Capitulo9

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Captulo 9El autmata programable y las Comunicaciones Industriales

9.1 Introduccin

Tal como se indica en el captulo 1, los primeros autmatas programables, comercializados al final de la dcada de 1960, realizaban el control de una mquina o de un proceso productivo sencillo. Para ello, las variables todo/nada (On/Off) del proceso se convertan en variables elctricas binarias que se conectaban al autmata programable a travs de terminales indepen-dientes tal como se indica en la figura 9.1. Pero la elevacin de la complejidad de los procesos productivos hizo que en ellos se tuviesen que utilizar varias mquinas, cada una de ellas espe-cializada en la realizacin de una o ms operaciones determinadas.

Figura 9.1. Autmata programable que se conecta con los diversos sensores y actuadores a travs de terminales independientes (Cortesa de Siemens).

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Autmatas programables y sistemas de automatizacin El autmata programable y las Comunicaciones Industriales

Adems cada mquina estaba, en general, fabricada por una empresa diferente y llevaba incorporado un autmata programable distinto. Se generaron entonces las llamadas Islas de Automatizacin, denominadas as porque los sistemas electrnicos de control carecan de ca-pacidad de dilogo entre ellos debido a lo cual las empresas industriales comenzaron a tener problemas para gestionar adecuadamente su proceso productivo. La situacin as creada motiv el inters por dotar a los sistemas electrnicos de control de capacidad de comunicacin entre ellos y con el entorno que les rodea y dio lugar a un rea de las Telecomunicaciones dedicada a estudiar la transmisin de informacin entre circuitos y sistemas electrnicos utilizados para llevar a cabo las tareas de control de productos y procesos. Dicha rea recibe en la actualidad la denominacin de Comunicaciones Industriales (Industrial Communications) y era prcticamente inexistente antes de 1970. Su rpido desarrollo es el resultado (Figura 9.2) de la confluencia de dos circunstancias:

La elevacin de la complejidad de los procesos y los productos industriales que dejaron de poder ser controlados y gestionados de forma manual para pasar a serlo mediante un procesador digital.

La evolucin de las comunicaciones digitales (Data Communications) como re-sultado del avance de la Microelectrnica que permiti ampliar la capacidad de los procesadores digitales y crear mecanismos para establecer la comunicacin a distancia entre los mismos [ELAH 01] [FORO 07] [STAL 07].

Figura 9.2. Descripcin conceptual de las Comunicaciones Industriales.

Por ello, para comprender las Comunicaciones Industriales es necesario estudiar tanto los conceptos ligados a los procesos productivos y al papel que el computador desempea en ellos en la actualidad, como las comunicaciones digitales que permiten que los computadores se co-muniquen entre s. Los primeros se estudian a continuacin y las comunicaciones digitales se analizan en el apndice 1.

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Autmatas programables y sistemas de automatizacin

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El autmata programable y las Comunicaciones Industriales

9.2 El computador y el ciclo del proceso de un producto

9.2.1 Conceptos generalesLa tcnica, cuyo origen se pierde en la noche de los tiempos, ha tenido un desarrollo parejo

al del ser humano sobre la tierra [MUMF 34]. Durante las primeras etapas de ese desarrollo, hasta finales del siglo XVIII, las diferentes reas de la tcnica evolucionaron individualmente, pero a partir de esa fecha comenz un proceso de integracin que ha llegado hasta nuestros das. En la figura 9.3 se representa grficamente dicho proceso de integracin que se puede conside-rar dividido en tres etapas:

La integracin mediante la Cinemtica, que se inici en 1772 con la invencin de la m-quina de vapor y se desarroll paulatinamente hasta 1871 mediante su utilizacin como elemento motriz de un eje central que accionaba un conjunto de mquinas-herramienta especializadas.

La integracin mediante la Electricidad, que se inici en 1871 con la invencin de la dnamo y se desarroll a lo largo del siglo XX mediante un conjunto de innovaciones basadas en la Electricidad que dieron lugar a las mquinas accionadas por motores elctricos controlados por sistemas electrnicos y situadas en lnea para efectuar una secuencia de operaciones.

La integracin mediante la Informacin que, aunque formalmente se inici en la dcada de 1960 con los primeros terminales remotos de los computadores, se puede considerar que se hizo realidad a partir de 1971 con la comercializacin de los primeros micropro-cesadores y especialmente en la dcada de 1980 con los primeros computadores perso-nales que permitieron implementar redes de sistemas electrnicos digitales programa-bles (computadores, autmatas programables, sistemas de control numrico, etc).

Figura 9.3. Evolucin de la Mecanizacin: De la rueda a la produccin integrada por computador.

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Pero no solo los artefactos tcnicos se fueron integrando entre s, sino que, como dijo Des-sauer [DESS 58], los objetos tcnicos, como por ejemplo un reloj o un microscopio, se convir-tieron en una mercanca, palabra que no es una categora tcnica porque frente al valor tcnico de un objeto, que es su valor especfico no canjeable, est el valor de canje, el precio, a cuya determinacin contribuye la oferta y la demanda en el mercado. Fue precisamente esa demanda a escala mundial la que hizo que decreciesen los lotes de fabricacin y los plazos de industriali-zacin, a la vez que se incrementaron la variedad y complejidad de los productos a desarrollar.

Figura 9.4. Ciclo completo del proceso de un producto.

Se produjo as la creacin del ciclo de un producto, que se representa en la figura 9.4 en la que se observa que todas las tareas que forman parte del mismo se pueden llevar a cabo median-te la utilizacin del computador para automatizar el diseo y la fabricacin y lograr dos gran-des objetivos que forman parte de la estrategia de todas las empresas fabricantes de productos industriales:

La utilizacin de mtodos de diseo de sistemas complejos que garanticen el correcto funcionamiento del prototipo y su produccin en serie.

La ejecucin de las tareas de produccin mediante mquinas que, no solo sustituyen a veces a las personas, sino que permiten la ejecucin de tareas que el ser humano, debido a sus limitaciones, es incapaz de acometer.

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Figura 9.5. Ejemplos de automatizacin fija: a) Mquina de fabricacin de platos; b) Mquina de colado a presin (Cortesa de Sargadelos, S.A.).

En los procesos discretos, conocidos como procesos de fabricacin (Manufacturing Processes), la automatizacin fija se inici a principios del siglo XX y un ejemplo de ello son las lneas de montaje mecanizado formadas por un conjunto de puestos de trabajo operados manualmente y enlazados por una cinta transportadora. En la actualidad ha sido sustituida por la automatizacin flexible descrita ms adelante.

9.2.4.2.2 Automatizacin programableLa automatizacin programable (Programmable automation) se identifica con los siste-

mas de fabricacin en los que el equipo de produccin est diseado para ser capaz de cambiar la secuencia de operaciones a fin de adaptarse a la fabricacin de productos diferentes (Figura 9.6). La secuencia de produccin se controla mediante un programa, que es un conjunto de ins-trucciones que se pueden cambiar para fabricar un nuevo producto.

Se inici con las mquinas-herramienta con control numrico, conocidas por las siglas NC (acrnimo de Numerical Control), cuyo primer prototipo se realiz en 1952, y los robots industriales, aunque sus orgenes se remontan al telar de Jacquard en 1801.

Se caracteriza por:

Una gran inversin en equipos de aplicacin general como por ejemplo sistemas de control numrico.

La necesidad de cambiar el programa y la disposicin fsica de los elementos de las mquinas para cada lote de productos distintos.

