Fundamentos de la automatización industrial: pirámide, buses de campo y protocolos HART y AS-i

Resumen

El documento presenta los conceptos básicos de la automatización industrial, explicando la pirámide de automatización por niveles y la definición, estructura y tipos de los buses de campo, con sus ventajas e inconvenientes. Incluye también una descripción de los protocolos HART y AS-Interface, sus características de modulación, funcionamiento y cableado.

Puntos clave

La pirámide de automatización organiza los sistemas en niveles: Planta (gestión), Control (célula), Campo y Proceso, y Nivel E/S o instrumentación.
Un bus de campo es un sistema digital serie bidireccional que conecta sensores, actuadores y dispositivos de control.
Los buses se clasifican en propietarios, que requieren licencia, y abiertos, cuyos componentes críticos están disponibles para uso generalizado.
HART utiliza modulación FSK sobre el estándar 4-20 mA, con 1.200 Hz para el “1” y 2.200 Hz para el “0”, y funciona en modelo petición/respuesta.
AS-Interface utiliza dos cables sin apantallar para datos y energía, con una estación activa que interroga secuencialmente a las pasivas y protección mediante paridad.

Ponte a prueba

Conceptos Fundamentales de la Automatización Industrial

La Pirámide de Automatización

La estructura de la automatización se organiza en niveles jerárquicos que abarcan desde la gestión empresarial hasta el proceso productivo directo:

Planta (Gestión): Ordenadores y sistemas alejados de los procesos productivos.
Control (Célula): Sistemas de supervisión y control, incluyendo SCADA, autómatas (PLCs) y PCs industriales.
Campo y Proceso: Incluye la gestión de actuadores y sensores, y la capacidad de realizar procesos productivos. Utiliza autómatas de gama media o baja.
Nivel E/S (Entrada/Salida) / Instrumentación: Nivel de instrumentación, que incluye instrumentos de medida y mando, controladores, transmisores, actuadores y sensores.

Definición y Estructura del Bus de Campo

Un Bus de Campo es, en líneas generales, un sistema de dispositivos de campo (sensores y actuadores) y dispositivos de control que comparten un bus digital serie bidireccional para transmitir información entre ellos.

Niveles de Aplicación Cubiertos por el Bus de Campo

El bus de campo cubre los siguientes niveles de aplicación:

Aplicación: Dirigido al usuario, permite la creación de programas de gestión y presentación.
Físico: Especifica el tipo de conexión.
De Enlace: Se especifican los protocolos de acceso al medio (MAC) y de enlace (LLC).

Tipos de Buses de Campo

Buses Propietarios

Son propiedad de una compañía o grupo de compañías. Para utilizarlos es necesario obtener una licencia.

Buses Abiertos

Los componentes críticos (como por ejemplo, microprocesadores) también están disponibles para su uso generalizado.

Características Clave

Interconectividad
Interoperabilidad
Intercambiabilidad

Ventajas y Desventajas

Ventajas

Flexibilidad
Seguridad
Precisión
Facilidad de mantenimiento
Reducción de la complejidad

Inconvenientes

El principal inconveniente que ofrece la utilización de un bus de campo es la posible rotura del cable de bus.

Protocolos de Comunicación Industrial Específicos

Protocolo HART (Highway Addressable Remote Transducer)

El protocolo HART utiliza una onda senoidal de baja frecuencia como portadora analógica de la información digital, mediante modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK: Frequency Shift Keying).

Utiliza una frecuencia de 1.200 Hz para codificar un “1” y una frecuencia de 2.200 Hz para codificar un “0”.
Admite configuraciones punto a punto y multipunto.
Es compatible con el estándar industrial 4-20 mA.
Realiza funciones básicas con cualquier sistema HOST.
Funciona bajo el modelo Petición / Respuesta: No transmite a menos que se haya generado una petición.
Multidrop: Permite múltiples dispositivos en un simple par de cable.

Protocolo AS-Interface (Actuador/Sensor Interface)

Este protocolo ha sido desarrollado por la firma Siemens y define la comunicación y la gestión de esta entre un dispositivo de control y los sensores y actuadores correspondientes.

El bus AS-i se ajusta a los requisitos del nivel de automatización más bajo y es un estándar abierto.

Funcionamiento y Características

La estación activa interroga a todas las pasivas sucesivamente y espera la respuesta.
Este protocolo define un módulo con tareas de interfaz electromecánica que permite una simple instalación y manipulación de dichos elementos.
Utiliza dos cables desprotegidos (bifilar sin apantallar) para datos y energía (diseño robusto).
La protección del mensaje se realiza mediante paridad.

Preguntas frecuentes

¿Qué frecuencias usa el protocolo HART para codificar los bits?

HART utiliza 1.200 Hz para codificar un “1” y 2.200 Hz para codificar un “0”, mediante modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK). Esta señal se superpone a la corriente analógica 4-20 mA.

¿Cuál es el principal inconveniente de un bus de campo?

El principal inconveniente es la posible rotura del cable de bus, ya que de él depende la comunicación entre todos los dispositivos conectados.

¿Qué diferencia hay entre un bus propietario y uno abierto?

Los buses propietarios pertenecen a una compañía o grupo de compañías y exigen licencia para usarlos. En los buses abiertos, los componentes críticos como los microprocesadores están disponibles para su uso generalizado.