Introducción A Las Redes De Control Industrial

INTRODUCCIÓN A LAS REDES DE CONTROL INDUSTRIAL

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RESUMEN:

Las redes de control industrial son sistemas que interconectan equipos utilizados para el seguimiento y control de procesos industriales.

Estas redes se diferencian de las redes tradicionales ya que las primeras se implementan para cumplir objetivos específicos dentro de la empresa.

La tecnología usada en las redes industriales ha comenzado a tener una mayor dependencia de los estándares como Ethernet y otros mismos de la web.

En el presente documento se hablará de lo mencionado anteriormente.

PALABRAS CLAVE: Red, Bus de campo, Industrial, protocolos

I. INTRODUCCIÓN

En sus inicios el control de las plantas de fabricación y procesos se hacía mecánicamente, con configuraciones manuales o por medio de controladores hidráulicos, con el paso del tiempo estos sistemas fueron reemplazados por controladores electrónicos que emplean transductores y circuitos.

Los sistemas mecánicos eran grandes y requerían de un gran espacio requiriendo kilómetros de cableado, sin embargo, con la invención de circuitos integrados y microprocesadores, la funcionalidad de los sistemas pudieron ser sintetizados en un controlador digital único.

El movimiento a los sistemas digitales ha creado la necesidad de nuevos protocolos de comunicación como los buses de campo.

Más recientemente, se ha incorporado la creación de redes a todos los niveles desde control industrial así como las redes de negocio utilizando estándares de Ethernet.

II. FUNDAMENTOS DE REDES INDUSTRIALES

A. redes comerciales vs industriales

Algunas de las diferencias más notorias entre las redes típicas convencionales y las industriales son:

• Implementación: Las redes industriales se emplean en muchos campos industriales, incluyendo la fabricación, la electricidad, la generación de transformación, alimentos y bebidas, transporte, agua, distribución, eliminación de aguas residuales y químicas, refinamiento: incluyendo petróleo y gas. En casi todas las situaciones que se requiere maquinaria, se instalará una red de control industrial parra para supervisar y controlar el proceso.

• Arquitectura: Las redes industriales en general, tienen una gran arquitectura más profunda que las redes comerciales.

Mientras que la red comercial de una empresa puede consistir en una sucursal o la oficina de área local inalámbricas (LAN) conectados por una red troncal o red de área amplia (WAN) , incluso las pequeñas redes industriales tienden a tener una jerarquía de tres o cuatro niveles de profundidad.

• Gravedad del Error: Debido al hecho de que una red industrial conecta equipo físico de producción, un fallo en el sistema puede tener resultados más catastróficos que una red convencional ya que se pueden generar daños en el equipo, pérdida de producción, daños en el medio ambiente, pérdida de reputación e incluso la pérdida de vidas humanas.

• Requisitos de Tiempo Real: La velocidad a que el equipo funcione requiere la transmisión de datos y procesar información al instante. Una regla general es que el tiempo de respuesta debe ser menor que el tiempo de la muestra de datos que se reunieron.

• Determinismo: Para que una red sea determinista debe ser posible predecir cuándo se recibió respuesta a una transmisión. Esto significa que la latencia de una señal debe estar delimitada y tener una varianza baja. La varianza del tiempo de respuesta de una señal se refiere a menudo como la fluctuación de fase.

• Tamaño de Datos: Los paquetes de datos transmitidos en los niveles industriales son generalmente bastante pequeños.

Dichas transmisiones son a menudo sólo unos pocos bytes de tamaño, tales como la transmisión de un solo estado binario o un valor de dieciséis bits. Las Redes comerciales transmiten regularmente kilobytes o más datos, con tamaños de paquetes a partir de un mínimo de 64 bytes. Esta diferencia requiere significativamente diferentes protocolos dentro de la pila de red.

• Tráfico, Periódicas y Aperiódicas: Redes industriales requieren la transmisión de ambos datos muestreados periódicamente y eventos aperiódicos, como el cambio de las condiciones de estado o de alarma.

No existen tales consideraciones en las redes comerciales donde la transmisión de datos se implementa como 'mejor esfuerzo' y puede implicar un retraso aleatorio antes de transmitir los datos.

• Coherencia y Orden Temporal del Evento: Existe la necesidad en las redes industriales para determinar el momento en el que las transmisiones se han producido y el orden de los eventos dentro de una red, especialmente en el caso de transmisiones aperiódicas.