La existencia de un perodo de preparacin previo a la fabricacin de cada lote de pro-ductos distintos.

De lo expuesto se deduce que la automatizacin programable es adecuada para la fabri-cacin por lotes (Batch production) y no proporciona suficiente flexibilidad para realizar cambios en la configuracin del producto.

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Figura 9.6. Ejemplo de automatizacin programable. Mquina de fabricacin de manguetas de transmisin controlada por un sistema de control numrico (Cortesa de GKN Dri-veline Vigo).

9.2.4.2.3 Automatizacin flexibleLa automatizacin flexible (Flexible automation) es una extensin de la automatiza-

cin programable que da como resultado sistemas de fabricacin en los que no solo se pueden cambiar los programas sino que adems se puede cambiar la relacin entre los diferentes ele-mentos que los constituyen.

La automatizacin flexible ha dado lugar a los sistemas de fabricacin flexibles que se estu-dian en el apartado 9.2.4.6.

9.2.4.2.4 Automatizacin integradaTal como se indica anteriormente, la automatizacin de la produccin permiti inicialmente

la fabricacin en grandes lotes de un conjunto reducido de productos a lo largo de todo su ciclo de vida. Pero el aumento de la capacidad de produccin propici nuevas estrategias comercia-les que dieron como resultado la diversificacin de los productos y el aumento de la variedad y complejidad de sus componentes, lo cual fue complicando paulatinamente la gestin de la empresa industrial (control de almacenes, planificacin de la produccin, etc). El resultado de todo ello fue la necesidad de disminuir el tamao de los lotes de fabricacin y de los plazos de industrializacin, lo que impuls la necesidad de disponer de sistemas productivos ms versti-les y flexibles que los empleados anteriormente.

Surgi as la automatizacin integrada (Integrated automation), que es un sistema de fabricacin que integra el diseo asistido por computador (CAD), la ingeniera asistida por computador (CAE) y la fabricacin asistida por computador (CAM) con la verificacin, la co-

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Los sistemas de control numrico. Los autmatas programables. Los computadores industriales. Los sistemas de control de procesos continuos.

Aunque cada uno de ellos tiene caractersticas especficas que los diferencian de los dems, todos poseen la caracterstica comn de ser sistemas de control en tiempo real (Real time control systems), que se definen (segn el diccionario Oxford sobre computacin) como Cualquier sistema de control en el que el tiempo que tarda en producirse una determinada sali-da es significativo, lo cual ocurre habitualmente porque las variables de entrada son parmetros de algn movimiento o de los cambios en el valor de algunas variables de entrada del mundo fsico, con el que estn relacionadas tambin sus variables de salida. Esto hace que el valor del intervalo de tiempo que transcurre entre la aparicin de una determinada situacin de una o ms variables de entrada (como por ejemplo el cambio de estado de una variable lgica de entrada), y la generacin de la correspondiente respuesta de salida deba ser inferior a un determinado valor para que el comportamiento del sistema pueda ser considerado correcto.

De lo expuesto se deduce que el principal aspecto que distingue a un sistema de control en tiempo real de otro en el que el tiempo no es especialmente significativo, es que su correcto funcionamiento no depende solo del resultado de sus clculos sino tambin del tiempo que tarda en ejecutarlos.

A continuacin se describen los diferentes sistemas electrnicos de control antes citados.

9.2.4.4.1 Sistemas de control numricoLos sistemas de control numrico, conocidos por las siglas NC (acrnimo de Numerical

Control) son sistemas electrnicos programables que controlan los movimientos de una m-quina-herramienta. La unin de ambos da lugar a una unidad autnoma de mecanizado que es un conjunto mecnico con accionamiento propio que, por s solo o en unin de otros conjuntos similares, realiza operaciones de mecanizado sin necesidad de intervencin de un operario.

Los primeros sistemas de control numrico estaban formados por un sistema electrnico analgico de control en bucle cerrado en el que la seal de referencia la generaba un computa-dor a travs de un convertidor digital-analgico (Figura 9.7).

Figura 9.7. Esquema de bloques de un sistema electrnico de control numrico (NC) formado por un sistema de control de posicin analgico cuya seal de referencia la genera un computador digital.

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El progreso de la Electrnica propici el desarrollo en el Instituto Tecnolgico de Mas-sachussets en la dcada de 1950 del primer sistema de control numrico en el que el computador cierra el bucle de control mediante la ejecucin de un algoritmo que compara la informacin proporcionada por un codificador incremental de posicin con la calculada mediante un progra-ma de interpolacin del propio computador (Figura 9.8). La utilizacin de un computador hizo que los sistemas de control numrico se denominasen CNC (acrnimo de Computer Nume-rical Control).

Figura 9.8. Esquema de bloques de un sistema electrnico de control numrico realizado me-diante un computador (CNC) y un codificador incremental de posicin.

De forma paulatina, los sistemas CNC fueron incorporando, adems de las funciones de control de la mquinaherramienta, otras que mejoran las prestaciones como por ejemplo la adaptacin a las condiciones de trabajo, el diagnstico de averas, etc.

El desarrollo de los circuitos integrados a partir de 1980 propici que los sistemas de control numrico CNC evolucionasen siguiendo dos grandes lneas en funcin del campo de aplicacin que se describen seguidamente.

Sistemas CNC de gran capacidad

Son sistemas CNC que realizan el posicionamiento dinmico de los ejes con elevada preci-sin y que estn formados por dos mdulos. (Figura 9.9):

Un mdulo de rdenes (Command module) que est implementado actualmente con un microprocesador de 32 o 64 bits y posee una interfaz grfica fcil de utilizar.

Un mdulo de control numrico (Numerical Control Module ) propiamente dicho, que controla la mquina-herramienta a partir de las informaciones que genera el mdu-lo de rdenes.

Existe una gran variedad de sistemas CNC de gran capacidad que se caracterizan por poseer las siguientes caractersticas generales (Figura 9.10):

Controlan tres ejes o ms. Tienen un panel inteligente de operador asociado a una placa de computador que cons-

tituye un mdulo de comunicacin con el operador (Human Machine Interface) fcil de manejar.

Se acoplan a la unidad central de un autmata programable de elevadas prestaciones.

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Figura 9.9. Esquema de bloques de un sistema electrnico de control numrico (CNC) de gran capacidad formado por un mdulo de rdenes y un mdulo de control.

Figura 9.10. Elementos que forman parte de un CNC de gran capacidad (Cortesa de Siemens).

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Figura 9.11. Sistema de control numrico realizado con un motor paso a paso: a) Esquema de bloques; b) Mdulo FM353 de Siemens de posicionamiento de motores paso a paso acoplable a un autmata programable de la familia S7-300.

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Figura 9.12. Sistema CNC que utiliza como actuador un servomotor: a) Mdulo servomotor SIMODRIVE POSMO de Siemens; b) Sistema de control numrico para posicionar un eje realizado con el mdulo SIMODRIVE POSMO (Cortesa de GKN Driveline Vigo).

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Figura 9.13. Sistema de control numrico distribuido o directo.

9.2.4.4.2 Autmatas ProgramablesEl desarrollo de la energa elctrica a lo largo de la primera mitad del siglo XX propici la

introduccin de los motores elctricos en la prctica totalidad de los procesos productivos. Ello hizo que una de las partes ms importantes de cualquier fbrica fuese su instalacin elctrica, formada por un conjunto de mquinas elctricas estticas y rotativas interconectadas por medio de elementos de control, un porcentaje elevado de los cuales eran dispositivos (tanto sensores como actuadores) todo-nada (descritos en los apartados 7.2.4 y 7.4.1.3 del captulo 7).

