von José Arévalo Vor 5 Jahren
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Los distintos PLCS se comunican mediante redes industriales. Se suele disponer de un nivel inferior llamado nivel de célula compuesto por redes ASI. En el siguiente nivel las redes más implantadas son las PROFIBUS.
La convergencia de los parámetros P e I en un PID experto son más rápidos si se parte del punto de pre-sintonia .
El número de pre-sintonizaciones es mucho más pequeño en comparación con los PID clásicos pese a la presencia de ruido.
Las pruebas de recuperación en caso de fallo permiten asegurar que el sistema experto del controlador ajustará rápidamente los parámetros para recuperar el control del proceso
El controlador PID-Autoajustable puede utilizar tanto técnicas clásicas de control como de teoría moderna.
Figura 27 : Controlador PID Autónomo
Sintonizador de Línea. Su objetivo es observar en cada instante de tiempo el comportamiento del proceso y del controlador para ajustarlo automáticamente en función de las respuestas transitorias del sistema. Las reglas heurísticas de ajuste están en función del patrón de la respuesta transitoria presentado y son ecuaciones lineales que modifican las constantes K, TI, TD (ganancias proporcional, integral y derivativa) del PID, considerando todos los parámetros calculados durante la pre-sintonización y la respuesta transitoria presentada.
Pre-sintonizador. Permite iniciar una sesión de control muy estable y poco drástica para el proceso cuando las condiciones de operación han sido modificadas radicalmente como por ejemplo en las unidades de arranque eléctrico. Desde el punto de vista matemático se basa en la modificación de la técnica de la curva de reacción para identificar el proceso a controlar. Esta técnica se basa en la introducción de una señal de perturbación patrón en la referencia para alterar el proceso y así poder caracterizarlo. Este método se basa en los siguientes puntos.
Se realizan los cálculos de los parámetros del PID, de forma que se cierra el lazo y se desactivan todas las funciones de presintonización
Al alcanzar el estado estable, se mide la ganancia y se obtiene la ecuación que define el sistema.
Se realiza un estudio de la respuesta para caracterizar a la curva invertida
Cuando el sistema alcanza la estabilidad se mide la ganancia y se regresa la señal de ganancia original
Se aplica un escalón de referencia con una tolerancia del 10%.
El lazo de control es abierto de forma, manteniendo fija la referencia y la señal de control. Se mide la banda de ruido y se selecciona el mejor filtro.
Se mide la ganancia inicial en lazo cerrado.
Como último punto de esta teoría cabe destacar el aporte realizado por un nuevo tipo de controladores que se basan en la realimentación del estado. Para su aplicación se realiza previamente un análisis de la evolución de la dinámica del sistema. Existe la posibilidad que durante este proceso aparezcan variables que no sean directamente medibles, para evitar este problema se plantea la creación de una nueva estructura llamada observador. El objetivo de estos controladores es fijar mediante la realimentación del estado fijar el comportamiento dinámico del sistema a partir de la asignación directa de todos los polos en la parte controlable del sistema. La realimentación estará formada por todo el conjunto de variables que sean observables y controlables en el sistema. Esta técnica se realiza para sistemas monovariables y multivariables.
Anteriormente se ha planteado la posibilidad de conocer el estado del sistema a partir de una entrada conocida, la teoría de control moderna profundiza en la obtención de una nueva variante que consiste en obtener el estado del sistema a partir de una entrada y una salida conocida. Este concepto recibe el nombre de observabilidad. Esta conceptualización es bastante similar a al que se realiza en la teoría clásica sobre la función de transferencia como elemento que relaciona las entradas con las salidas. Debido a la gran amplitud que presenta el espacio de estado se pueden dar pequeñas zonas de un espacio que no sea observable que disponga de sub-espacios no observables.
Con esta nueva teoría se pueden estudiar aspectos como la controlabilidad del sistema. Este concepto define todo el conjunto de puntos que pueden ser alcanzados en el espacio de estado a partir de una entrada conocida. El conjunto de puntos resultantes recibe el nombre de puntos controlables. Existe la posibilidad mediante un conjunto de técnicas matemáticas conseguir extraer espacio controlables dentro de espacios que no son controlables.
El modelado de la dinámica del sistema se realiza mediante las ecuaciones de estado a diferencia de lo que ocurría en la teoría clásica de control donde se utilizaban las funciones de transferencia para definir la relación entre las entradas y las salidas. La resolución de la ecuación de estado se puede dividir en dos partes. La primera consiste en la resolución de la ecuación homogénea y la segunda consiste en la resolución de la ecuación completa. La resolución de la ecuación homogenea tiene lugar mediante el método de Jordan o mediante el método de Caley-Hamilton
A diferencia de lo que pasaba en la teoría de control clásica, es posible aplicar estas teorías en los sistemas que presentan variables con una gran dependencia del tiempo.
