Redes Industriales y PLCs: Arquitectura, Protocolos y Comunicaciones

Pirámide y Niveles de Comunicación Industrial

• Nivel de empresa (Ethernet): Gestiona la producción.
• Nivel de control (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP): Visualiza el proceso.
• Nivel de célula (HART, Profibus, DeviceNet): Buses de campo.
• Nivel de sensores y actuadores (AS-i, IO-Link, CAN): Conectividad de campo básica.

Control de Acceso al Medio y Parámetros de Red

Tipos de Control de Acceso

• TDMA: Ocupa el canal de transmisión desde distintas fuentes de manera ordenada.
• CSMA/CD: Detección de colisiones.
• CSMA/CA: Prevención de colisiones.

Tiempos y Rendimiento

• Retardo ($T_{retardo}$): $T_{pre} + T_{espera} + T_{tx} + T_{post}$.
• $T_{tx}$ (Tiempo de transmisión): $T_{datos} + T_{propagación} + T_{dato\ extra}$.
• Jitter: Desviación del tiempo entre dos paquetes consecutivos.
• Control digital y muestreo: Un mejor muestreo optimiza el control digital.
• Control de red industrial: Se sitúa idealmente en la mitad del rendimiento óptimo.

Interfaces y Estándares de Comunicación Serial

• RS232: Alcance de 15m, velocidad de 20 Kbps, niveles de voltaje de -3V a -25V (1 lógico) y 3V a 25V (0 lógico), transmisión asíncrona, no preparado para entornos con ruido eléctrico.
• RS422: Full dúplex, comunicación diferencial, hasta 10 Mbps, longitud de 1200m, resistencia de fin de línea que evita la reflexión, soporta hasta 32 nodos y hasta 9 repetidores en 2 buses.
• RS485: Half dúplex, sistema de habilitación, control en la capa 2 del modelo OSI, incluye resistencia de fin de línea y resistencia pull-up.
• USB: Velocidades de 480 Mbps a 5 Gbps, soporta hasta 127 dispositivos, par trenzado diferencial, distancia máxima de 5m, hasta 25 repetidores, utiliza codificación NRZI.
• SPI: Transferencia de información entre circuitos del mismo equipo. Cuenta con las señales: SCLK (señal de reloj), MOSI (entrada del esclavo), MISO (salida del esclavo) y SS (selección de esclavo).

Niveles de Automatización

1. Máquina sencilla, equipo de gama baja.
2. Máquina compleja, gama media.
3. Proceso de producción completo, gama media-alta.
4. Integración que une la producción con la gestión empresarial.

Estructura y Componentes del PLC

Partes Principales del PLC

Fuente de alimentación, CPU, entradas analógicas y digitales, salidas analógicas y digitales, y módulos de comunicación.

Memoria

• Área de datos.
• Área de programa.
• Área de configuración (contiene los datos de configuración de la estructura del programa).

CPU

Dispone de bus de datos, de direcciones y de control (para operaciones de escritura y lectura). Sus elementos principales son: registros, unidad aritmético-lógica (ALU), contador de programa y decodificador de instrucción.

Instrucciones y Tiempos

• UN: NOT negada (AND NOT).
• O: OR.
• ON: OR negada (OR NOT).
• S5T#6s: Temporizador de 6 segundos.

Módulos de Software

• Organización (OB): Módulo principal, de arranque, y de alarma.
• Código: Define la lógica de control.
• Función (FC): Para operaciones complejas.
• Datos (DB): Almacenamiento de información.

Protocolos de Redes Industriales Específicos

AS-i (Actuator Sensor Interface)

• AS-i 2.0: Alcance de 100m, velocidad de 167 Kbps, sin colisiones, soporta hasta 31 esclavos, cada esclavo puede manejar 4 sensores y 4 actuadores, codificación Manchester diferencial, topologías en estrella, línea, ramas y árbol.

Profibus

• DP (Decentralized Periphery): 9.6 Kbps - 12 Mbps, par trenzado, 32 nodos, periferia descentralizada. Capas: (1) RS-485, (2) Fieldbus Data Link.
• DA: Riesgo de explosión, 31.25 Kbps, alimentación a través del bus pero limitada.
• FMS: Estándar obsoleto.
• Trama: Encabezado de 12 bytes, información de 256 bytes.

Ethernet Industrial

Industrial Ethernet: Utiliza técnicas de switching combinadas con full dúplex, CSMA/CA, comandos SYNC (sincroniza salidas) y FREEZE (congela entradas).

Direccionamiento típico de ejemplo: Entradas E124.0-E126.7, Salidas A124.0-A125.7, con tramas de información de 1500 bytes.

Resumen de Asignación por Niveles

• Profibus: Nivel de célula.
• AS-i: Nivel de sensores y actuadores.
• Profinet: Nivel de control.