Para controlar de forma automtica las instalaciones elctricas fue necesario realizar sis-temas digitales secuenciales implementados mediante rels interconectados. Pero los sistemas realizados con rels presentaban el inconveniente de sus elevadas dimensiones, la reducida vida til de sus contactos y la necesidad de modificar el cableado entre los dispositivos para adaptar la funcin del sistema de control a los cambios de la instalacin elctrica debidos a las modifi-caciones del proceso productivo.

Unido ello a la comercializacin de los transistores hizo que se desarrollasen en Europa, en la dcada de 1960, los primeros controladores lgicos cableados realizados con componentes electrnicos discretos encapsulados en un bloque, que recibieron la denominacin de Rels estticos, de los que la serie SIMATIC de Siemens y los NORBIT de PHILIPS fueron ejem-plos significativos (Figura 9.14).

La falta de flexibilidad de los rels estticos impuls la investigacin aplicada que dio como resultado el desarrollo y posterior comercializacin, a finales de la dcada de 1960, de un equi-

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po electrnico programable por personal no informtico, destinado a realizar funciones lgicas combinacionales y secuenciales en un ambiente industrial y en tiempo real. Dicho equipo, mu-cho ms sencillo que un computador y con unas funciones mucho ms limitadas, recibi en el mundo anglosajn la denominacin de PLC (acrnimo de Programmable Logic Contro-ller) que todava se utiliza en la actualidad, junto con la de autmata programable.

Figura 9.14. Rels estticos de la familia SIMATIC C de Siemens realizados con circuitos inte-grados de tecnologa TTL, utilizados a finales de la dcada de 1960 para realizar controladores lgicos cableados.

El rpido desarrollo de los microprocesadores a lo largo de la dcada de 1980 hizo que se utilizasen para realizar autmatas programables con capacidad de tratamiento de seales anal-gicas mediante su conversin en digitales y su proceso a continuacin.

La importancia de los autmatas programables en las tareas de control de todo tipo de ins-talaciones industriales ha motivado la publicacin de este libro, que en el resto de los captulos describe los diferentes conceptos ligados actualmente con ellos.

9.2.4.4.3 Computadores industrialesLos computadores industriales son sistemas electrnicos de control constituidos por un

computador de aplicacin general (General purpose computer) adecuadamente diseado y montado para poder trabajar en el entorno de un proceso industrial continuo o discreto y so-portar condiciones ambientales adversas (presencia de polvo, elevada temperatura, presencia de radiaciones electromagnticas, movimientos bruscos, golpes, etc.).

Los computadores industriales, y en especial aquellos cuyo sistema fsico (hardware) es equivalente al del computador personal, conocido popularmente como PC (acrnimo de Personal Computer), cuyo primer modelo, el PC XT, fue desarrollado inicialmente por la empresa IBM en 1981, han gozado en los ltimos aos de una gran aceptacin en el mbito especfico de la planta industrial.

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La entrada de estos sistemas electrnicos en el nivel de fbrica se hizo viable cuando su evolucin tcnica, que ha sido vertiginosa en los ltimos veinte aos, permiti el desarrollo de versiones cuyos elementos constitutivos (como por ejemplo la fuente de alimentacin, el siste-ma de ventilacin, los sistemas de almacenamiento masivo, etc.) estn ms adaptados para su utilizacin en el entorno industrial, lo cual eleva su fiabilidad y disponibilidad al mismo tiempo que mantiene la excelente relacin precio-prestaciones funcionales que proporcionan actual-mente los equipos utilizados en el entorno ofimtico.

Histricamente, la utilizacin del computador en aplicaciones industriales se inici [de for-ma casi coincidente con la propia comercializacin del computador personal (PC)] para llevar a cabo las tareas de edicin, puesta en marcha y depuracin de los programas de control asociados a los sistemas electrnicos de automatizacin de procesos como por ejemplo los sistemas de control numrico (CNC) o los autmatas programables. Actualmente se puede afirmar que la prctica totalidad de los fabricantes de este tipo de sistemas electrnicos utilizan el computador personal como plataforma que soporta la ejecucin de este tipo de herramientas informticas (Figura 9.15). Como ejemplo de ellas se pueden citar, entre otros, los sistemas de programacin STEP5 y STEP7 de Siemens, RSLogix de ROCKWELL AUTOMATION, PL7 AUTO-MATION UNITY de SCHNEIDER ELECTRIC, CX-Programmer de OMRON, etc.

Figura 9.15. Unidades de programacin FIELD PG de Siemens (Cortesa de Siemens).

Pero el aumento de la capacidad de memoria y de la velocidad de operacin de los com-putadores personales, propici tambin su utilizacin como sistemas de control. Se inici esta tendencia a principios de la dcada de 1990 en sectores industriales muy especficos y tecnol-gicamente punteros (como por ejemplo el aeroespacial, liderado por la NASA, y otras empresas internacionales) y en investigacin (como por ejemplo en el entorno universitario) y se traslad paulatinamente a las plantas industriales ms tradicionales para llevar a cabo la integracin de los procesos de gestin de la produccin con las tareas de control realizadas por otros sistemas electrnicos utilizados tradicionalmente para ello (autmatas programables, controladores nu-mricos, robots industriales, etc.).

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Figura 9.16. Pantallas de una aplicacin del programa informtico SCADA WinCC (Cortesa de Siemens).

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(de funcionamiento, alimentacin, etc.) del computador industrial en el que reside. Esta versin de la arquitectura PC-PLC es ms econmica que la que utiliza un autmata independiente de similares prestaciones. Adems, la placa Slot-PLC suele interaccionar con los dispositivos de campo (sensores y actuadores) del proceso a travs de un sistema de comunicaciones industria-les (denominado usualmente bus de campo), que se describe en el apartado 9.3.2.3.

Figura 9.17. Esquema de bloques de la arquitectura PC-PLC formada por un computador industrial y un autmata programable independiente.

La conexin de la placa Slot-PLC con el bus principal del computador permite, funda-mentalmente, que la velocidad y eficiencia del intercambio de informacin entre los procesos de control (que se ejecutan en ella) y los programas de gestin (que se ejecutan en el computador industrial en el que se aloja) sean lo ms eficientes y fiables posibles.

Diversos fabricantes disponen ya de este tipo de sistemas en su catlogo. Son ejemplo de Slot-PLC el WinAC Slot 412 o 416 de Siemens (Figura 9.18b), el AS-i PCI Master de BIHL&WIEDEMANN y el IBS ISA FC/486 DX/I-T de PHOENIX CONTACT.

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Figura 9.18. Arquitectura PC-PLC realizada con un computador industrial y una placa de aut-mata programable (Slot-PLC): a) Representacin grfica del concepto Slot-PLC; b) Computador industrial de Siemens que incorpora una placa WinAC Slot 412.

Computador industrial y sistema operativo en tiempo real

La aplicacin del computador industrial en sectores tecnolgicamente avanzados (como el aeroespacial, robtica, visin artificial, universitario, etc.) motiv el desarrollo de este tipo de sistema de control, que consiste en utilizar el propio computador industrial como un equipo en el que se implantan, simultneamente, el control en tiempo real y la gestin de los procesos de fabricacin.

