Redes Industriales - Parte 1

César Cassiolato

La automación propicia el ahorro de energía, mano de obra y materia prima, mejor control de calidad del producto, mayor utilización de fábrica, el aumento de productividad y de seguridad operativa. Esencialmente, la automación de las industrias permite aumentar los niveles de continuidad y control global del proceso más eficientemente, acercar al máximo la producción real de la capacidad nominal de la fábrica al reducir al mínimo posible los períodos de inactividad, de mantenimiento preventivo y la falta de materia prima.

Además, la llegada de los sistemas de automatización basados en redes de campo y la tecnología digital trajo muchos beneficios con respecto al mantenimiento y el aumento de la disponibilidad y la seguridad operativa. Y, aún, la automatización ultrapasa los límites de la fábrica y se extiende al producto acabado, alcanzando fronteras mas anchas: el negocio en si mismo.

Figura 1 – La automatización ultrapasa los límites de la fábrica y alcanza el producto acabado en fronteras más anchas: el negocio en si mismo.

La solución completa debe proveer una metodología de gestión industrial transparente  y garantizar que todos los esfuerzos se dirijan a la misma meta establecida, facilitando la toma de decisión cuando haya cambios relevantes en el desempeño de los indicadores, o una desviación del planeado. Usuarios e clientes deben estar atentos al elegir y definir el sistema de automatización y control cuya definición lleve en cuenta diversos criterios y pueda estar en sintonía con el avanzo tecnológico.

Cuanto más informaciones, mejor se puede operar una fábrica y, por lo tanto, hacerla más productiva y lucrativa. La información digital y los sistemas verdaderamente abierto posibilitan la colecta de informaciones sobre los más variados tipos y finalidades industriales, de manera intercambiable jamás vista. Y la tecnología Fieldbus (Foundation Fieldbus, Profibus, HART, DeviceNet, Asi, etc.) puede transformar valiosos bits y bytes en una relación lucrativa y obtener ganancia cualitativa de todo el sistema. No se puede pensar exclusivamente en un barramiento de campo, hay que estar atento a los beneficios generales proporcionados por todo el sistema de automatización y control.

La revolución de la comunicación industrial en la tecnología de la automatización viene revelando el enorme potencial de la optimización de sistemas de proceso, y ha contribuido grandemente para la mejoría  del uso de recursos. Veremos en seguida algunos detalles y redes industriales que proveerán una explicación detallada sobre como estas redes actúan como eslabón principal en el flujo de informaciones de la automatización.

La tecnología de la información ha sido determinante al desarrollo de la tecnología de la automatización, alterando jerarquías y estructuras de los más distintos ambientes industriales, además de sectores  desde las industrias de procesos y manufactura, hasta edificios y sistemas logísticos. La capacidad de comunicación entre dispositivos y el uso de mecanismo estandarizados, abiertos y transparentes, son componentes indispensables al concepto actual de automatización. La comunicación se expandió rápidamente en el sentido horizontal en los niveles inferiores (de campo), como tambien en sentido vertical integrando todos los niveles jerárquicos. Según las características de la aplicación y el costo máximo a atingirse, una mezcla gradual de distintos sistemas de comunicación parece ofrecer las condiciones ideales para las redes abiertas en procesos industriales.

Figura 2 – Niveles de la pirámide de automatización

En la figura 2 vemos que al nivel de los actuadores/sensores existen algunas redes industriales, especialmente la AS-Interface (AS-i) donde las señales binarias de datos se transmiten a través de un barramiento muy sencillo y de bajo costo, juntamente con la entrada de energía (24 Vdc) necesaria para alimentar estos sensores y actuadotes. Otra característica importante es que los datos se transmiten cíclicamente de manera muy rápida e eficiente. Más tarde examinaremos más detalles.

