Fundamentos de Comunicación Industrial y Redes de Automatización

Objetivos de las Comunicaciones Industriales

• Intercambio de datos y compartición de información.
• Coordinación de unidades de control.
• Monitorización o modificación de estrategias de control.
• Aumento de la fiabilidad y seguridad.
• Automatización integral completa del proceso productivo.

Redes LAN Industriales

MAP (Manufacturing Automation Protocol)

• Diseñado para gestionar "islas de automatización".
• Sigue el modelo OSI.
• Normalizada por IEEE.
• Protocolo para redes LAN y WAN.

MINI MAP

• Simplificación de MAP.
• Enfocada a una red industrial específica.

Ethernet Industrial

• Normalizada por IEEE.
• Bajo coste.
• Alta velocidad.
• Estándar ampliamente adoptado.

Buses de Campo

Un bus de campo es un sistema que conecta dispositivos de campo y control, compartiendo un bus digital bidireccional.

Características Generales de los Buses de Campo

• Conectan PLCs con sensores, actuadores y otros tipos de controladores en una estructura jerárquica.
• Utilizan protocolos de comunicación simples.
• Toda la información es digital.
• Presentan poca normalización general (aunque los buses individuales sí lo están).

Clasificación de los Buses de Campo según su Propiedad

Buses Propietarios

• Pertenecen a una compañía específica.
• La compañía puede otorgar permisos para fabricar dispositivos que utilicen el bus.
• Ejemplos: MPI, Compobus.

Buses Abiertos

• Sus características son accesibles a todas las empresas.
• Los fabricantes se integran en organizaciones que promueven su uso.
• Ejemplos: Profibus, DeviceNet, AS-i.

Operatividad de los Buses Abiertos

• Interconectividad: Capacidad de conectar dispositivos de diferentes fabricantes.
• Interoperabilidad: Capacidad de que dispositivos de diferentes fabricantes funcionen juntos.
• Intercambiabilidad: Posibilidad de reemplazar un dispositivo por otro de diferente fabricante sin grandes modificaciones.

Desventajas de los Buses de Campo

• Requiere personal más cualificado.
• Coste inicial potencialmente mayor.
• Aparatos de mantenimiento más sofisticados.
• Poca normalización entre diferentes tipos de buses.

Bus AS-i (Actuator Sensor Interface)

• Bus abierto.
• Topologías: Árbol, Línea, Estrella.
• Medio de Transmisión: Cable plano o cable bifilar estándar.
• Velocidad de Transmisión (VT): 167.2 Kbps.
• Método de Acceso al Medio: Maestro-Esclavo (comunicación tipo polling).
• Longitud Máxima (Lmax):
  • 100m sin repetidores.
  • 200m con 1 repetidor o extensor.
  • 300m con 2 repetidores en serie.
  • 600m con 3 repetidores en paralelo o extensor.
• Codificación: Tipo Manchester.
• Nivel en la Pirámide CIM: Situado en el nivel de Entrada/Salida (E/S).

Redes Inalámbricas Industriales

Ventajas

• Fácil instalación.
• Movilidad de dispositivos.
• Reducción de costes de cableado.
• Facilidad de reutilización de infraestructura.

Inconvenientes

• Robustez (susceptibilidad a interferencias).
• Seguridad (riesgos de acceso no autorizado).
• Alcance variable y limitado.

Arquitectura

• Infraestructura (con puntos de acceso).
• Ad-hoc (conexión directa entre dispositivos).

Tecnologías Comunes

• Wi-Fi.
• Bluetooth.
• Zigbee.
• Infrarrojos.

Bluetooth

Permite la conexión de hasta 8 dispositivos.

• Velocidad de Transmisión (Vt): 3 Mbps.
• Modos de Funcionamiento: Síncrono, Asíncrono.
• Alcance Mínimo: 20m (puede variar según la clase de potencia).
• Redes Bluetooth:
  • Piconet: Una red con un Maestro (M) y hasta 7 Esclavos (S), soportando hasta 219 dispositivos en total.
  • Scatternet: Unión de varias redes Piconet, donde un elemento común puede ser un maestro o un esclavo.

Zigbee

Red diseñada para dispositivos básicos de Entrada/Salida (E/S) de tipo estático, que transmiten información de forma esporádica.

• Consumo: Bajo.
• Velocidad de Transmisión (Vt): 250 Kbps.
• Topologías: Árbol, Estrella, Malla.
• Número Máximo de Elementos: 65536 en grupos de 256.
• Tipos de Dispositivos:
  • Coordinador de red.
  • Dispositivo de función completa (FFD).
  • Dispositivo de función reducida (RFD).

Buses de Campo y el Modelo OSI

Los buses de campo implementan funcionalidades de diferentes capas del modelo OSI:

• Nivel Físico: Define conectores, medio de transmisión y tipo de señal (ej. RS485 - semidúplex).
• Nivel de Enlace de Datos: Incluye las subcapas MAC y LLC. Las funciones y servicios se realizan mediante códigos de operación.
• Nivel de Aplicación: Se encarga de la programación y presentación de datos, como en sistemas SCADA.

Tipos de Buses de Campo

• Industriales.
• Domótica.
• Automoción.
• Genéricos.
• Inalámbricos.

Tipos de Datos en Comunicación Industrial

Datos de Proceso (E/S)

• Intervienen directamente sobre el proceso de Entrada/Salida.
• Actúan sobre actuadores y sensores.
• Tienen un carácter cíclico.
• Tramas de pocos bytes.

Mensajes y Parámetros

• Se realizan bajo demanda, no necesariamente cíclicos.
• Se utilizan para tareas de configuración, parametrización y programación.
• Tramas que pueden llegar a los 100 Kbps.

Formas de Actualización de Datos de Proceso

• Strobe.
• Polling.
• Cambio de estado.
• Cíclico.

Modbus

Modbus es un protocolo de comunicación situado en el nivel de aplicación del modelo OSI.

• Cada fabricante puede utilizar su propio software de comunicación.
• Es un protocolo libre y abierto.
• Acceso al Medio: Maestro-Esclavo.
• Número de Nodos: Hasta 248.
• Versiones Comunes:
  • Modbus TCP/IP.
  • Modbus RTU (sobre RS232, RS422, RS485).
  • Modbus+.