Se pueden desarrollar una gran cantidad de ventajas al ser aplicado sobre sistemas multi-variables.
Es posible trabajar con sistemas complejos de control que disponen de una gran cantidad de variables internas que van a condicionar su futura dinámica.
Es aplicable a sistemas que presentan comportamientos no-lineales entre las variables que están involucradas dentro de su dinámica.
Control adaptativo. Para poder obtener este tipo de controladores se realiza una revisión de algunos de los aspectos básicos que caracterizan los sistemas de control. La validez de una estrategia de control va a estar condicionada al correcto modelado que se realice del proceso. Este modelo consiste en una aproximación con una serie de simplificaciones que provocan una perdida de exactitud Para poder evitar esta deficiencia se deben realizar correctos procesos de identificación. En esta fase se deben tener en cuenta las perturbaciones ya sean externas o internas. Con el objetivo de evitar estos problemas se plantea la posibilidad de la implementación de una pre-alimentación que otorgue la posibilidad de una predicción de las salidas del sistema.
Control de mínima varianza. Esta basado en la predicción óptima de la salida del sistema, problema que se resuelve dentro de la teoría de los procesos estocásticos. Para ello se utiliza un predictor en d pasos cuyo objetivo es econtrar la predicción de la salida en el instante K+d con la información disponible hasta el instante K de forma que la media cuadrática del error de predicción sea mínima.
Las funciones de transferencia no hacen un correcto modelado de la relación entre las entradas y las salidas.
Los reguladores PID, que son los más avanzados, tienen un estrecho margen de trabajo debido a la no linealidad que presentan muchos de los sistemas reales.
Los reguladores no pueden modelar de forma correcta las perturbaciones que intervienen en el sistema.
Figura 26: Control Multinudo para controlador PID-Industrial
Figura 25: Primer Esquema de Controlador PID-Industrial 139
En la industria química se han realizado aplicaciones, dando problemas para realizar el control de válvulas.
Se generan muchos problemas en el sintonizado y en el diseño del PID debido a las características del sistema
Implantar un algoritmo de control digital que permita implantar el controlador representado por D(z)
Seleccionar un regulador digital D(z), empleado la versión en tiempo discreto de las teorías de cálculo de reguladores continuos.
Obtención de la función de transferencia en Z que se pretende controlar
Regulador Derivativo. Proporciona un aumento en la respuesta derivativa del sistema.
Regulador proporcional Producen el aumento de la acción derivativa del sistema. Este suceso da lugar a los siguientes efectos.
No puede eliminar el error en estado estacionario ya que no aumenta el orden del sistema introduciendo algún polo.
En los sistemas de orden 2 o superior tiene lugar un deterioro de la respuesta transitoria del sistema dando lugar a lo largo del tiempo a la inestabilidad.
Se produce un error del tiempo de crecimiento.
Regulador Integral. Se encarga de la eliminación del error del sistema permitiendo alcanzar las características deseadas.
D(t). Pondera el los incrementos en el error a través de la constante Kd
I(t) . Se encarga de realizar un control del error mediante la constante Ki
P(t). Amplifica o atenúa el error en función de una constante llamada Kp
C. Es una constante que tiene valor 0 si las condiciones iniciales son nulas.
Y(t)= C+P(t)+I(t)+D(t)
Los sistemas discretos pueden obtener los valores de las variables del sistema cada cierto tiempo. El tiempo de recogida de los valores recibe el nombre de tiempo de muestreo Su modelazo matemática se realiza mediante la transformada en el dominio Z. La mayor parte de los procesos reales, se pueden discretizar para ello se utiliza el computador. [Ollero, et al-1991] plantean un esquema resumen de representación para sistemas discretos.
Figura 24 : Esquema de un sistema discreto.
Los sistemas continuos obtienen muestras del sistema en todo el intervalo de tiempo de trabajo. Su modelado matemático se realiza mediante ecuaciones diferenciales en el dominio de laplace. El esquema clásico en los sistemas continuos es el siguiente:
Figura 23: Esquema clásico de sistema continuo.
Visor Web. Esta última fase se encarga de detectar el tipo de cliente que esta realizando la conexión y lo redirecciona a la aplicación web para PC. Desde el pc es posible visualizar los datos de control, imágenes (en directo o archivo) de cada cámara que existe en las estaciones. El acceso a la información se puede realizar mediante un mapa interactivo o mediante un árbol al estilo Windows. Existe la posibilidad que el cliente pueda capturar una imagen en tiempo real y almacenarla.
Procesos de la estación remota. Esta fase involucra directamente a cada uno de los nodos. Las operaciones que se pueden realizar son capturar imagen, comprimir imagen, controlar la cámara, imagen de cliente. Esta última función se encarga de transmitir la imagen a la estación central, además de recibir los parámetros de la estación central y el control de sus movimientos. Los 4 procesos tiene una zona de memoria común para compartir información. La comunicación de la estación remota con el PLC central se realiza mediante el Plcs5 ActiveX Control, que utiliza el protocolo AS511 sustentado sobre un enlace serie. Los cambios en cualquiera de los PLCS son detectados por la estación central que se encarga de enviar un aviso.