En el campo, los periféricos distribuidos, tales como módulos de Entrada/Salida (E/S), transductores, accionamientos (drives), válvulas y paneles de operación, se comunican con sistemas de automatización a través de un eficiente sistema de comunicación en tiempo real (PROFIBUS-DP o  PA, Foundation Fieldbus, HART, etc. La transmisión de datos del proceso y diagnósticos se efectúa cíclicamente, mientras alarmes, parámetros y diagnósticos se transmiten de modo non cíclico, solamente cuando necesario. 

En cuanto a las células, los controladores programables, tales como CLPs y PCs, se comunican  entre ellos, exigiendo grandes paquetes de datos y un gran numero de funciones potentes de comunicación. Además, la integración eficiente con los sistemas de comunicación corporativa existentes, tales como Intranet, Internet y Ethernet es un requisito obligatorio al alcance de varias redes. La red  PROFInet, HSE (High Speed Ethernet), Ethernet IP, soportan dispositivos de campo sencillos y aplicaciones de tiempo crítico, además de integrarse con sistemas de automatización distribuidos basados en componentes.

Volumen de Datos Tiempo de Transmisión Frecuencia de Transmisión

Tabla 1.1 – Requisitos de comunicación de sistemas de automatización industrial

En los últimos años los mercados de instrumentación y de automatización ven exigiendo equipos de campo de alta performance, fiabilidad, disponibilidad, creatividad, etc., tales como transmisores de presión y temperatura, conversores, posicionadores, actuadores y controladores, con la intención de minimizar el consumo, reducir la variabilidad de los procesos, posibilitar la reducción de costos operativos y de mantenimiento, además de garantizar la optimización y la mejora continuada de los procesos.

Por otro lado, los microprocesadores/microcontroladores se vuelven más potentes y más baratos, mientras los proveedores de instrumentación vienen satisfaciendo las exigencias de los usuarios por más y mejores informaciones para sus procesos.

La tecnología digital es rica en la provisión de informaciones, no solo pertinentes al proceso, pero especialmente a los equipos de campo. Por lo tanto, condiciones de auto-diagnosis pueden ahorrar costos operativos y de mantenimiento, principalmente en áreas de riesgo, y también áreas de difícil acceso. Desde la sala de control  y a través de herramientas basadas en la Internet se tiene una visión general del sistema a cualquier tiempo y en cualquier lugar. A través de la supervisión de las informaciones venidas del campo, se pueden seleccionar adecuadamente los datos y alcanzar los objetivos de producción, dirigiendo las informaciones a las personas o departamentos correctos a fin de mejorar los procesos.

La evolución tecnológica y la consolidación de las redes industriales atribuyen a los sistemas de automatización y control,  equipos de campo, controladores, etc. funciones anteriormente inimaginables, tales como el control continuado y discreto, tiempos de exploración mas cortos, arquitecturas redundantes, supervisión y tráfico de informaciones, disponibilidad de informaciones para IHMs , Internet, emisión de informes, supervisión de activos, altos niveles de seguridad, etc. Todo esto, junto con la fiabilidad del hardware y software.

Um poco de historia

Los primeros sistemas de automatización se desarrollaron en fines del siglo XIX durante la revolución industrial. La labor, que era manual, pasó a realizarse a través de aparatos dedicados y personalizados para determinadas tareas, visando cada vez más al aumento de la productividad y eficiencia. Las funciones de control se implementaban a través de dispositivos mecánicos que automatizaban algún trabajo crítico o repetitivo. Estos dispositivos se desarrollaban para cada tarea específica y tenían vida útil reducida y alto mantenimiento, debido a su naturaleza mecánica.

Posteriormente, con la introducción de los relés y contactores, estos dispositivos se reemplazaron por los instrumentos automáticos en las líneas de montaje, lo que significó un gran paso en la época. La lógica a relés posibilitó el desarrollo de funciones de control más complejas y sofisticadas.