Diversas empresas especializadas en este sector informtico han desarrollado, para los com-putadores industriales, sistemas operativos en tiempo real denominados RTOS (acrnimo de Real Time Operating System), que posibilitan el desarrollo de programas de control que satisfacen las restricciones de determinismo temporal asociadas intrnsecamente con los proce-sos de produccin. Estos sistemas operativos permiten, adems, ejecutar otros programas como por ejemplo los de desarrollo y gestin, mediante la utilizacin de interfaces grficos basados en ventanas y la comunicacin con otros sistemas informticos a travs de redes ofimticas. En la figura 9.19 se representa el entorno de desarrollo del sistema de manutencin industrial basado en el Sistema Operativo de tiempo real RTX para Windows-XP de Interval Zero. Dicho entorno utiliza el lenguaje C para desarrollar los procesos de control y Visual Basic para las aplicaciones de interfaz mquina-usuario (HMI) y de monitorizacin.

Diversas empresas han desarrollado este tipo de sistemas operativos. Entre ellas cabe citar a Siemens que, a partir del sistema operativo iRMX de INTEL, desarroll el RTOS denomina-do RMOS (que hoy en da es la base de sus equipos de control de procesos STEP7), QNX y LYNX que desarrollaron sendos RTOS que llevan su nombre, WINDRIVER, cuyo RTOS denominado VxWorks es utilizado con frecuencia por la NASA en sus proyectos aeroespa-ciales, etc.

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Figura 9.19. Ejemplo de entorno de desarrollo de aplicaciones de control en el sistema operati-vo de tiempo real RTX de Interval Zero (Cortesa del Departamento de Ingeniera de Sistemas y Automtica de la Universidad de Vigo).

Una variante reciente de este tipo de sistema de control consiste en adaptar los sistemas operativos de aplicacin general (es decir, que son una norma de facto en el entorno indus-trial actual) con el fin de utilizarlos para llevar a cabo el control en tiempo real de los procesos productivos. Para ello, en la mayor parte de los casos, se realizan modificaciones especficas del ncleo de dichos sistemas operativos a fin de que permitan la ejecucin determinista de los programas de control en tiempo real de los procesos productivos para lo cual relegan, si es pre-ciso, las tareas de gestin a un menor nivel de prioridad. Entre los productos disponibles en el mercado se pueden citar RTX (RealTime eXtensin) de Interval Zero (sistema utilizado por Siemens para una de sus soluciones Soft-PLC que se describen en el siguiente apartado), iRMX for Windows de TENASYS, e Hyperkernel de NEMATRON, desarrollados a partir de la familia de sistemas operativos Windows de MICROSOFT, as como RTLinux Free de Wind River, desarrollado a partir del sistema operativo de libre distribucin Linux.

Computador industrial y software de autmata programable

La limitada utilizacin actual del computador industrial como sistema de control de los pro-cesos productivos est relacionada, en buena medida, con la tradicional resistencia al cambio

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(o miedo a lo desconocido), con cierta fama (por otra parte bien merecida hasta no hace mu-cho tiempo) de falta de estabilidad de ciertos sistemas operativos del mbito ofimtico y con la falta de conocimiento que el personal de mantenimiento de las plantas industriales tiene de los entornos y lenguajes de programacin utilizados en este mbito, como por ejemplo C, C++, Ada, Java, Pascal, Visual Basic, etc.

Para paliar este problema, los fabricantes proponen, como solucin de compromiso, progra-mas conocidos con el sobrenombre de Soft-PLC (abreviatura de Software Programmable Logic Controller). Dichos programas son herramientas informticas que, en combinacin con algn RTOS (como los indicados en el apartado anterior), emulan el funcionamiento de un autmata programable, es decir, funcionan igual que l. Para el diseador de aplicaciones de control, este sistema se programa y se comporta igual que un autmata programable debido a que las herramientas de programacin, puesta en marcha y depuracin de los programas de control, as como los lenguajes de programacin utilizados, son los mismos.

Ejemplos de este tipo de sistemas de control son los programas WinAC Basis y WinAC RTX de Siemens (Figura 9.20) que emulan, en un computador industrial bajo Windows XP y RTX, respectivamente, el funcionamiento de los autmatas programables de la familia SI-MATIC S7, as como el programa CodeSys SP RTE de 3-S SOFTWARE, que emula el fun-cionamiento de un autmata programable genrico que utiliza los lenguajes de programacin establecidos por la norma IEC-61131-3, que se estudia en el captulo 3.

Figura 9.20. Interfaz de usuario del programa WinAC RTX de Siemens.

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Computador empotrado

El avance de la Microelectrnica, que mejor las prestaciones del sistema fsico (hard-ware) de los computadores de aplicacin general e hizo posible la implantacin en ellos de sistemas operativos de tiempo real (cuya denominacin ms habitual es Embedded Opera-ting Systems), ha dado lugar a otro tipo de sistemas de control en los que el computador queda empotrado dentro de otro tipo de sistemas, entre los cuales cabe citar los interfaces usua-rio-mquina (HMI), descritos en el apartado 8.3.2, las agendas personales denominadas PDA (acrnimo de Personal Data Assistant), los reproductores de audio y video, los sistemas electrnicos de asistencia al guiado y ocio en automviles, etc. A este tipo de sistemas, que tie-nen en la actualidad una gran proyeccin en el mbito industrial, se les suele dar en general la denominacin de computadores empotrados (Embedded computers).

Entre los sistemas operativos de tiempo real desarrollados para los computadores empo-trados cabe citar, entre otros, Windows CE y XP Embedded de MICROSOFT y S60 de SYMBIAN. Adems, se han desarrollado versiones para computadores empotrados de otros sistemas operativos de aplicacin ms general, como por ejemplo QNX y Linux.

Un ejemplo de computador empotrado, utilizado recientemente en el mbito industrial son los interfaces usuario-mquina, denominados plataformas multifuncionales, que combinan los paneles de operacin y los paneles tctiles descritos en el apartado 1.3.3.3.2 con uno de los sis-temas operativos anteriormente citados, para desarrollar aplicaciones de monitorizacin, super-visin, mantenimiento e incluso control de procesos industriales. Un ejemplo de estos sistemas son los equipos de la familia MP (acrnimo de Multi Panel) de Siemens. En la figura 9.21 se muestra el esquema de bloques y una solucin comercial de esta clase de sistemas.

Figura 9.21. Equipo de la familia MP: a) Esquema de bloques; b) Fotografa del equipo MP370 (cortesa de Siemens).

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9.2.4.4.4 Sistemas electrnicos de control de procesos continuosLos procesos continuos (Continuous Processes) son aquellos cuyo producto final, en

lugar de estar formado por un conjunto de elementos separados, est constituido por un material que fluye de forma continua (productos qumicos en fase fluida, mezclas de slidos como por ejemplo piensos, etc). Este tipo de procesos se caracterizan porque en ellos es necesario contro-lar elementos (como por ejemplo electrovlvulas proporcionales, motores, etc.) mediante varia-bles analgicas. Por lo tanto los sistemas electrnicos de control de procesos continuos deben recibir seales a partir de sensores de medida (descritos en el apartado 7.2.4 del captulo 7), y generar variables analgicas que controlan los diferentes actuadores del proceso [KUO 95].

Los primeros sistemas de control de procesos continuos se realizaron con procesadores ana-lgicos formados por amplificadores operacionales adecuadamente realimentados [FIOR 01]. En la figura 9.22 se representa, como ejemplo, el esquema de bloques de un sistema electrnico analgico de control de velocidad que utiliza como sensor una generatriz tacomtrica.

