PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN INDUSTRIAL

PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN INDUSTRIAL

1. INTRODUCCION: Muchas veces escuchamos en la industria la palabra protocolos de comunicación sin tener claro de que estamos hablando. Para dar a entender el tema, expondremos sus principales características y fundamentos de los más utilizados. En principio un protocolo de comunicación es un conjunto de reglas que permiten la transferencia e intercambio de datos entre los distintos dispositivos que conforman una red. Estos han tenido un proceso de evolución gradual a medida que la tecnología electrónica ha avanzado y muy en especial en lo que se refiere a los microprocesadores.

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

La irrupción de los microprocesadores en la industria ha posibilitado su integración a redes de comunicación con importantes ventajas, entre las cuales figuran:

• Mayor precisión derivada de la integración de tecnología digital en las mediciones

• Mayor y mejor disponibilidad de información de los dispositivos de campo

• Diagnóstico remoto de componentes

La integración de las mencionadas islas automatizadas suele hacerse dividiendo las tareas entre grupos de procesadores jerárquicamente anidados. Esto da lugar a una estructura de redes Industriales, las cuales es posible agrupar en tres categorías:

• Buses de campo

• Redes LAN

• Redes LAN-WAN

En esta oportunidad nos referiremos a los protocolos de comunicación más usados en la industria.

2. Buses de campo: Los buses de datos que permiten la integración de equipos para la medición y control de variables de proceso, reciben la denominación genérica de buses de campo.

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

El objetivo de un bus de campo es sustituir las conexiones punto a punto entre los elementos de campo y el equipo de control a través del tradicional lazo de corriente de 4 -20mA o 0 a 10V DC, según corresponda. Generalmente son redes digitales, bidireccionales, multipunto, montadas sobre un bus serie, que conectan dispositivos de campo como PLC’s, transductores, actuadotes, sensores y equipos de supervisión.

Varios grupos han intentado generar e imponer una norma que permita la integración de equipos de distintos proveedores. Sin embargo, hasta la fecha no existe un bus de campo universal.

Los buses de campo con mayor presencia en el área de control y automatización de procesos son:

• HART

• Modbus

• Profibus

• CAN

La figura 1. Muestra el emplazamiento de diversos buses de campos dependiendo de diversas características como su complejidad, nivel de transferencia de datos por mensaje, coste económico y funcionalidad.

Figura 1. Clasificación de diversos buses de campo

3. HART: Este protocolo proporciona comunicación digital bidireccional con dispositivos de campo inteligentes mientras conserva la compatibilidad y familiaridad de los tradicionales sistemas 4-20 mA. Su protocolo utiliza la norma Bell 200 que permite la superposición simultanea a niveles bajos de una señal se comunicación digital (el “1” lógico es representado por 1200 Hz, mientras el “0”) lógico corresponde a 2200Hz) en la parte superior de la señal analógica 4-20 mA. Ya que HART fue diseñado para ampliar las comunicaciones con los instrumentos de medición y control que tradicionalmente se comunicaban con señales de 4-20mA, es aplicable a todo tipo de industrias de proceso. Por tratarse de una superposición a un sistema existente, HART ofrece una solución sin ningún riesgo para poder gozar de los beneficios que resulta de una comunicación más amplia con los dispositivos inteligentes.

4. MODBUS: Es uno de los protocolos más veteranos, apareció en 1979 para transmitir y recibir datos de control entere los controladores y los sensores a través del puerto RS-232 (comunicación punto a punto), con un alcance máximo de 350 metros. No ha sido estandarizado por ninguna entidad, pero sus especificaciones están disponibles. Funciona mediante el sistema maestro/esclavo, y posee dos modos esenciales de funcionamiento, modo ASCII, enviando dos caracteres (2 bytes) para cada mensaje, pudiendo haber hasta 1 segundo de tiempo de diferencia entre ellos, y modo RTU (Remote Terminal Unit), donde se envían 4 caracteres hexadecimales (4 bits cada uno) para cada mensaje. Esta última opción es más empleada en transmisiones inalámbricas. Existe la versión MODBUS plus donde se emplea el puerto RS-485 para permitir hasta 32 nodos y cubrir distancias de hasta 1500 metros con técnica de transmisión de paso da testigo. Ambos emplean como medio físico el par trenzado apantallado y la tensión de alimentación es independiente para cada dispositivo. Se trata de un protocolo con limitaciones y donde solo es recomendable usarlo en caso de instalaciones donde existan instalaciones de este tipo (para mantener compatibilidad), pero donde en la actualidad es posible emplear medios de comunicación con más prestaciones y un precio similar. Actualmente ese esta impulsando el empleo de MODBUS sobre TCP/IP para aprovechar las infraestructuras que se están implantando para Internet, y usar protocolos industriales empleando las mismas líneas y empaquetando mensajes MODBUS dentro de los paquetes TCP/IP, de modo que son necesarios unos módulos de encapsulado y desencapsulado para conectar con módulos tradicionales MODBUS.