Tras la segunda guerra mundial, hubo un gran avanzo tecnológico y aparecieron las máquinas a comando numérico y los sistemas de control en la industria de proceso, y también el concepto de la referencia de tensión para instrumentación analógica. Surgieron los primeros circuitos integrados, los CI, que posibilitaron el desarrollo de una nueva generación de sistemas de automatización. Vale la pena mencionar que en 1947, William Shockley, John Barden y Walter Brattain inventaron el transistor, un componente electrónico largamente usado en los procesadores modernos, de manera integrada.

En el principio de los años 70, comenzaron a usarse las primeras computadoras comerciales como controladores en sistemas automatizados de gran tamaño, pero estos aparatos ocupaban mucho espacio,  tenían alto costo, eran difíciles de programar y muy sensibles al ambiente industrial. Pero permitían manejar la adquisición y el control de varias variables.

Todavía en la década de 70 hubo un gran avanzo en el campo de la automatización.

El Controlador Lógico Programable o Programable Logic Controller (PLC), se desarrolló en respuesta a la demanda de la industria automovilística de los Estados Unidos. Tratase de una computadora dedicada y proyectada para trabajar en el ambiente industrial, donde sensores y actuadores se conectan a tarjetas de entradas y salidas. Los primeros CLPs tenían un conjunto reducido de instrucciones: normalmente solo condiciones lógicas sin entradas analógicas, para manejar no más que aplicaciones de control discreto. Los CLPs han reemplazado los paneles de control con relés, reduciendo el alto consumo de energía, el difícil mantenimiento y modificación  de comandos, además de las onerosas alteraciones de hilado.

Actualmente, debido a la demanda de la industria, las CLPs manejan tanto el control discreto como los lazos analógicos. Estos sistemas se llaman normalmente Controladores Programables, pues no se limitan a operaciones de condiciones lógicas. El control de funciones de una fábrica en general se distribuye entreun determinado número de controladores programables ubicados próximos a los equipos que se van controlar. Los diferentes controladores normalmente se conectan vía red local a una computadora central que supervisa alarmes, recetas y informes.

Iniciamos una etapa donde la tecnología y la conectividad industrial eran patentadas y ocurría un “matrimonio” entre cliente y proveedor. Surgieron en el mercado los SDCS (Sistemas Digitales de Control Distribuidos).

En la década de 1990, el mundo comenzó a testificar enormes avances en el área tecnológica, cuyos circuitos electrónicos empezaron a proporcionar más eficiencia, velocidades más altas, más funcionalidades, MTBFs más grandes (Mean Time Between Failures, más fiabilidad), consumos más bajos, espacios físicos más pequeños y también costos reducidos. Al mismo tiempo, se impulsó el desarrollo de  computadoras, interfaces y periféricos más potentes, con alta capacidad de procesamiento y memoria. Y, lo más interesante, se posibilitó el surgimiento de la producción en alta escala, a costos reducidos, lo que representó una ventaja general, pues aumentó la oferta de microcontroladores, Cis y ASCIs para toda la industria.

Y si no bastara esta revolución electrónica, los sistemas mecánicos también experimentan innovaciones y cambios conceptuales incorporando la capacidad de procesamiento, volviéndose más rápidos, eficientes y fiables, con costos de implementación cada vez más bajos. A lo longo de los últimos años es cada vez más frecuente la utilización de componentes electrónicos para arranque y control de sistemas mecánicos.  

Sin duda, actualmente no importa solamente la condición de control. La gestión de la información, la inteligencia de la instrumentación, la tecnología verdaderamente abierta y no patentada, los beneficios de la tecnología digital son lo que agregan valores al usuario.

¿Qué actualización puede sufrir un sistema convencional en los años venideros? Qué capacidad de expansión va a permitir? El portafolio de aplicaciones ofrecidas por los proveedores, tal como un sistema digital abierto, con posibilidad de diagnóstico aumentó grandemente en los últimos años, incluyendo redes digitales abiertas, áreas tales como supervisión de activos, control basado en bloques funcionales, optimización en tiempo real, MES (gestión de negocios), herramientas de supervisión de performance en tiempo real, supervisión de alarmes y muchas más.