Figura 9.22. Esquema de bloques de un sistema electrnico analgico de control de velocidad que utiliza como sensor una generatriz tacomtrica.

Figura 9.23. Esquema de bloques de un sistema de control de velocidad realizado mediante un microcomputador.

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En la dcada de 1960 se inici la aplicacin de los procesadores digitales al control de pro-cesos continuos, tal como se indica en el apartado 4.2.2.3 del captulo 4, pero su elevado coste, por estar realizados con componentes electrnicos discretos, restringi su campo de aplicacin a aquellas instalaciones de gran complejidad cuyo coste era muy superior al del procesador. La comercializacin de los microprocesadores primero y de los microcontroladores [ANGU 03] [MAND 07] [MART 93] posteriormente, consecuencia de la elevacin de la capacidad de inte-gracin de los fabricantes de circuitos integrados, provoc una drstica disminucin del coste y una elevacin de la capacidad de los procesadores digitales, e hizo que sustituyesen paulati-namente a los procesadores analgicos en numerosas aplicaciones [LEIG 85] [SING 80] [KUO 95]. En la figura 9.23 se representa el esquema de bloques de un sistema de control de velocidad realizado mediante un microcomputador que utiliza como sensor un codificador incremental que genera un nmero de impulsos por unidad de tiempo proporcional a la velocidad de giro del motor al que est acoplado.

En la actualidad la prctica totalidad de los sistemas electrnicos de control de procesos continuos se implementa mediante procesadores digitales. En los procesos continuos sencillos en los que el nmero de variables a medir y controlar es reducido, se utilizan generalmente equipos basados en microcontroladores, que son computadores en los que la unidad central de proceso, la memoria voltil y no voltil as como diversas unidades de interfaz estn incluidas en un nico circuito integrado de muy elevada escala de integracin [ANGU 03] [MAND 08] [MART 93]. Un ejemplo tpico de regulador de procesos continuos sencillos es el regulador PID de la familia SIPART DR de Siemens (Figura 9.24).

Figura 9.24. Regulador PID industrial de la familia SIPART DR que est implementado con un microcontrolador (cortesa de Siemens).

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En los procesos complejos, denominados en general simplemente procesos (Processes), en los que el nmero de variables a manipular puede llegar a ser de cientos e incluso de miles, se utilizan sistemas electrnicos digitales de elevada capacidad de clculo, que combinan las prestaciones de los autmatas programables y los computadores industriales. Un ejemplo tpico de este tipo de sistemas es el sistema SIMATIC PCS7 de Siemens, basado en los controladores de la familia S7-400 (Figura 9.25), en el que PCS es un acrnimo de Process Controller System. Este tipo de sistemas es conocido, en general por las siglas DCS (Distributed Control System) que es una denominacin, que, tal como se indica el apartado 4.2.3 del cap-tulo 4, utilizan numerosos fabricantes de sistemas electrnicos de control para hacer referencia a los controladores de procesos continuos.

Figura 9.25. Sistema de control de procesos continuos SIMATIC PCS7 de Siemens basado en un autmata programable de la familia S7-400 (cortesa de Siemens).

9.2.4.4.5 Sistemas CAD-CAMSuelen recibir esta denominacin los sistemas electrnicos que ejecutan un conjunto de pro-

gramas que automatizan y simplifican las tareas de diseo, simulacin, y fabricacin asistidas por computador.

Las principales funciones de un sistema CAD/CAM son:

El diseo (elctrico, mecnico, electrnico, de programas de control, etc.) asistido por computador.

La simulacin asistida por computador. La programacin de sistemas de control numrico. La programacin de robots. La planificacin del proceso productivo.

Un sistema CAD/CAM es por lo tanto un computador que posee los recursos fsicos (Hard-ware) y las herramientas de diseo y fabricacin (Software) adecuadas para realizar las tareas antes indicadas. Suele formar parte del nivel de fbrica de la pirmide CIM (acrnimo de Com-puter Integrated Manufacturing) que se analiza en el apartado 9.2.5.

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Figura 9.26. Esquema de bloques de un robot.

El sistema motriz que puede ser electromecnico, neumtico o hidrulico. Uno o mas sistemas electrnicos de control por computador. Un conjunto de sensores.

A continuacin se analiza brevemente cada una de ellas. Para un estudio ms profundo se re-mite al lector a la bibliografa [AUDI 88] [AYRE 83] [BARR 07] [FERR 86] [KIEF 98] [OLLE 01] [RENT 00] [SIMP 96] [TORR 02] [WEBB 93].

Sistema mecnico dinmico

Constituye el cuerpo del robot, que se encarga de ejecutar los desplazamientos dentro del rea de trabajo. Como su nombre indica, est formado por un conjunto de elementos mecnicos relacionados entre s, cuya posicin relativa se puede modificar mediante unos elementos ac-tuadores. El nmero de movimientos relativos da lugar a otros tantos grados de libertad. Dicho nmero se debe limitar al mnimo necesario para llevar a cabo un determinado trabajo.

De acuerdo con las caractersticas del sistema mecnico articulado, los robots se clasifican en tres grandes categoras [AUDI 88]:

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Figura 9.27. Diferentes arquitecturas de los robots: a) Cartesiana; b) Cilndrica; c) Esfrica; d) Articulada.

Figura 9.28. Robot articulado para transferencia de piezas en una lnea de prensas (cortesa de GESTAMP VIGO).

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Figura 9.29. Esquema de bloques tpico del sistema electrnico de control de un robot.

Sensores

Los sensores (descritos en el captulo 7) son los elementos encargados de proporcionar al robot, en forma de seales elctricas, la informacin de la evolucin de un conjunto de variables fsicas que se pueden dividir en dos grupos (Figura 9.26):

Variables internas de las que las ms importantes son la posicin y velocidad de los distintos ejes, y la fuerza y el par de los dispositivos de sujecin.

Variables externas que proporcionan al robot la capacidad de captacin de las caracte-rsticas de su entorno.

Los robots forman parte de la mayora de los sistemas de fabricacin flexible que se analizan a continuacin. Debido a ello deben tener capacidad de comunicacin con los diversos sistemas electrnicos de control (autmatas programables, sistemas de control numrico, computadores industriales, etc.) para lo cual su procesador de comunicaciones ha de utilizar el mismo tipo de red de control que ellos. Las redes de control forman parte de las Comunicaciones Industriales que se analizan en el apartado 9.3.

9.2.4.6 Sistemas de fabricacin flexibleLos sistemas de fabricacin flexible (Flexible manufacturing system) se pueden

definir de dos formas diferentes segn se ponga nfasis en la produccin o en la automatizacin. En el primer caso se definen como un conjunto de mquinas e instalaciones, enlazadas entre s mediante un sistema de transporte y control, que es capaz de producir una variedad de produc-tos dentro de una gama sin necesidad de interrumpir el proceso de fabricacin para realizar una

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En la figura 9.30 se representa el esquema de bloques de una clula de fabricacin flexible que posee dos mquinas de control numrico, un robot y un carrusel de piezas. La figura 9.31 es una clula de fabricacin flexible realizada con un robot y dos sistemas de control numrico.

Figura 9.30. Esquema de bloques de una clula de fabricacin que tiene dos sistemas CNC, un robot y un carrusel de piezas.

Figura 9.31. Clula de fabricacin flexible realizada con un robot y dos sistemas de control numrico (cortesa de GKN Driveline Vigo).

