Protocolos y Sistemas Fundamentales en Automatización Industrial

Introducción a las Redes Industriales y Estándares

A principios de los 80, las compañías comenzaron a implementar redes propietarias (privadas). Como resultado, surgió la necesidad de estandarización, liderada por ISO (International Organization for Standardization).

Modelo OSI (Open Systems Interconnection)

El flujo de datos en el modelo OSI se divide en siete capas:

1. Aplicación
2. Presentación
3. Sesión
4. Transporte
5. Red
6. Enlace de Datos
7. Física

Capas Host vs. Capas de Medios

• Capas Host: De Aplicación a Transporte. Se encargan de la entrega precisa de datos entre sistemas finales.
• Capas de Medios: De Red a Física. Controlan la entrega física de mensajes a través de la red.

Los usuarios interactúan principalmente con las capas de Aplicación y Física.

Funciones Clave por Capa

• Física: Abarca cables, hubs, etc. Define las características físicas de la conexión.
• Enlace de Datos: Controla el acceso al medio de comunicación y maneja errores en el enlace.
• Red: Define la entrega de paquetes de origen a destino a través de múltiples redes.
• Transporte: Se encarga de la segmentación y reensamblaje de datos, asegurando la entrega fiable (ej. TCP). Los paquetes se reordenan si llegan desordenados.
• Sesión: Define cómo comenzar, gestionar y finalizar sesiones de comunicación.
• Presentación: Define el formato de los datos para que sean entendibles por la capa de Aplicación.
• Aplicación: Proporciona la interfaz para que las aplicaciones de usuario accedan a los servicios de red.

PROFIBUS

PROFIBUS (Process Field Bus) es un estándar de comunicación de campo utilizado para la interconexión de dispositivos digitales de campo o sistemas de baja y medias prestaciones.

• Es uno de los buses de campo abiertos que cumple con los requerimientos en un amplio rango de aplicaciones.
• Empleado para interconexión con dispositivos de campo de entradas/salidas simples con PLCs y PCs.
• Transmite datos a tiempo real.
• Permite la ampliación o reducción de elementos de forma 'plug & play'.

Tipos principales de PROFIBUS:

• PROFIBUS PA (Automatización de Procesos)
• PROFIBUS DP (Periferia Descentralizada)
• PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specifications)

Elementos de PROFIBUS

• Nodos: Son elementos esenciales del bus.
  • Activos: Nodos que pueden actuar como maestro del bus, tomando el control.
  • Pasivos: Nodos que únicamente pueden actuar como esclavos y no tienen capacidad de control. Dialogan con los nodos activos mediante un mecanismo de pregunta-respuesta, pero no dialogan directamente entre sí.
• Repetidores: Son simples transceptores bidireccionales para regenerar la señal.

La topología puede ser en forma de bus lineal o en forma de árbol, donde los repetidores constituyen el punto de partida de una expansión del bus.

MODBUS TCP/IP

MODBUS TCP/IP fue introducido por Schneider Automation como una variante de la familia de protocolos MODBUS.

• Define el uso de mensajes MODBUS en un entorno intranet o Internet usando los protocolos TCP/IP.
• En Modbus/TCP, una conexión se establece inicialmente en la capa de Aplicación y esta única conexión puede gestionar múltiples transacciones independientes.
• Es simple de administrar y expandir. No requiere usar herramientas de configuración complejas al añadir una nueva estación.
• Es de muy alto desempeño, limitado típicamente por las capacidades de comunicación del sistema operativo del computador.
• Permite al ingeniero de mantenimiento acceder al sistema de control de la planta remotamente, evitando desplazamientos.

SCADA y HMI

SCADA es el acrónimo de Supervisory Control and Data Acquisition (Supervisión, Control y Adquisición de Datos). Es un sistema informático especialmente diseñado para funcionar con controladores en el control de procesos, proporcionando comunicación con los dispositivos de campo y controlando el proceso de forma automática desde la pantalla del ordenador.

Subsistemas de un Sistema SCADA

• Interfaz Hombre/Máquina (HMI): Es el dispositivo o herramienta gráfica que presenta los datos del proceso al operador. Además, mediante este subsistema, se manipula el proceso.
• Sistema de Supervisión (Computador): Obtiene información del proceso y envía órdenes al proceso.
• Unidades Terminales Remotas (RTU): Conectan los sensores del proceso, convirtiendo las señales en datos digitales y enviando esta información al sistema de Supervisión.
• Controladores (PLC): Usados como elementos de campo por su versatilidad, economía, flexibilidad y configuración. Se utilizan para el control directo de los actuadores.
• Red de Comunicación: La infraestructura necesaria para comunicar el sistema de supervisión con los RTUs.