Aplicación a la estación central. En esta primera fase se realiza una configuración de una estación determinada según lo establecido en la estación central. Para ello en la pantalla inicial se presenta un mapa de la ciudad donde están situadas las distintas estaciones. Al pinchar sobre una estación se presenta un menú desplegable con las distintas opciones. Se pueden realiza operaciones del tipo escribir, leer, visualizar imágenes. La estación central parametriza los datos a leer y escribir del PLC mediante la metodología de órdenes o mediante la de estados. La estación central se encarga de almacenar una copia de los datos que se envían a cada nodo. Existe la posibilidad de obtener imágenes de la estación nodo a partir de la estación central.
Existe un servidor web que contiene la simulación del sistema y esta conectado a Internet. Este evento permite al operario acceder al servidor mediante una pasarela WAP Gateway.
Se busca la creación de “empleados móviles”, esto es consecuencia de las propiedades de los sistemas agentes que basándose en la información aportada por los SCADA permiten la toma de decisiones. El operario estará informado en todo momento de los cambios del sistema mediante su dispositivo móvil.
El sistema diseñado permite la monitorización diaria de todas las variables del sistema., debido al sistema SCADA. Los sistemas SCADA en ausencia del operario, aportan la información a los sistemas agente para el proceso de toma de decisiones.
La aplicación de los agentes en manufactura permite la integración de todas las actividades del proceso de producción (diseño,…).
El operario se puede desplazar de un punto a otro de la red manteniendo el mismo estado de ejecución del proceso.
El proceso de supervisión el SCADA debe ser capaz de evolucionar el sistema, a partir de la variación del marcado almacenado en la memoria del PLCO El objetivo se consigue mediante al introducción de nuevos bits de trabajo que permitan producir el disparo de las transiciones.
Figura 21: Conexión SCADA- PLC
Figura 20: Conexión PLC-Planta
Tomando como referencia todas las características que definen el proceso se obtiene la siguiente representación gráfica.
Figura 19: Esquema de control remoto vía Internet
Los autómatas distribuidos en el sistema trabajan de forma independiente de forma que cualquier avería no provoca el paro del sistema. Los autómatas comparten datos entre si mediante la red “Enlace a PLC” y los distribuyen al servidor central vía Intranet mediante un módulo FP Web-Server
Se conecta un módem al servidor principal como se puede observar en los edificios A y B del esquema para conseguir las siguientes ventajas:
Conectarse a un servidor de correo gratuito y enviar correo electrónico en caso de avería o alarma.
Acceder al servidor principal o cualquier subestación en el caso de que existan problemas de acceso a Internet.
La monitorización de datos por parte del usuario se puede realizar a través de las propias páginas webs almacenadas en cada uno de los FP-Web Server o mediante SCADA.
El servidor es capaz de almacenar páginas webs conteniendo datos de los autómatas tales como consumo del sistema, datos sobre la producción, histórico de alarmas. La información actualizada se obtiene debido a la incorporación de Java Applet en el módulo Web-Server
Cada local incluye un módulo de comunicaciones FP Web-Server para poder acceder a el a través de la misma red del local (LAN) o Internet. El sistema consta de un servidor central encargado de controlar al resto de los autómatas instalados en los diversos centros comerciales. La función del servidor es controlar y monitorizar a través de intranet el estado de variables como la iluminación exterior, interior etc.
Mantenimiento a valores constantes mediante PID de las temperaturas de neveras y congeladores.
Control de la calefacción y del aire acondicionado
Permite el uso durante un cierto instante de tiempo de aquellos aparatos que no precisan estar funcionando continuamente.
Horarios de encendido y apagado de la iluminación
Fácil instalación, configuración y puesta en marcha, siendo idónea en aquellos lugares donde el cable estructurado, la fibra óptica y el wi-fi se hacen inviables por su alto coste de mantenimiento instalación y fiabilidad
Los equipos PowerLine se han desarrollado con estándares industriales con IP 54 para soportar temperaturas desde los -40ºC hasta los 70ºC sin necesidad de ventilación externa.
La seguridad en el interior de la red esta garantizada por medio de mecanismos basados en protocolos cliente/servidor. Su función es controlar el tráfico hacia y desde los clientes y mantener la privacidad por medio de la implementación de redes virtuales.
La tecnología PLC cumple todos los estándares definidos por la IEEE en lo referente a redes de datos. Presenta una gran robustez frente a cualquier intento de uso por parte de usuario no autorizado.
Avanzada calidad de servicios (Qos y CoS) que sustenta el funcionamiento de redes de mayor complejidad.
