diseño del sistema. Algunos algoritmos y procedimientos de control que con sistemas de control tradicionales debían incluirse en los propios algoritmos de control, radican ahora en los mismos dispositivos de campo, simplificando el sistema de control y sus posibles ampliaciones.



Simplificación. Las prestaciones del sistema mejoran con el uso de las tecnologías de bus 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.

CLASIFICACIÓN DE LOS BUSES DE CAMPO Debido a la falta de estándares, diferentes compañías han desarrollado diferentes soluciones, cada una de ellas con diferentes prestaciones y campos de aplicación. En una primera clasificación, los buses de campo se podrían dividir en los siguientes grupos:

BUSES DE ALTA VELOCIDAD Y BAJA FUNCIONALIDAD

Diseñados para integrar dispositivos simples como finales de carrera, fotocélulas, relés y actuadores simples, funcionando en aplicaciones en tiempo real, y agrupados en una pequeña zona de la planta, típicamente una máquina. CAN: Diseñado originalmente aplicación en vehículos.

Suelen

especificar las capas

física y de enlace del modelo OSI, es decir, señales físicas y patrones de bit en las tramas. Algunos ejemplos son:

para su

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. Protocolos de Comunicación para PLC’s

CLASIFICACIÓN DE LOS BUSES DE CAMPO BUSES DE ALTA VELOCIDAD Y FUNCIONALIDAD MEDIA

Son buses capaces de controlar dispositivos de campo complejos, de forma eficiente y a bajo coste. Normalmente dispone de funciones utilizables desde programas basados en PC’s 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 interoperabilidad 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. Es una red de bajo nivel adecuada para conectar dispositivos simples como sensores fotoeléctricos, sensores magnéticos, pulsadores, etc. y dispositivos de alto nivel (PLC, controladores, computadores, HMI, entre otros). BitBus: Red desarrollada por INTEL.

LONWorks: Es una red desarrollada por Echelon. 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.

MODBUS: apareció en 1979 para transmitir y recibir datos de control entre los controladores y los sensores a través del puerto RS-232 (comunicación punto a punto), con un alcance máximo de 350 metros. Funciona mediante el sistema maestro/esclavo, y posee dos modos esenciales de funcionamiento, modo ASCII, enviando dos caracteres (2 bytes) para cada mensaje y modo RTU (Remóte Terminal Unit), donde se envían 4 caracteres hexadecimales (4 bits cada uno) para cada mensaje.

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CLASIFICACIÓN DE LOS BUSES DE CAMPO BUSES DE ALTA PRESTACIONES Son capaces de soportar comunicaciones a nivel de toda la factoría, en 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 le exigen. PROFIBUS (Process Field Bus) Norma internacional de bus de campo de alta velocidad para control de procesos normalizada en Europa por EN 50170.

Algunos ejemplos de Buses de Alta Prestaciones son:

Existen tres perfiles:

 Profibus DP (Decentralized Periphery). Orientado a sensores/actuadores enlazados a procesadores (PLCs) o terminales.  Profibus PA (Process Automation). Para control de proceso, cumple normas especiales de seguridad para la industria química (IEC 1 1 15 8-2, seguridad intrínseca).  Profibus FMS (Fieldbus Message Specification). Para comunicación entre células de proceso o equipos de automatización.

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CLASIFICACIÓN DE LOS BUSES DE CAMPO BUSES DE ALTA PRESTACIONES Foundation Fieldbus (FF) es un protocolo de comunicación digital para redes industriales, específicamente utilizado en aplicaciones de control distribuido. Puede comunicar grandes volúmenes de información, ideal para aplicaciones con varios lazos complejos de control de procesos y automatización.

Está orientado principalmente a la interconexión de dispositivos en industrias de proceso continuo. Los dispositivos de campo son alimentados a través del bus Fieldbus cuando la potencia requerida para el funcionamiento lo permite.