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La ingeniera de proceso porque necesita integrar tcnicos en proceso con tcnicos en informtica, comunicaciones, electrnica, circuitos neumticos e hidrulicos, etc.

Las finanzas porque: Los sistemas de costes pasan de tener un componente variable muy alto a ser prc-

ticamente fijos y, por lo tanto, a ser muy sensibles al volumen de produccin.

Los procedimientos de anlisis de inversiones y de su amortizacin experimentan tambin un cambio importante.

Las relaciones industriales porque puede ocasionar problemas laborales importantes si no es asumida por el personal debido a que:

Reduce los puestos de mano de obra directa.

Aumenta las necesidades de formacin, reconversin, y modificacin de estructu-ras y funciones.

Necesita, en algunos casos, la contratacin de expertos en condiciones ms favora-bles de las usuales.

Por todo ello la fabricacin flexible se debe implantar de forma progresiva y con una ade-cuada informacin, formacin y adecuacin del personal.

Se puede por lo tanto concluir que la fabricacin flexible es un proceso que debe implicar a toda la organizacin, que debe estar motivada en todos sus estamentos y muy especialmente en la alta direccin.

Figura 9.32. Ejemplo de niveles de la estructura funcional de un sistema de fabricacin flexible.

La estructura funcional de un sistema de fabricacin flexible se puede considerar dividida en niveles, tal como se indica en el ejemplo de la figura 9.32, que representa un sistema de fa-bricacin flexible formado por varias clulas de fabricacin coordinadas por un controlador de taller. El nivel 0 est formado por los sensores y actuadores de las diferentes mquinas. Cada

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mquina posee un sistema electrnico de control y su conjunto constituye el nivel 1. Las dife-rentes mquinas constituyen una clula cuyo controlador forma parte del nivel 2. Finalmente un controlador de taller, que constituye el nivel 3, coordina entre s las distintas clulas.

9.2.5 Fabricacin integrada por computador. Pirmide CIM

9.2.5.1 IntroduccinDe lo expuesto en el apartado 9.2.4.6 se deduce la necesidad de integrar los procesos de

produccin (diseo, ingeniera y fabricacin) con los de gestin de la empresa. Se obtiene as la fabricacin integrada por computador, conocida como CIM (acrnimo de Computer In-tegrated Manufacturing) [SIEM 91] [REHG 05] [LEON 00], que forma parte en general de la estrategia de una empresa industrial que integra, en mayor o menor medida mediante la utilizacin adecuada de los computadores, todas las reas de la empresa:

Ordenes de entrada. Control de inventarios. Planificacin de necesidades de materiales. Diseo del producto y del proceso. Simulacin. Planificacin de la fabricacin. Automatizacin de la produccin. Control de calidad.

Figura 9.33. Pirmide CIM.

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procesos de fabricacin y su secuencia concreta, se gestiona el material y los recursos (mqui-nas, programas, etc.) necesarios para la obtencin del producto final, se planifican las labores de mantenimiento, etc.

Nivel de EmpresaEn este nivel se lleva a cabo la gestin e integracin de los niveles inferiores. En l se con-

sideran principalmente los aspectos de la empresa desde el punto de vista de su gestin global (compras, ventas, comercializacin, investigacin, objetivos estratgicos, planificacin a medio y largo plazo, etc.).

9.2.5.2 Implantacin del modelo CIMEl modelo CIM, que se acaba de describir, se puede implantar en la realidad tal como se

indica en la figura 9.34.

Figura 9.34. Relacin entre el modelo terico de la pirmide CIM y su implantacin real en la empresa.

El nivel de proceso, tal como se indica anteriormente, est formado por los dispositivos de campo (sensores y actuadores) que interactan de forma directa con el proceso productivo. A su estudio se dedica el captulo 7, que se combina con el captulo 8 dedicado a las unidades de interfaz entre los autmatas programables y el proceso.

El conjunto formado por el nivel de estacin/mquina, taller/celda y rea est constituido por un conjunto de sistemas electrnicos de control que se describen someramente en el apar-tado 9.2.4.4, excepto los autmatas programables a los cuales se dedica principalmente el resto de los captulos de este libro.

El nivel de fbrica, en el que se realiza el secuenciamiento de las tareas y la administracin de los recursos, es el ltimo en el que se han comenzado a utilizar, en los ltimos aos, programas que tienen como objetivo contribuir a ejecutar eficientemente el plan de fabricacin de una plan-ta. Por eso, los suministradores de equipos tanto hardware como software orientados a la fabrica-cin integrada por computador, como Siemens, desarrollaron programas especficos que reciben el nombre de MES (acrnimo de Manufacturing Execution System). Los sistemas MES son principalmente sistemas informticos en lnea que proporcionan herramientas para llevar

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En la figura 9.35 se muestra de forma grfica el modelo de la asociacin MESA que se acaba de describir.

Figura 9.35. Modelo de un sistema MES desarrollado por la asociacin MESA.

Un ejemplo de sistema MES es el conjunto de programas SIMATIC IT de Siemens, que se representa grficamente en la figura 9.36. SIMATIC IT esta formado por el siguiente subcon-junto de programas denominados componentes de SIMATIC IT:

Conjunto de componentes de produccin (Production Suite Components) Gestor de rdenes de fabricacin (Production Order Manager)

Edita, transfiere y monitoriza las rdenes de fabricacin.

Gestor de materiales (Material Manager)Define los materiales segn la norma S95. Recopila en tiempo real toda la in-formacin relativa a los materiales y lleva a cabo la trazabilidad del producto a travs de todo el proceso productivo.

Gestor de personal (Personnel Manager)Proporciona las funciones necesarias para la gestin del personal involucrado en el proceso de fabricacin. Permite la divisin de los operarios en grupos y la asignacin de turnos de trabajo a los mismos.

Histrico (Historian)Captura los datos de la planta de produccin proporcionados por el laboratorio (Uni-lab) y los almacena para realizar informes, certificaciones, estadsticas, monitoriza-cin de rendimientos, etc.

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Figura 9.36. Representacin grfica del sistema MES de SIEMENS y su relacin con el nivel de sistemas de control y el nivel de planificacin de recursos de la empresa (ERP).

Laboratorio (Unilab)Recoge las muestras de los productos para determinar su calidad u en funcin del re-sultado toma decisiones en relacin con su aceptacin, rechazo o reprocesamiento.

Gestin de especificaciones (Interspec)Gestiona las especificaciones del producto establecidas por la empresa en un entorno que puede tener varias plantas de fabricacin y varios idiomas.

Componentes opcionales Planificador de la produccin (Detailed Production Schedule)

Planifica y sincroniza simultneamente las mquinas, la mano de obra y los mate-riales y proporciona un plan optimizado de fabricacin.

Servidor (Server)

Gestiona el modelo de integracin de datos para realizar la certificacin del punto de acceso del servicio (SAP).

Gestor de informes (Report Manager)

Facilita la realizacin de todos los informes necesarios.

Adems SIMATIC IT contiene un conjunto de programas que enlaza los componentes antes citados con las aplicaciones. Dicho conjunto, denominado Estructura de SIMATIC IT (SIMA-TIC IT Framework) esta formado por los siguientes programas:

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Para estudiar las redes utilizadas en las Comunicaciones Industriales (Industrial Net-works), que en adelante se denominan redes industriales, el lector debe conocer el modelo de la conexin de sistemas informticos abiertos denominado OSI (acrnimo de Open Systems Interconnection), desarrollado por ISO (acrnimo de International Standard Or-ganization). En este modelo se basan la mayor parte de dichas redes, que se describen en sucesivos apartados.