Hoy en día el usuario debe estar atento y especificar siempre un sistema de automatización abierto, con posibilidad de diagnósticos, más tolerancia a fallas, bloques de función, FOBS (Bloques Flexibles), conectividad OPC y con varios protocolos, además de innumeras características que lo vuelven un sistema de control completo y no un simple barramiento de comunicación con integraciones patentadas. La elección de las principales industrias se basa en las funciones de control de proceso que posibilitan agregar informaciones benéficas a la toma de decisiones, garantizando la excelencia operativa.

 Los Sistemas Verdaderamente Abiertos utilizan tecnologías abiertas que se integran perfectamente al hardware, al mismo tiempo en que posibilita la conexión con software y hardware de otros fabricantes. Los usuarios tienen libertad para elegir los componentes y hasta mismo construir su propio sistema. 

La flexibilidad y la capacidad de expansión de la arquitectura posibilitan reconfigurar un sistema digital para satisfacer las nuevas condiciones de proceso sin grandes reinversiones. Las tecnologías modernas posibilitan respuestas rápidas a los cambios en las condiciones del mercado.

Es oportuno recordar que en términos de excelencia operativa, cualquier segmento industrial soporta constante presiones para alcanzar la excelencia operativa, objetivando garantizar su competitividad. Excelencia operativa significa optimizar y dinamizar los procesos a través del análisis de datos en tiempo real, facilitando la toma de decisiones, de manera inteligente, estratégica y en todos los niveles de la organización. Al usar la tecnología digital, se pueden perfeccionar los procesos y supervisar de manera más eficiente las operaciones de la fábrica.

Un ejemplo de Sistema Verdaderamente Abierto es el System302 de Smar: https://www.smar.com.br/es/system302.Es un sistema basado en tecnologías de última generación, totalmente escalable e integrado, proveyendo una plataforma única de control y supervisión de procesos. El System302 ofrece una completa infraestructura de hardware y software para el control optimizado del proceso, sea continuado o de lotes (batelada). A través de tecnología que mezcla lo mejor del mundo de los SDCDs y los PLCs/SCADA, el System302 es la solución completa en sistemas de automatización y control, cuyo diferencial es utilizar tecnologías de arquitectura renomada, sin necesitar usar un sistema totalmente patentado, suministrando la apertura y la flexibilidad que las aplicaciones necesitan. Sin duda debido a varias ventajas de la tecnología digital y de redes abiertas, el SDCD tradicional no más se recomienda en nuevos proyectos o mismo en expansiones, pues los altos costos de substitución de los instrumentos y la obsolescencia del sistema de control pueden abreviar su vida útil. En estos casos el sistema de automatización hay que ser moderno y verdaderamente abierto, permitiendo al usuario tranquilidad en los próximos 15 o 20 años.

En el mercado globalizado actual, la búsqueda de un ventaje tecnológico que permita al usuario competir de manera eficaz, mantenerse de manera sustentable, obteniendo ganancias y reinvertir en su negocio, la automatización industrial se volvió un punto básico de ese proceso. En el ramo industrial, la optimización de recursos es imprescindible. Las innovaciones en el área de proceso no son muchas, y la reducción de costos queda al área de control de proceso. La comprensión de los procesos de innovación de la automatización con los sistemas digitales y de redes abiertas puede  ayudar a ubicarnos en el contexto actual, a través de la identificación de lo nuevo que puede agregar valor a la cadena productiva. Particularmente en los últimos años, con el avance de la electrónica digital, nuevas herramientas surgieron en las áreas de control de proceso y mantenimiento, asociadas a los sistemas de comunicación basados en protocolos abiertos de redes industriales. En seguida veremos algunas redes industriales.

La Figura 3 muestra varias clasificaciones de Redes Industriales.

Figura 3 – Clasificación General de Redes Industriales

Un punto importante es diferenciar red de informaciones, red de control y red de campo.
La red de informaciones representa el nivel más elevado de una arquitectura. En grandes corporaciones es actual la elección de una espina dorsal de gran capacidad para interconectar los sistemas ERP (Enterprise Resource Planning), Supply Chain (supervisión de la cadena de provisiones) y EPS (Enterprise Production Systems).