En posteriores investigaciones sobre la temática, [Hertel,W.J-2001] plantea las ventajas e inconvenientes más importantes sobre las redes LonWorks así como algunas posibles aplicaciones.
Tras analizar de forma breve cuales son las ventajas e inconvenientes que plantean este tipo de redes, pasamos a analizar las aplicaciones más importantes dentro de los sistemas industriales.
Control remoto mediante telemetría debido al protocolo LON que forma parte de la familia de protocolos LONTalk.
Transporte y manejo de material. En los procesos de producción existe un enorme flujo de información mediante las cintas transportadoras, foto-sensores, líneas de ensamblaje etc que ven favorecido el flujo de información como consecuencia del uso de las redes LONTalk.
Aumento de la seguridad en el trabajo. Este proceso incluye la generación de medidas de seguridad y de control en zonas de peligro mediante foto-sensores, iluminación especial etc.
Generación y visualización de la calida del aire. Es una característica específica propia de la industria farmaceuta o de fábricas de semiconductores.
Integración de los datos de producción y automatización por medio de ethernet industrial, intranet o Internet. Este tipo de integración en el sistema de producción puede ser llevada a cabo sin dificultades mediante las redes LonWorks.
Recopilación, procesamiento y archivo de todos los datos de producción. Este proceso involucra una gran cantidad de información, no solo de soporte de los procesos sino también de intercambio entre ellos.
Distribución, monitorización y control de las fuentes de recursos. Este proceso involucra el control de procesos lentos como por ejemplo los motores, válvulas de temperatura y presión de los sensores.
Realización de informes sobre eventos, alarmas y perturbaciones del sistema. Este tipo de redes permiten que las perturbaciones sean reducidas evitando una reasignación forzosa de los recursos del proceso.
Actuar como contador y gestor de la energía. Existen muchas compañías que debido a la inteligencia distribuida de las redes Lonworks consiguen que la maquinaria, los procesos de control etc puedan ser equipados con un medidor o gestor de la energía.
Inconvenientes.
No permiten un alto grado de especialización y diversificación, propios del ambiente industrial.
Escaso reconocimiento del principio del control inteligente distribuido
Falta de reconocimiento dentro del ámbito industrial
Permite el control mediante Internet o por intranet.
Utilización de una topología de cableado flexible y robusta que tiene un mejor funcionamiento que los clásicos RJ45
El sistema de comunicación maestro-maestro que utilizan estos sistemas, junto con la concepción de sistema distribuido e inteligente, permite estas un paso por delante de los sistemas industriales actuales.
Permite la integración de las líneas eléctrica, de comunicación etc al estilo de un sistema de control abierto en los edificios automatizados.
Red comercial que proporciona un alto nivel tecnológico
Ha producido grandes avances dentro del campo de los edificios automatizados.
Las primeras investigaciones que definen los componentes de las redes LonWorks son de [Kim, et al-2000]. Estos autores afirman que las redes están formadas por los siguientes componentes.
LonTalk Protocol. Es un tipo de protocolo utilizada para comunicaciones abiertas, presenta la virtud de implementar las siete capas del modelo ISO/OSI. Este tipo de protocolo permite que una variable de entrada y una variable de salida puedan ser conectadas mediante un proceso de Binding. La correcta realización depende de la definición de todas las variables que se van a manipular en cada nodo.
Aparato emisior-Receptor LonWorks. Este dispositivo soporta diferentes tipos de comunicación; par-trenzado, línea coaxial , y la velocidad depende de la interface
Chips Neuronales. Existen de dos tipos, el primero dispone de una memoria pero no lleva incorporado el chip mientras que el segundo tiene una dirección y un bus de datos para aplicaciones externas. Cada chip dispone de tres procesadores de 8 bits en estado residente. Existen dos procesadores encargados del procesamiento del protocolo LonTalk y otro dedicada a procesar las aplicaciones en los nodos.
Cada uno de los nodos la red disponen de las siguientes direcciones.
Dirección de difusión. Permite la identificación de todos los nodos que pueden recibir el mensajeo.
Dirección de grupo. Su objetivo es la definición de un conjunto de nodos independientemente de su situación física.
Dirección del dispositivo .Es asignada por la instalación
La dirección física que es el identificador único llamado Neuron ID. Se asigna en su fabricación y no es posible modificar.
Este tipo de dispositivos hacen referencia a un tipo de protocolo llamado LONTalk, cuyo objetivo es la comunicación inteligente entre los dispositivos de la red. El principal valedor ha sido Echelon Corporation .LONWorks (Local Operating Network) es definida como una red de control en contraposición a las anteriores que son consideradas redes de datos. Este tipo de redes están orientadas a la transmisión de pocos datos, pero de modo seguro y con un tiempo restringido. La comunicación entre los nodos se realiza mediante control distribuido.