5. PROFIBUS: La base para el desarrollo de este protocolo fue un proyecto de investigación de varias empresas cinco institutos alemanes. Actualmente, PROFIBUS en sus 3 versiones FMS, DP y PA son estándares europeos EN50170 desde 1996, aunque sus actividades comenzaron alrededor de 1987. Existen más de dos millones de dispositivos Profibus instalados, con aproximadamente 250 fabricantes de productos Profibus en todo el mundo. Son dos las asociaciones principales que organizan las actividades encaminadas a la mejora de este bus: PI (Profibus Internacional) y PNO (Organización de usuarios de Profibus).

La familia Profibus consiste en tres versiones compatibles:

5.1 Profibus- DP (Distributed Peripherals): Optimizado para alta velocidad y coste reducido. Esta versión de Profibus esta diseñada especialmente para la comunicación entre sistemas automáticos de control y E/S distribuidos a nivel de campo (periferia descentralizada). Puede ser empleado para remplazar transmisiones paralelas de señales con 24V o 4-20mA. El intercambio de datos es cíclico. El tiempo de ciclo del bus ha de ser menor que el tiempo de ciclo del programa del controlador central.

Figura 2. Transmisión de mensajes Profibus entre maestro y esclavos utilizados el servicio SRD.

5.2 Profibus-PA (Process Automation): esta especialmente diseñado para automatización de procesos. Permite que sensores y actuadores puedan ser conectados a un bus común en áreas de especial seguridad calificadas como Ex. Permite comunicación de datos y transporte de energía sobre el mismo bus empleando tecnología de os cables, acorde con el estándar internacional IEC 1158-2. Básicamente, es la ampliación de Prfibus-DP compatible en comunicación con una tecnología que permite aplicaciones para la automatización de procesos en recintos expuestos al peligro de explosiones (áreas clasificadas EX). También existen diversos perfiles orientados a aplicaciones concretas donde se definen elementos específicos como perfiles de automatización de edificios, aplicaciones seguras ante fallos (PROFISafe), control numérico y robots, encoders, divers de motores de velocidad variable o interfaces hombre- maquina.

5.3 Profibus-FMS (Fieldbus Message Specification): es la solución de propósito general para tareas de comunicación a nivel de control. Los potentes servicios FMS abren un amplio rango de aplicaciones y proveen gran flexibilidad. También puede ser empleado para tareas de comunicaciones extensas y complejas. En Profibus-FMS la funcionalidad es mas importante que conseguir un sistema con tiempo de reacción pequeño. En la mayor parte de aplicaciones, el intercambio de datos es fundamentalmente acíclico en base a la demanda del proceso del usuario.

Figura 3. Definición de objetivos FMS que hacen referencia a los objetivos reales y esquema de comunicación FMS entre dos dispositivos.

5.4 Profibus sobre TCP/IP: A través de una pasarela, y empleando la especificación MMS (Manufacturing Message Specification) puesto que FMS constituye un subconjunto de la misma, es posible enviar mensajes sobre una TCP/IP con destino a nodos de una red Profibus.

Profibus especifica las características técnicas y funcionales de un sistema basado en un bus de campo serie en el que controladores digitales descentralizados pueden ser conectados entre sí desde el nivel de campo al nivel de control. Se distinguen dos tipos de dispositivos, dispositivos maestros que determinan la comunicación de datos sobre el bus. Un maestro puede enviar mensajes sin una petición extrema cuando posee el control de acceso al bus (el testigo). Los maestros

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