La red de control tiene la función de interconectar los sistemas industriales de nivel 2 o sistemas SCADA a los sistemas de nivel 1, representados por CLPs y remotas de adquisición de datos. También es posible que equipos de nivel 3, tales como los sistemas PIMS y MES estén conectados a este barramiento. Actualmente el estándar más recomendado es el Ethernet 100 Base-T.

La función de la red de campo es garantizar la conectividad entre los varios dispositivos actuantes directamente en el “suelo de fábrica”, o sea, el nivel 1, sean dispositivos de adquisición de datos, actuadores o CLPs.

Las redes de campo son sistemas de comunicación industrial que usan amplia variedad de medios físicos, tales como cables de cobre y fibras ópticas o inalámbricas para acoplar los instrumentos de campo a un sistema de control o un sistema de supervisión.

Figura 4 – Escenario de las redes industriales

Con vistas a reducir costos y aumentar la operatividad de una aplicación se introdujo el concepto de red industrial para interconectar los varios equipos de una aplicación. La utilización de redes y protocolos digitales ha previsto un avance importante en las siguientes áreas:

• Costos de instalación, operación y mantenimiento
• Procedimientos de mantenimiento con el la supervisión de activos
• Expansión y upgrade sencillos
• Informaciones de control y calidad
• Determinismo (Permite determinar con exactitud el tiempo necesario de transferencia de informaciones entre los integrantes de la red).
• Tiempos bajos de ciclos
• Varias topologías
• Estándares abiertos
• Redundancia en varios niveles
• Variabilidad más pequeña en las mediciones, con mejora de la  precisión
• Mediciones multivariables
• Etc.

La opción de implementar sistemas de control basados en redes requiere una evaluación para determinar que tipo de red es más ventajosa al usuario final, lo cual debe buscar una plataforma de aplicación compatible con el mayor número posible de equipos.

PROFIBUS

La historia del PROFIBUS comienza con un proyecto de la asociación PROFIBUS apoyado por el gobierno en 1987 en Alemania. En el contexto de este empeño, 21 compañías e institutos unieron esfuerzos y crearan un proyecto estratégico para fieldbus. El objetivo era estabilizar un barramiento de campo bitserial, cuyo requisito básico era la estandarización de la interfaz de dispositivo de campo. Por esta razón, los miembros relevantes de las compañías del ZVEI (Asociación Central de la Industria Eléctrica) concordaron en apoyar un concepto técnico de mutuo interés para manufactura y automatización de procesos.

El primer paso fue la especificación del protocolo de comunicaciones complejas PROFIBUS FMS (Especificación de Mensajes Fieldbus), que fue proyectado para la exigencia de tareas de comunicación.

Un paso adelante fue la conclusión, en 1993, de la especificación de una variante más sencilla e rápida, el PROFIBUS-DP (Periferia Descentralizada), un protocolo disponible hoy en tres versiones funcionales, el DP-V0, DP-V1 y DP-V2.

Basado en estos dos protocolos de comunicación juntado al desarrollo de varios perfiles de aplicaciones orientadas y un número de dispositivos de crecimiento rápido, el PROFIBUS empezó su avance, inicialmente en automatización de manufactura y, desde el 1995, en la automatización de procesos, con la introducción del PROFIBUS-PA. Actualmente, el PROFIBUS es el barramiento de campo líder en el mercado mundial.