Como primer paso se realiza un modelado del esquema real en el laboratorio incluyendo sensores válvulas etc. A continuación estos componentes se van agrupando formando bloques y dando lugar a los smart component. Después se realiza la conexión entre los smart component y la red CANBus mediante la tarjeta que lleva incorporado el micro-controlador Can. Una vez realizados estos pasos ya se puede realizar la simulación en el esquema real planteado anteriormente. La figura siguiente muestra la forma del boceto de esquema real.
Figura 18: Boceto de sistema de gestión de fuel en un avión
A modo de conclusión se explica el proceso seguido para realizar la validación del modelo en un esquema real, además de incluir un boceto del modelo.
Estos protocolos se basan en el principio productor/consumidor donde cada equipo esta siempre a la escucha y las transmisiones se realizan bajo el control de un equipo especial (el árbitro de bus). Las peticiones de información se construyen de acuerdo a una tabla de órdenes que contiene identificadores de variable. Al decodificar el nombre de la variable asociado a la información que el produce, mediante un dispositivo se transmiten los valores actuales correspondientes. Esta información es consumida por todos los receptores que reconocen el nombre de la variable. Los consumidores cada vez que reciben un dato emitirán un mensaje de aceptación, al igual que ocurre con el productor cada vez que envía un mensaje. Tomando como referencia el funcionamiento de las redes CAN explicado con anterioridad se pueden extraer una serie de características.
Desde el punto de vista físico la idea del sistema es mantener unos valores constantes de las distintas variables a lo largo del tiempo. Para ello se debe saber en cada incremento de tiempo el estado de cada uno de los nodos, cuando uno de los nodos cambia el resto de los nodos reciben un mensaje.
Las redes CAN tienen una gran multitud de aplicaciones, [Giron-Sierra, et al-2007] plantean el control de la gestión de la gasolina en aplicaciones aeronauticas (helicóptero, avión) utilizando sistemas de control distribuidos. El sistema del avión consiste en una red de pequeños componentes como sensores, válvulas etc, interconectados mediante CANBus y sin la necesidad de disponer de un PC central. La base de la aplicación esta incluida en un pequeño microcontrolador con capacidad para CAN. Todos los demás componentes de la red tienen un código de bits para ser reconocidos por el micro. Se habilita un protocolo que permite el intercambio de mensajes entre todos los componentes.
Se necesita un protocolo para capas superiores capaz de realizar la conexión por CAN, ya que este red solo constituye un dispositivo a bajo nivel. Esto da lugar a la aparición de CANopen, Devicenet y SDS.
CAN no utiliza direcciones físicas para el nodo, dado que todos los nodos reciben todo los mensajes. Cada nodo se encarga de decidir si el mensaje va dirigido a el o no.
Permite un acceso al bus por prioridades mediante la técnica CSMA/CR (Carrier Sense Multiple Access/Collision Resolution)
Este tipo de protocolo es un estándar que viene descrito en el ISO11898, creado por Bosch para simplificar el cableado de los automóviles. La mayor cantidad de aplicaciones están en este sector y se asocian a elementos instalados en el motor y en el resto del vehículo (airbag, cinturones de seguridad,…).
Capacidad de poder efectuar operaciones de gestión remota de los dispositivos de la red de campo, como monitorización, diagnóstico y calibración.
Trabajan con 3 de las siete capas del modelo OSI; las capas físicas, la capa de aplicación y la capa de enlace.
La capa de aplicación es indispensable si se desea disponer de sistemas abiertos.
La capa de enlace debe cubrir sus funciones asegurando las características de funcionamiento de la forma más simple
La capa física debe ser robusta, proporcionar la máxima inmunidad al ruido electromagnético y seguridad intrínseca en áreas peligrosas.
Eficiencia en el diseño e implementación del protocolo
Eficiencia en la transmisión de datos
El sistema comienza a funcionar al recibir tensión y las E/S se mapean en la memoria del PLC similares a la conexión de forma local y con un tiempo de refresco, que puede llegar a 0.5 ms Si posteriormente fuera necesario realizar un recambio de un terminal, no sería necesario quitar la alimentación del resto del sistema.
El creador de esta red fue OMRON, que utiliza este nombre para definir la particularización de la red Device Net para sus productos. Para su funcionamiento existe una unidad maestra donde se seleccionan los números de nodos de los terminales esclavos y se cablean. Puede utilizarse el mismo cable para llevar el par de comunicación y el de alimentación de los terminales.
Los sistemas industriales independientemente de la red que implemente su comunicación deben tener en cuenta el mantenimiento de este tipo de dispositivo. Por esta razón [Imoto,M-2002] plantea una serie de aspectos a tener en cuenta para realizar el proceso de mantenimiento de la redes DeviceNet.
La información referente a sensores y actuadores puede ser obtenida rápidamente y de forma detallada. Este suceso permite un mejor flujo de información entre el soporte técnico y soporte de mantenimiento.