En la figura 9.37 se representa grficamente el modelo OSI, que pone en evidencia que los nodos de una red se relacionan a travs de siete niveles de dilogo, cada uno de los cuales tiene asociado un protocolo, que es un conjunto de reglas que gobiernan el intercambio de datos entre las entidades del mismo nivel de cada nodo. Por ejemplo, en el nivel de aplicacin son entidades los programas que, en un sistema ofimtico, gestionan el correo electrnico y los que controlan, en un entorno industrial, la transferencia de informacin entre un autmata programable y sus mdulos de interfaz de dispositivos de campo situados a distancia.

Figura 9.37. Modelo OSI desarrollado por ISO para la conexin de sistemas informticos abiertos.

Al lector que no conozca los conceptos bsicos de las redes de comunicaciones y en parti-cular el modelo OSI, se le recomienda la lectura del apndice 1 y la consulta de la bibliografa indicada en l.

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tivos de campo) a un controlador de estacin o de clula (autmata programable, robot, sistema de control numrico (CNC), etc.), mediante hilos independientes (Figura 9.1).

Para resolver el problema, surgi la idea de conectar cada dispositivo o grupo de dispositivos de campo a un procesador de comunicaciones. Conectando entre s los distintos procesadores de comunicaciones, se logra que los sensores y/o actuadores compartan un canal de comunica-ciones serie, digital, bidireccional y multipunto (denominado bus de campo) a travs del cual intercambian informacin con los sistemas electrnicos de control (Figura 9.38). Adems, el procesador de comunicaciones suele tener capacidad para ejecutar funciones de autodiagnstico que le proporcionan un cierto nivel de seguridad ante averas. Esta clase de redes son las que se conocen en la actualidad con el nombre de redes de sensores-actuadores.

Figura 9.38. Conexin de los dispositivos de campo con un autmata programable a travs de una red o bus de campo (Cortesa de Siemens).

Adems, las redes de campo no tienen por qu limitarse a la conexin de sensores y ac-tuadores con un sistema de control, sino que pueden tambin servir para enlazar entre s todos los sistemas electrnicos de control del nivel de fbrica (autmatas programables de diferentes fabricantes, computadores industriales, controladores de robots, etc). Este tipo de redes se de-nominan redes de controladores.

Ambos tipos de buses de campo (de sensores-actuadores y de controladores) se diferencian de las redes de datos en que permiten la transmisin de informacin en pequeos paquetes (con unos tamaos que varan entre las decenas y centenas de octetos) y con unos requisitos tempo-rales que exigen su intercambio en un intervalo de tiempo muy reducido (comprendido entre los milisegundos y las dcimas de segundo).

Las redes o buses de sensores-actuadores se caracterizan, en general, por estar formados por un nico sistema electrnico de control (por ejemplo un nico autmata programable) y un conjunto de mdulos de sensores/actuadores que deben enviarle o recibir informacin de l en intervalos de tiempo cuyo lmite superior est acotado para poder trabajar correctamente

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en tiempo real (lo que se denomina comportamiento determinista). Para ello utilizan diver-sos mecanismos de acceso al medio, entre los que cabe citar el acceso priorizado denominado principal-subordinado (master-slave), descrito en el apartado A1.3.3.3.1 del apndice 1, que asegura que, como mximo, slo un nodo transmite informacin en un instante determinado. El nodo o estacin principal (master) se encarga de coordinar y distribuir los procesos de co-municacin en la red, para lo cual interroga o consulta de forma cclica (polling), a los nodos subordinados (slaves).

Los buses de controladores se caracterizan, en general, por estar formados por varios siste-mas electrnicos de control que deben tener la misma capacidad de acceso a un medio de comu-nicacin compartido, tpico de las redes ofimticas de igual a igual (peer-to-peer), descritas en el apartado A1.3.3.3.2 del apndice 1. Por ello, este tipo de buses implementan en general un mecanismo de reparto del tiempo de acceso al medio mediante paso de testigo (Token Bus), descrito en el apartado A1.3.3.3.2 del apndice 1), que permiten que varios nodos de la red pue-dan intercambiar, en el tiempo, el papel de nodo principal. Dicho mecanismo se combina con el de acceso al medio denominado principal-subordinado (master-slave) (apartado A1.3.3.3.1 del apndice 1) que es el que regula la relacin entre el nodo activo (el que posee el testigo en un instante dado) y el resto de los nodos de la red.

Aplicacin(Application)7

No se utilizan

los niveles

intermedios

6

5

4

3

Enlace(Data Link)2

Fsico(Physical)1

Comunicacin fsica

7

6

5

4

3

2

1

Protocolo del nivel de aplicacin

Enlace(Data Link)

Fsico(Physical)

Aplicacin(Application)

No se utilizan

los niveles

intermedios

Enlace(Data Link)

Fsico(Physical)

Figura 9.39 . Figura 9.39. Modelo OSI simplificado utilizado en las redes de control.

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caciones Industriales de la tabla 9.3 y pase a tenerla la de la tabla 9.4, que indica que adems de las redes de aplicacin especfica, en el siglo XXI existen redes universales y redes integradas, estudiadas a continuacin, que satisfacen las necesidades de los niveles altos y bajos de la pi-rmide CIM.

9.3.2.5.2 Tipos de redes Ethernet IndustrialPara implementar una red Ethernet Industrial existen dos opciones:

Modificar Ethernet para utilizarla en todos los niveles de la pirmide CIM

Se obtiene as una red industrial universal (Universal industrial network) que permite la implantacin de las comunicaciones en los diversos niveles de la pirmide CIM y se representa grficamente de forma simplificada en la figura 9.40, en la que se puede observar que a travs de una red nica se conectan los diferentes sistemas que forman parte de la pirmide CIM:

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

Los controladores (PLC), las interfaces mquina-usuario (HMI) y las estacio-nes de entrada-salida remotas (Distributed periphery) en las que el tiem-po de respuesta TR est comprendido, en general, entre 1 y 10ms.

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

Es un ejemplo de una red industrial universal la red Profinet que se describe en el apn-dice 4.

Figura 9.40. Diagrama de bloques del principio de funcionamiento de una red universal Ethernet Industrial.

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Combinar la red Ethernet con una red de controladores y otra de sensores/ actuadoresIntegrar la red Ethernet con una red de controladores y otra de sensores/actuadores que utilizan el mismo protocolo de la capa de aplicacin que ella. La red Ethernet, que en este caso se suele denominar tambin Ethernet Industrial, se utiliza hasta que el nivel de sus prestaciones de velocidad y determinismo lo permiten, teniendo en cuenta las caractersticas de la planta. Las redes de controladores y de sensores/actuadores im-plementan el resto de las comunicaciones de la planta. En la figura 9.41 se representa el diagrama de bloques del principio de funcionamiento de una red Ethernet Industrial de este tipo de red industrial integrada (Integrated industrial network). Las unidades de control de movimiento y las estaciones de entrada-salida remotas se co-nectan, en general, a un bus de sensores-actuadores que tenga el tiempo de respuesta necesario para este tipo de sistemas. Las unidades de interfaz mquina-usuario y los controladores se conectan a un bus de controladores y adems estos ltimos hacen de puente (Bridge) entre las dos redes citadas que se diferencian en el protocolo de enlace y poseen un protocolo idntico en la capa de aplicacin. Por ltimo a la red Ethernet Industrial se conectan controladores, sistemas SCADA y las estaciones de entrada-salida remotas que exigen un tiempo de respuesta mayor que las conectadas a los buses de sensores-actuadores y de controladores.