El PROFIBUS es un estándar de red de campo abierto, independiente de proveedores, donde la interfaz entre ellos posibilita una amplia aplicación en procesos, manufactura y automatización predial. Este estándar es garantizado según las normas EN 50150 y EN 50254. Desde enero de 2000, el PROFIBUS se estableció firmemente con el IEC 61158, al lado de otros siete fieldbuses. El IED61158 se divide en siete partes, nombradas 61158 a 61158-6, que incluyen las especificaciones según el modelo OSI. En esta versión hubo la expansión que incluyó el DPV-2. Mundialmente, los usuarios pueden ahora tener como referencia un estándar internacional de protocolo abierto, cuyo desarrollo buscó y todavía busca reducción de costos, flexibilidad, fiabilidad, seguridad, orientación hacia el futuro, interoperabilidad, compatibilidad con las más distintas aplicaciones y múltiples proveedores.

Hoy en día estimase al rededor de 30 millones de nudos instalados con tecnología PROFIBUS y más de 1000 fábricas con tecnología PROFIBUS-PA. Son 24 organizaciones regionales (RPAs) y 35 Centros de Competencia en PROFIBUS (PCCs), ubicados estratégicamente en varios países, ofreciendo soporte a sus usuarios, incluso en Brasil, en asociación con el FIPAI de la Escuela de Ingeniería de São Carlos-USP, donde existe el único PCC de América Latina.

En términos de comunicación, los controladores programables, tales como CLPs y PCs mantienen contacto entre ellos, necesitando, por lo tanto, que grandes paquetes de datos se transfieran en innombrables y poderosas funciones de comunicación. Además, la integración eficiente con los sistemas de comunicación corporativos existentes, Intranet, Internet y Ethernet, son requisitos absolutamente obligatorios. Esta necesidad se suple con los protocolos PROFIBUS FMS y PROFINet.

 Figura 5 – Ejemplo de red Profibus con variantes Profibus-DP y Profibus-PA

La arquitectura PROFIBUS se divide en tres variantes principales:

PROFIBUS DP

El PROFIBUS DP es la solución de alta velocidad del PROFIBUS. Su desarrollo se optimizó especialmente para sistemas de control donde se destaca el acceso a los dispositivos de entrada/salida distribuidos y el se utiliza en sustitución a los sistemas convencionales 4 a 20 mA, HART o en transmisión de 24 V. a través de medio físico RS-485 o fibra óptica. Necesita menos que 2 m para transmisión de 1 kbyte de entrada y salida y se utiliza largamente en controles con tempo crítico.

Actualmente, 90% de las aplicaciones envolviendo esclavos Profibus utilizan el PROFIBUS DP, variante disponible en tres versiones,DP-V0, DP-V1 e DP-V2. Cada versión evolucionó según el avance tecnológico y la demanda por nuevas aplicaciones a través del tiempo.

Figura 6 - Versiones del Profibus

PROFIBUS PA PROFIBUS PA es la solución  de PROFIBUS que satisface a los requisitos de la automatización de procesos que posibilita la conexión de sistemas de automatización y de control de procesos con equipos de campo, tales como: transmisores de presión y de temperatura, conversores, posicionadores, etc.  El puede sustituir el estándar 4 a 20 mA.

Otros beneficios potenciales de utilización de esa tecnología abarcan ventajas funcionales tales como transmisión de informaciones fiables, tratamiento del estatus de las variables, sistema de seguridad en casos de falla, equipos con capacidad de diagnóstico automático, capacidad de alcance de los equipos, alta resolución en mediciones,  integración con control discreto en alta velocidad, aplicaciones en cualquiera sector, etc. Además de los beneficios económicos pertinentes a instalaciones (reducción hasta 40% en relación a los sistemas convencionales,  costos de mantenimiento (reducción hasta 25% en comparación con los sistemas convencionales, menor tiempo de puesta en marcha ofrecen un aumento importante en funcionalidad y seguridad.