Las redes DeviceNet tienen una gran transparencia en lo referente a la Ethernet/IP que permite a los operarios buscar en Internet, los problemas que puedan surgir en el funcionamiento.
DeviceNet es un protocolo estándar y por tanto su mantenimiento es el mismo en cualquier parte del mundo.
Después de analizar la figura se puede observar que la aplicación definida tiene tres niveles de control claramente diferenciados.
Capa de información. Esta compuesta por el sistema de control supervisor y el interfaz de comunicación hombre-máquina. Los PLC’s que existen en la capa de información están unidos mediante Ethernet LAN que comprime la información Las interfaces Hombre-máquina (llamados centros de maquina) son configuradas de forma idéntica permitiendo el control y visualización del resto de los procesos del sistema. Estos dispositivos tienen una velocidad de 10/100 Base-Tx
Capa de Control. Esta basada en la apertura de canales de comunicación entre los distintos PLC’s, siendo la velocidad de comunicación de 115kBauds de datos.
Capa de dispositivos. Permite la comunicación entre los diferentes dispositivos de campo. Los dispositivos estándar de campo son cableados en los racks que presentan los PLC’s, también son utilizados racks I/O de deviceNet. Existen proyectos recientes que han incorporado DeviceNet dentro de la estrategia de control.
Tomando como referencia las características anteriores, [Kino,S.-1999] plantea el siguiente esquema para su investigación sobre una red DeviceNet.
Figura 17: Red DeviceNet para empresa de madera.
A partir de las investigaciones anteriores, [Kino,S.-1999] plantea la posibilidad de aplicar un sistema de control para la red device Net en la industria maderera, para poder alcanzar su objetivo las redes Device net van a cumplir los siguientes objetivos.
La mayor cantidad de los productos (sensores, actuadores, etc) presentes en una planta son compatibles con este tipo de redes. Las redes están basadas en un controlador de área de red (CAN).
Algunas de las aplicaciones básicas de esta tipología debed están centradas en las cintas transportadoras, líneas de transferencia, robótica, empaquetado y manejo de material etc.
Es un estándar abierto y por tanto ninguna de las compañías debe pagar un royalty a la empresa creadora.
Estas redes presentan un bajo coste y son abiertas a la comunicación con un control de los dispositivos mediante un byte de nivel . Este dispositivo es optimizado mediante una maquina de control que realiza el balance de la velocidad de la red a través de los datos.
Las aplicaciones en las que habitualmente se utiliza Device Net son el ensamblado de piezas, máquinas de soldadura, captación de sensores distribuidos, sensores inteligentes, válvulas neumáticas. Tras realizar el análisis de estas aplicaciones se pueden extraer cuales son las funciones de las redes Device Net.
Consistencia de los datos del dispositivo. Dentro de este campo se engloban los datos de identidad, datos del enlace de comunicaciones, datos de configuración del nodo etc.
Detección de direcciones duplicadas, para ello previo a su puesta en marcha se debe realizar un chequeo de la red
Control del tipo de mensajes a transmitir
Asignación de identificación CAN (Control Area Network), estableciendo niveles de prioridad y permitiendo que cada nodo reconozco los mensajes que están destinados a el.
Las principales características de las redes DeviceNet son:
La velocidad de transferencia de datos es de 125 a 500Kbits con una distancia que oscila entre 100 y 500 m, mientras que el número de nodos es de 64.
La estructura de comunicaciones esta dispuesta en bus con una línea principal y posibilidad de bifurcación de la línea hasta los nodos.
Requiere terminación de línea con impedancia de 120 Ohmios, empleando pares trenzados.
El tamaño máximo de mensajes es de 8 bytes para cada nodo al igual que con las redes CAN
El sistema de transmisión esta basado en un modelo productor/consumidor, como consecuencia es posible implementar el modelo maestro/ esclavo etc, que implica la transmisión de mensajes mediante diferentes métodos tales como sondeo, envío cíclico.
Este tipo de redes según la pirámide de [Ros et al-2003] esta encuadrada dentro del nivel de planta y en algunos casos en el nivel de entrada y salida o de célula. Esta red fue desarrollada por la empresa Allen-Bradley en 1994. Es un protocolo versátil en el área de buses de campo y que satisface al menos el 80% de las necesidades de comunicación a nivel de célula.
Para concluir este apartado se va a explicar de forma general el funcionamiento de los tres tipos de redes profibus, previamente se indican una serie de requisitos en el control de acceso al medio manifestado por estos dispositivos.
A partir de estas restricciones existen tres modos distintos de funcionamiento para las redes Profibus.