Figura 9.41. Diagrama de bloques del principio de funcionamiento de una red integrada Ethernet Industrial.

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Es un ejemplo de una red integrada Ethernet Industrial la combinacin de la red Ethernet/IP (denominada simplemente Ethernet Industrial), la red de controladores ControlNet y la de sensores-actuadores DeviceNet, que utilizan todas ellas en la capa de aplicacin el protocolo CIP (acrnimo de Common Interface Protocol).

9.4 El autmata programable y las Comunicaciones Industriales

9.4.1 IntroduccinPor ser el autmata programable, tal como se indica en el captulo 1, uno de los sistemas

electrnicos ms utilizados en la automatizacin de los procesos productivos como parte in-tegrante de la pirmide CIM (Figura 9.33) de fabricacin integrada por computador, tambin conocida como TIA (acrnimo del ingls Totally Integrated Automation), en especial en los niveles de control de mquinas, clulas y reas de fabricacin (Figura 9.42), se fueron incorporando a l, de forma paulatina, las Comunicaciones Industriales. Para ello se les fue do-tando de capacidad de comunicacin tanto con los dispositivos de campo como con los dems sistemas electrnicos de control situados en su entorno (otros autmatas programables, sistemas de control numrico, computadores industriales, etc).

Figura 9.42. Utilizacin del autmata programable en la pirmide CIM (cortesa de Siemens).

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En la figura 9.43 se representa grficamente la evolucin en Europa de los autmatas pro-gramables, en la que se pueden distinguir las siguientes etapas a partir de 1975:

1975: Comercializacin de los autmatas programables basados en un microprocesador (por ejemplo, la familia SIMATIC S3 de Siemens).

1980: Comienzo de la conexin de los autmatas programables entre s y con los sen-sores y actuadores (dispositivos de campo), mediante redes de control.

1994: Descentralizacin generalizada de los procesos de control: Sistemas de control distribuido conectados mediante redes de control, algunas de ellas basadas en Ethernet (por ejemplo la red SINEC H1 de Siemens).

2000: Distribucin generalizada de los dispositivos de campo inteligentes mediante redes de control.

En los siguientes apartados se describen las relaciones que se han ido produciendo entre los autmatas programables y las redes de control, y se indican algunas de las soluciones normali-zadas que se utilizan actualmente en el entorno europeo.

Figura 9.43. Evolucin en Europa de los autmatas programables basados en un microprocesa-dor (cortesa de Siemens).

9.4.2 Comunicacin entre el autmata programable y los dispositivos de campo

Al igual que otros sistemas electrnicos de control que se utilizan en los niveles de estacin, clula y fbrica de la planta industrial, los autmatas programables modernos se han adaptado, a lo largo de la ltima dcada del siglo XX (Figura 9.42), para disponer de capacidad de conexin, mediante una red de control, con los dispositivos de campo (Field devices) (tanto sensores como actuadores) presentes en el proceso productivo.

Las redes que conectan los autmatas programables con los dispositivos de campo (Figura 9.44) tienen, en general, las siguientes caractersticas:

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Garantizan un tiempo mximo de lectura de los sensores y de actualizacin de la seal de control de los actuadores (modo de operacin determinista).

Facilitan la instalacin y conexin de todos los elementos de la red. Proporcionan capacidad de ampliacin (Scalability) del sistema a lo largo de toda

su vida til (o ciclo de vida).

Proporcionan funciones complementarias de diagnstico y seguridad.

Figura 9.44. Red de sensores-actuadores: a) Esquema de bloques; b) Red PROFIBUS-DP de Siemens que enlaza un autmata S7-400 con una estacin remota de entrada/salida.

Inicialmente, numerosos fabricantes de sistemas electrnicos de control desarrollaron re-des de sensores y actuadores propietarias. Posteriormente, y debido principalmente al inters por facilitar la interoperabilidad entre los elementos de automatizacin comercializados por distintos fabricantes, se normalizaron algunas de las redes propietarias (para convertirlas en no

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temas de control, etc. Hoy en da se puede afirmar que todava una gran parte de los sistemas electrnicos de control industrial disponen de alguna clase de comunicacin serie asncrona como la RS-232 o sus derivadas, aunque estn siendo sustituidas paulatinamente por nuevas interfaces ms verstiles como USB, FireWire, etc.

Figura 9.45. Comunicacin entre dos autmatas programables a travs de sus mdulos de en-trada/salida.

Uno de los problemas que surgieron a raz de la difusin industrial de la norma RS-232 fue la ausencia, en su contexto, de especificaciones relativas a los protocolos de aplicacin a implantar sobre la misma, debido a que solamente establece las capas fsica y de enlace de datos del modelo OSI. Esta situacin hizo que se generase una autntica Torre de Babel de protocolos, muchos de ellos propietarios, que comprometi sin duda la interoperabilidad de los equipos industriales (y contribuy a que se produjesen las islas de automatizacin). Algunos fabricantes, conscientes de este problema, trataron de normalizar en el mercado protocolos de aplicacin y entre ellos destac el protocolo conocido como ModBus, definido inicialmente por la empresa MODICON (actualmente SCHNEIDER ELECTRIC), y que an hoy en da goza de gran aceptacin en ciertos mercados internacionales.

El posterior desarrollo de las tecnologas de transmisin serie asncrona de informacin de-riv en la creacin de nuevas normas de comunicacin con mayores prestaciones funcionales, como las denominadas RS-422 y RS-485 (descritas en el apartado A1.2.7 del apndice 1), que son la base de muchos de los sistemas de comunicacin industrial que existen actualmente en el mercado.

Sobre la base de estas tecnologas, los fabricantes comercializan en la actualidad protocolos de aplicacin propietarios y no divulgados (como los denominados MPI y PPI de Sie-mens), divulgados pero no normalizados (como el USS de Siemens, MODBUS de SCH-NEIDER ELECTRIC, etc.) y normalizados (como PROFIBUS, ControlNet, InterBus-S,

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Figura 9.46. Comunicacin entre un ordenador personal, un autmata programable y un procesador de comunicaciones (CP) que constituye un mdulo del autmata programable.

Figura 9.47. Herramienta NetPro de configuracin de una red de control distribuido (Cortesa de Siemens).

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Figura 9.46. Comunicacin entre un ordenador personal, un autmata programable y un procesador de comunicaciones (CP) que constituye un mdulo del autmata programable.

Figura 9.47. Herramienta NetPro de configuracin de una red de control distribuido (Cortesa de Siemens).

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Figura9_01.pdfFigura9_02Figura9_03Figura9_04Figura9_05Figura9_06Figura9_07Figura9_08Figura9_09Figura9_10Figura9_11Figura9_12Figura9_13Figura9_14Figura9_15Figura9_16Figura9_17Figura9_18aFigura9_18bFigura9_19Figura9_20Figura9_21Figura9_22Figura9_23Figura9_24Figura9_25Figura9_26Figura9_27Figura9_28Figura9_29Figura9_30Figura9_31Figura9_32Figura9_33Figura9_34Figura9_35Figura9_36Figura9_37Figura9_38Figura9_39Figura9_40Figura9_41Figura9_42Figura9_43Figura9_44Figura9_45Figura9_46Figura9_47

Capitulo9

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