El  PROFIBUS PA posibilita medición y control a través de una línea de dos cables simples. También permite alimentar los equipos de campo en áreas intrínsecamente seguras, y el mantenimiento y la conexión/desconexión de equipos mismo durante la operación sin interferir en otras estaciones en áreas potencialmente explosivas. El PROFIBUS PA se ha desarrollado en cooperación con los usuarios de NAMUR, la Industria de Control y Proceso, cumpliendo con la exigencias especiales de esa área de aplicación:

• El perfil original de la aplicación para la automatización del proceso e interoperabilidad de los equipos de campo de diferentes fabricantes.
• Adición y remoción de estaciones de barramientos mismo en áreas intrínsecamente seguras, sin influencia de otras estaciones.
• La comunicación transparente a través de los acopladores del barramiento de automatización del proceso PROFIBUS PA y del barramiento de automatización industrial PROFIBUS-DP.
• Alimentación y transmisión de datos a través del mismo par de cables, basándose en la tecnología IEC 61158-2.
• Uso en áreas potencialmente explosivas con blindaje tipo “intrínsecamente segura” o “sin seguridad intrínseca”.

Las conexiones de los transmisores, conversores y posicionadores en una red PROFIBUS DP se hacen a través de un acoplador DP/PA. El par de hilos cruzados se usan en la alimentación y la comunicación de datos de cada equipo, facilitando la instalación y resultando en bajo costo de hardware, menos tiempo de iniciación, mantenimiento sin problemas, bajo costo de software de ingeniería, y alta confianza en la operación.

La arquitectura y la filosofía del protocolo PROFIBUS garantizan a cada estación envuelta en el cambio de datos cíclicos tiempo suficiente a la ejecución de la tarea de comunicación en un intervalo de tiempo definido. Para eso, utilizase el procedimiento de pasaje de “token”, usado por estaciones amos del barramiento al comunicarse entre ellas, y el procedimiento amo-esclavo para comunicación con las estaciones esclavas. El mensaje de “token” (un frame especial para el pasaje del derecho de acceso de un amo a otro) debe circular, una vez a cada amo dentro del mismo tiempo máximo de rotación definido que es configurable. En el PROFIBUS el procedimiento de pasaje del “token” se usa solamente entre los amos.

Figura 7-Comunicação Multimaster

Figura 8- ComunicaciónAmo-Esclavo.

El procedimiento amo-esclavo posibilita al amo que esté activo (el que tiene el “token”) acceder a sus esclavos (a través de los servicios de lectura y escritura).

PROFINET

El PROFInet es una red estandarizada por PROFIBUS Internacional según la IEC 61158-5 y la IEC 61158-6. Es una de las catorce redes de Ethernet industrial. Básicamente hay dos tipos de redesPROFInet: PROFInet IO y PROFInet CBA. El PROFInet IO se utiliza en aplicaciones rápidas de tiempo real y el PROFInet CBA se utiliza donde el tiempo no es urgente, tal como en la conversión a la red PROFIBUS-DP.

El PROFInet es un concepto de información amplio que surgió como resultado de la tendencia de la tecnología de automatización para máquinas reutilizables y modulares en fábricas con inteligencia distribuida. Sus características satisfacen puntos-claves de las demandas de la tecnología de automatización:

• Comunicación compatible entre los diversos niveles de supervisión desde el campo hasta los niveles corporativos usando la Ethernet ;
• Gran cantidad de fabricantes de un protocolo y sistema abierto;
• Utiliza el estándar IT;
• Integración con sistemas PROFIBUS sin necesidad de cambios.

El PROFInet fue definido según su Physical Layer ISO/IEC8802-3, y su DataLink Layer según el TCP/UDP/IP/Ethernet da ISO/IEC8802-3. Su principal foco, que  revela las diferencias entre el mercado común de redes Ethernet, es la aplicación de objetos ya en uso y probados en software de tecnologías de automatización. Tras esta idea, las máquinas y fábricas pueden dividirse en módulos tecnológicos, cada uno de ellos con sus características y compromisos mecánicos, eléctrico-electrónicos y software de aplicaciones. Cada módulo entonces se encapsula según los componentes PROFInet y pueden accederse vía interfaces universales, además de interconectarse en varias aplicaciones. Entienda el concepto de componentes como la idea de reutilización de unidades de software.