Envío Petición Cíclico. La estación que está activa direcciona otras estaciones cíclicamente mediante una llamada “Envío o Petición de datos de prioridad Baja” según una secuencia específica definida la lista de sondeo. El usuario de la estación que permanece activa pasa dicha lista al controlador FDL. Todas las estaciones que permanezcan activas deben sondearse en esta lista. Se realizan varios sondes en cada estación, si una de ellas no responde pasa a estar no operativa en la lista. Cuando la estación dispone del testigo no empieza a ejecutar la lista hasta que se hayan ejecutado todos los mensajes de prioridad alta.
Envio/Petición Acíclico. En esta metodología se ejecutan ciclos de mensajes esporádicos y separados. En el caso de que exista varias peticiones de funcionamiento puede continuar en este modo hasta que expire el máximo tiempo de rotación de testigo permisible. Esta metodología permite tres servicios de comunicación diferentes:
SDR (Send and Request Data with Real). Se realiza un envío de datos a una estación, y al mismo tiempo petición de datos a la misma, esperando una respuesta inmediata.
SDA( Send Data with Acknowledgment). Consiste en un envío de los datos con acuse inmediato. Esta opción solo esta disponible en profibus FMS.
SDN( Send Data with No Acknowledgment). Envío de datos a una estación o a todas sin acuse de recibo.
Cuando una estación recibe el testigo queda autorizada para transmitir telegramas. Una vez finalizado el envío de los mensajes, para que el paso de testigo se realice de forma ordenada cada estación debe reconocer la estación previa y a la posterior. La estación que es poseedora del testigo, al finalizar transmite el testigo a la estación indicada en la LAS( List of Active Stations), para ello previamente le debe enviar la trama de testigo. La estación que ha terminado de utilizar el testigo recibe un mensaje de aceptación de la trama de destino confirmando su llegada. En el caso de que no recibiera esta respuesta lo volverá a realizar 2 veces más, si el problema persiste se pasa a la siguiente estación de la LAS.
Paso por testigo. Existe un anillo lógico que es independiente de la disposición topológica de las estaciones activas en la red. La autorización de acceso al medio se pasa de la estación activa a la siguiente en orden numérico ascendente de dirección de estación usando el token frame (trama de testigo). La estación más alta pasa el testigo a aquella con menor dirección cerrando el anillo lógico.
Tiene que llevarse a cabo una transmisión de datos en tiempo real, cíclica, tan rápida y simple como sea posible para la comunicación entre un controlador programable complejo y sus dispositivos de entrada/salida. Se propone una mezcla entre el método maestro esclavo y el de paso por testigo.
Durante la comunicación entre sistemas de automatización complejos (maestros), debe asegurarse que cada de una de las estaciones tiene tiempo suficiente para ejecutar sus tareas de comunicación.
[Meicheng, C., et al-2005] amplia las investigaciones de [Tovar, et al-1999] definiendo tres tipos distintos de redes profibus, cada una de las cuales tiene las siguientes características.
Profibus-PA (Process Automation) estudiado en profundidad por [Wollschlaeger, et al-2001]. Estos autores moldean los aparatos de campo como bloques. Cada uno contiene la información del dispositivo. Los bloques se relacionan entre si mediante una series de interfaces y funciones que representan la automatización
Las relaciones entre los distintos procesos son controladas por la lista de relaciones de aplicación.
Permite el uso de aplicaciones distribuidas que pueden ser unificadas en un único proceso.
La capa de interface baja sirve de medio de comunicación entre los servicios de la capa de aplicación y los pertenecientes la capa de datos.
La capa de aplicación esta compuesta por la capa de interface baja y la capa siete de responsabilidad del bus de campo. El objetivo de la capa de aplicación es permitir la comunicación entre los objetos y los servicios.
Profibus-FMS (Field Message Especification) ampliado por las teorías de [Hong,S.H.-2000]. Esta red permite la comunicación de los distintos elementos que componen el nivel de celda. Se aplica en procesos de manufactura debido a la flexibilidad y el amplio rango de aplicaciones. Están compuesto por 3 capas claramente diferenciadas.
OPERATE, donde el maestro clase 1 queda en modo transferencia y lee, escribe de los esclavos.
Un elemento maestro clase 1 puede controlarse por un maestro clase 2 y quedar en los modos: STOP donde no existe transmisión, CLEAR, donde el maestro clase 1 puede leer la información de los esclavos pero las salidas quedan en modo de seguridad,
Esclavos DP. Se trata de un equipo en el nivel de campo a través del cual se leen señales de proceso o se emiten señales del mismo.
Maestro DP (Clase 2). Se trata de una unidad de programación, diagnóstico y gestión encargada de ejecutar funciones de diagnóstico y servicio técnico.
Maestro DP (Clase 1). Un equipo de esta clase se encarga de la tramitación de la tarea de control
Profibus-DP (Periphery Decentraliced). Permite la comunicación entre dispositivos de campo o entrada y salida con los controladores del sistema. Disponen de una alta velocidad de transmisión de datos y adoptan la normativa de modelo ISO/OSI. Un sistema profibus DP puede constar de las siguientes estaciones.