La capacidad de garantizar el orden y la consistencia temporal de la entrega de datos por lo general no es una parte de la creación de redes comúnmente implementado protocolos como el TCP/IP.

• Robustez: Las redes industriales tienen una amplia variedad de ubicaciones físicas, y deben soportar adversidades condicionales como la humedad, el polvo, calor y vibración por lo que los equipos deben ser robustos para prevenir daños por estas condiciones a diferencia de las redes comerciales que son ubicadas en entornos limpios y con temperatura controlada.

B. Tipos de Información

La información que se transmite en redes industriales se refiere al control de información de diagnóstico y de seguridad; en la información de control se envía entre los instrumentos y controladores y es la entrada o salida de un control de bucle implementado en un controlador.

La información de seguridad se utiliza para implementar funciones críticas, tales como el cierre seguro, retirar los equipos y la protección de circuitos de operación .Por lo tanto no solo requiere transmisión de datos en tiempo real, sino que también requiere una alta fiabilidad.

C. Componentes de las redes industriales: PLC, SCADA y DCS

Las redes industriales se conforman de componentes especializados y aplicaciones, tales como controladores lógicos programables (PLCs), Sistemas de Control de Supervisión y Adquisición de Datos (SCADA) y sistemas de control distribuido (DCSC) .

1) PLC: Son de estado sólido, basados en dispositivos electrónicos que forman el núcleo de la red industrial. Uno de los requisitos de éstos es que deben ser fáciles de programar y reprogramar fácilmente, de Fácil mantenimiento y reparado, son de tamaño pequeño y más baratos, son capaces de operar dentro de una planta y comunicar el sistema central.

Los más modernos tienen la capacidad de soportar entrada/ salida binária y analógica.

Consiste generalmente en una fuente de alimentación, el procesador, el módulo de entrada/salida y el módulo de comunicación. Éstos son dependientes e intercambiables.

2) SCADA: Es una capa de software exclusiva, normalmente aplicada a un nivel sobre encima de hardware dentro de la jerarquía de una red industrial.

No realizan ningún tipo de control, si no que funciona como un mecanismo de supervisión. El enfoque es adquirir datos y presentarlos mediante una interfaz hombre-máquina. SCADA se adapta al monitoreo geográfico por lo que es adecuado para industrias como la distribución de servicios públicos. El equipo que se comunica con SCADA es referido como la Unidad Terminal Remota (RTU) que a su vez se comunica con la Unidad Terminal Maestra (MTU).

3) DCS: Es similar a un SCADA en su funcionamiento, como se sabe es un paquete de software que realiza la comunicación con el hardware mediante una HMI (Interfaz) para controlar el equipo. La diferencia entre ambos es muy sutil: los DCS’s son impulsados por más de un evento y por lo general se centran en la presentación de un flujo constante de información. La diferencia radica en el funcionamiento interno.

III. ORÍGENES Y DESARROLLO

Las redes de control industrial pueden dividirse en tres generaciones distintas con diferentes niveles de compatibilidad.

El primero consiste en el tradicional basado en una serie de protocolos de bus de campo, el segundo, basados en Ethernet y la última generación, que ha comenzado a incorporar la tecnología inalámbrica para la comunicación. La incorporación de la tecnología Ethernet ha dado lugar a una creciente similitud entre la tecnologías de bus de campo y de Internet, esto ha dado lugar a nuevos términos, como las redes de control industrial, que abarca no sólo las funciones y requisitos de bus de campo convencionales, sino también las funciones adicionales y requisitos que los sistemas basados en Ethernet presentan.

A. Bus de Campo

El desarrollo de protocolos de comunicaciones industriales comenzó debido a los requisitos del usuario final, así como la aparición de nuevas tecnologías , las cuales fueron adaptadas a entornos industriales.

La creación de la interconexión de sistemas abiertos en las 7 capas del modelo (OSI) establecido por la Organización Internacional de Normalización (ISO ) ayudado de manera significativa en la definición y creación de las comunicaciones protocolos y servicios. Los avances en la creación de redes de área local y Control de Acceso al Medio ( MAC ) dio lugar a mucho más protocolos de comunicación flexibles y potentes . El concepto de Manufactura Integrada por Computadora (CIM) fue desarrollado por la Oficina Nacional de los Estados Unidos de Normas, que intentado definir una estructura jerárquica para el uso de

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