En este sentido el PROFInet utiliza componentes COM (Component Object Model) y su expansión, el DCOM (Distributed Component Object Model), para sistemas distribuidos. Por lo tanto, todos los objectos son idénticos y tienen la misma aparencia. Este tipo de sistema distribuido de automatización habilita proyectos modulares de máquinas y fábricas con soporte a la reutilización de piezas de máquinas y fábricas, lo que garantiza interoperabilidad y reducción de problemas. La

integración de sectores PROFIBUS en PROFInet se hace implementando proxies, lo que asegura que todo el espectro de productos PROFIBUS pueden implementarse sin cambios, garantizando al usuario protección máxima a sus inversiones. Además, la tecnología Proxy permite la integración con otros tipos de fieldbus. 

Figura 9 – Creación e interconexión de components.

Figura 10 – Estructura de dispositivo PROFInet

Figura 11 – Modelo de migración PROFInet

El PROFINET tiene tres modelos distintos de operación, siendo dos de ellos de tiempo real. Vea la figura 12.

El primer modelo se basa en la arquitectura TCP/IP pura, utilizando la Ethernet en los estratos 1 y 2, el IP en el estrato 3 y el TCP o UDP en el estrato 4. Esa arquitectura se denomina Non-real time

(Non-RT), pues su tiempo de procesamiento es cercano de los 100 m. La más importante aplicación de ese tipo de comunicación es la configuración de la red o al comunicarse con los Proxies, utilizando el PROFInet CBA. Los Proxies son conversores de protocolos (por ejemplo, de PROFInet a PROFIBUS-DP o de PROFInet a HART, FF, etc), según se ve en la figura 13.

Figura 12 – PROFInet tiene tres modelos distintos de operación

Figura 13 - Proxy PROFInet/PROFIBUS-DP e PROFInet/HART, PROFInet/FF

El segundo modelo se basa en el llamado Soft Real Time (SRT) y caracterizase por ser un canal directo entre el estrato de la Ethernet y la aplicación. Al eliminar varios niveles de protocolo, hay una reducción en la largura de los telegramas transmitidos, requiriendo menos tiempo de transmisión de datos en la red. En este caso, se puede utilizar dos tipos de PROFInet y CBA.

El tercer modelo se basa en el concepto de Isochronous Real Time (IRT), para aplicaciones de tiempo crítico de respuesta inferior a 1 ms. Un ejemplo típico de esta aplicación es el control de movimiento de robots, cuyo tiempo de actualización de datos debe ser corto. En este caso se usa solamente el PROFInet.

Figura 14 - PROFInet CBA e IO proporcionando flexibilidad máxima a las aplicaciones

El PROFinet se ha desarrollado con su formato original para proporcionar acceso a las informaciones de datos a través de los servicios estándar de la WEB.

Figura 15 – Es posible acceder a las informaciones de datos del PROFInet a través de los servicios estándar de la WEB.

Además, la tecnología del PROFInet posibilita fácil integración con el sistema MES (Manufacturing Execution Systems).

Figura 16 – PROFInet y MES

Foundation Fieldbus

Este es un protocolo de comunicación digital en ambos sentidos que permite la conexión en red de varios equipos directamente en el campo, realizando funciones de  control y monitoreo de procesos y estaciones (IHMs) a través de software de supervisión. Se basa en el estándar ISO/OSI, que contiene los siguientes estratos:Physical Layer, Communication Stack y User Application, y abarca el Fieldbus Access Sublayer (FAS), el Fieldbus Message Specification (FMS) y el modelo de Function Block más Device Descriptions

Figura 17 –Estructura de estratos del Foundation Fieldbus

El Physical Layer (medio físico) se define según los estándares internacionales IEC y ISA). El recibe mensajes del estrato de comunicación (Communication Stack) e los convierte en señales físicos a través del medio de transmisión fieldbus y viceversa, incluyendo y removiendo preámbulos, y limitadores de comienzo y fin de mensajes.

Figura 18 – Ejemplo de señal Fieldbus en modo de tensión