El planteamiento del esquema de red industrial anterior permite obtener una serie de características sobre los esquemas Profibus.
El retardo en los mensajes puede depender de muchos factores.
La variable tiempo es importante para el envío y recepción de los mensajes.
El nivel de automatización depende de la cantidad de información que se maneje ne la red.
Tomando como punto de partida las investigaciones anteriores, [Tovar, et al-1999] plantean el estudio de buses de campo Profibus (Process Field Bus). Estos buses hacen énfasis en el uso de conexiones multipunto y no utilizar las antiguas conexiones punto a punto. A continuación se plantea el siguiente esquema sobre una red Profibus obtenida a partir de las investigaciones de [Tovar, et al-1999].
Figura 16: Esquema de una red industrial genérica
Es uno de los dispositivos de campo más importantes, el desarrollo de este protocolo forma parte de un proyecto de investigación desarrollado por varias empresas y 5 institutos de fabricación alemanes.
Las redes ASI están constituidas por 3 diferentes tipos de interfaces, como se puede observar en la siguiente lista.
Interface 3. Forma parte del maestro ASI y su función es encargarse de generar la interface del host.
Interface 2. Forma parte del esclavo ASI y esta constituida por dos puntos ASI: ASI+ y ASI-
Interface 1. Realiza la conexión entre los sensores y el esclavo ASI. Esta red además incluye 4 puertos de entrada/salida, 4 puertos de salida y 2 elementos de adquisición de datos.
Las recientes investigaciones de [Sveda, et al-2000], exponen una serie de características para definir el comportamiento de las redes ASI. Este red constituye un estándar abierto que no depende del país ni del proceso de manufactura. Se basan en una tipología con un maestro y hasta 31 esclavos y 124 actuadores/sensores binarios, definiendo el módulo de interface. La comunicación ente maestro y esclavo se realiza mediante el siguiente formato de ventana.
Figura 15: Bits enviados por el esclavo.
Figura 14: Bits enviados por el maestro.
Las redes ASI presentan las siguientes características.
Permiten cualquier tipología de red.
Los esclavos son diseccionados de forma electrónica
Permite la comunicación con módulos analógicos
El tiempo máximo de ciclo es de 5 ms.
Los esclavos consumen 200 mA y su tensión se sitúa entre 26,5 V y 31.6 V.
Los esclavos son capaces de direccional 4 entradas y 4 salidas digitales.
El maestro es capaz de controlar 31 esclavos.
Principio de funcionamiento basado en la técnica de sondeo con un maestro y varios esclavos
Este tipo de rede constituyen el nivel más bajo de los buses de campo y transmite la información a los niveles superiores. Esta red surgió en 1990 fabricado por la empresa Siemens con el objetivo de eliminar el cableado existente entre los sensores y los actuadores binarios con la característica añadida de proporcionar tensión de alimentación sobre el mismo cable. Posteriores evoluciones de este dispositivo permitieron la comunicación con elementos inteligentes y la transmisión de datos y parámetros además de señales binarias.
La necesidad de formación en conocimientos superiores.
Los costes iniciales suelen ser bastante elevados.
Una reducción del cableado y de las distancias de los dispositivos
Existe la posibilidad de conectar dispositivos muy variados como por ejemplo distintos tipos de PLC
Permiten una comunicación más rápida
Figura 13: Comparativa de las tecnologías PLC frente a las PAC.
Características de los Sistemas PLC frente a los sistemas PAC.
Los bloques PAC agrupan funciones con características similares a los circuitos integrados que se utilizan para realizar cualquiera de las estructuras clásicas.
La tecnología PAC dotan a los dispositivos de cierta inteligencia además de realizar ciertas funciones propias del control lógico.
Análisis mediante lógica programada. Es una técnica bastante reciente y esta fundamentada en el generador de conflictos. Los datos adquiridos en el bloque previo junto con sus restricciones se introducen en el bloque de razonamiento. El generador de conflicto se encarga de detectar errores en las restricciones.
Análisis mediante fallos de control secuencial. Su metodología esta basada en el concepto “watch dog timer”, cuya función es monitorizar el sistema en cada instante t y detenerlo en el momento que se manifieste un fallo.
Análisis mediante fallos de control lógico. El estado de error se representa mediante una expresión lógica. Los términos que componen la expresión representan una combinación de señales que ha producido el error.
Modelos basados en lógica programable. La dinámica del sistema se codifica utilizando una serie de variables en un programa.
Modelos basados en PLC de control de secuencia. Esta metodología utilizan el concepto de estado del sistema y sus variaciones. los estados del sistemas. Estas definiciones ayudan a tener un comportamiento lo mas similar posibles a un SMF.
Modelos basados en PLC. Las variables asociadas se representan mediante lógica binaria