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CLASIFICACIÓN DE LOS BUSES DE CAMPO BUSES PARA ÁREAS DE SEGURIDAD INTRÍNSECA La seguridad Intrínseca es un tipo de protección por la que el aparato en cuestión no tiene posibilidad de provocar una explosión en la atmosfera circundante. Un circuito eléctrico o una parte de un circuito tienen seguridad intrínseca, cuando alguna chispa o efecto térmico en este circuito producido en las condiciones de prueba establecidas por un estándar no puede ocasionar una ignición.

Algunos ejemplos: HART, Profibus PA o FIT. HART (Highway Addressable Remote Transducer) es uno de los estándares líderes en la comunicación con instrumentación inteligente de campo. El protocolo de comunicación HART está basado en el sistema de comunicación telefónica estándar BELL 202 y opera usando el principio del Cambio Codificado de Frecuencia (FSK). PROFIBUS-PA: Se utiliza para la automatiza-ción de procesos en recintos expuestos a los peligros de explosiones (áreas clasifica-das). El proceso de transmisión cumple la norma internacional IEC 1158-2, el perfil de protocolo es PROFIBUS FMS (Siemens, Catálogo IK 10, 1997). Protocolos de Comunicación para PLC’s

CIERRE Los protocolos de comunicación indusrial son aquellos que permiten el intercambio de información entre los diferentes elementos que conforman una red industrial, estos elementos pueden ser PLCs, variadores de frecuencia, interfaces electrónicas, sensores, actuadores, entro otros; con la central remota, la cual será la encargada de procesar la información para realizar algún proceso dentro de la industria. La estandarización de protocolos en la industria es un tema en permanente discusión, donde intervienen problemas técnicos y comerciales. Cada protocolo esta optimizado para diferentes niveles de automatización y en consecuencia responden al interés de diferentes proveedores. Por ejemplo Fieldbus Foundation, Profibus y Hart, están diseñados para instrumentación de control de procesos. En cambio DevicetNect y SDC están optimizados para los mercados de los dispositivos discretos (on-off) de detectores, actuadores e inte-

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rruptores, donde el tiempo de respuesta y repetitividad son factores críticos. La red de comunicaciones a nivel industrial constituye parte importante en la implementación de estos dispositivos (sensores o captadores, controladores lógico programable (PLC)) puesto que si bien es cierto que su función no está directamente ligada a la comunicación se requiere de esta para que los datos extraídos sean visualizados por el operador o por la persona a quien le competa el trabajo de analizar los datos y posteriormente tomar decisiones. En este aspecto es cuando se habla de protocolos industriales de comunicación, ya que son estos van a permitir la transferencia e intercambio de datos entre los distintos dispositivos que conformen la red, a través de un conjunto de reglas que se llevan a cabo a la otra de trasmitir un dato de un dispositivo a otro.

CONCLUSIONES

REFERENCIAS  AIE. Protocolos de Comunicaciones Industriales. [Página en Línea]. Consultado el 08 de mayo de 2015 en: http://www.aie.cl/files/file/comites /ca/articulos/agosto-06.pdf.

La comunicación a través de los buses de campos permitió que en la industria de la automatización se alcancen niveles de optimización jamás vistos, estos permitieron obtener un flujo de información más eficiente, a un menor costo y con una carga de mantenimiento mucho menor, con lo que rápidamente ganaron protagonismo entre las organizaciones que automatizaban sus procesos. Aunque no se ha llegado a un estándar o un protocolo unificado, se están realizando esfuerzos para que a nivel mundial se obtenga un estándar que permita romper con la desorganización en cuanto a la cantidad de protocolos que existen actualmente en la industria.

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 ISA. Universidad de Oviedo. Redes Locales en Entornos Industriales. Buses de Campo. [Documento en Línea]. Consultado el 09 de Mayo de 2015. Disponible en: http://www.isa.uniovi.es/docencia/ redes/Apuntes/tema9.pdf.

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