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sábado, 18 de marzo de 2017

Introduccion a la informatica industrial



Desde siglos pasados las comunicaciones han sido siempre un reto para nuestros antepasados. Posiblemente ya no nos acordemos de la forma de comunicarse entre los seres humanos mediante señales de humo, ya que es seguro que tan sólo lo hemos podido ver en las películas del lejano oeste americano. Otro tipo de comunicación, ya no tan lejano y que aún en nuestros días podemos encontrar, es que se realiza entre personas que se encuentran en el mar y otras que intentan enviarle una información desde tierra como son los faros luminosos. Estos dos ejemplos son tan sólo una muestra de otros tantos que podríamos ir describiendo. Es posible que la invención del teléfono pudo ser una de las bases importantes sobre las que han ¡do desfilando los diferentes sistemas con los que hoy contamos, pero fue con la aparición de los ordenadores personales con lo que se empezaron a notar cómo las comunicaciones iniciaban un proceso de cambio total tanto en su concepción como en sus aplicaciones. Esto es debido a la utilización de la tecnología digital. Si nos situamos en nuestros días, ¿quién no utiliza un teléfono móvil?, o ¿existe alguna persona que no haya escuchado hablar de Internet?, ¿hay algún joven estudiante que no se relacione con otras personas del planeta mediante correos electrónicos?, etc. Todo esto nos hace ver una evolución continua y constante cuyos límites se desconocen. Tecnologías como bluetooth, wifi, GPRS, etc. son algunos de los últimos sistemas de comunicaciones aplicados a dispositivos que la mayoría de personas utilizan en la actualidad.



Podríamos realizar una exposición totalmente paralela a la expuesta anteriormente cuando hablamos de la evolución experimentada en los dispositivos industriales. Por tanto, podemos observar cómo esas mismas tecnologías que poseen los dispositivos utilizados por las personas aparecen implementadas en la comunicaciones entre diferentes dispositivos industriales. En la industria moderna, las comunicaciones de datos entre diferentes sistemas, procesos e instalaciones suponen uno de los pilares fundamentales para que ésta se encuentre en un nivel de competitividad exigida en los procesos productivos actuales. En un sistema de comunicación de datos industrial es tanto más exigente cuanto más cerca del proceso nos encontramos. Si realizamos una comparativa entre tres de las principales características que determinan la aplicación de las diferentes redes de comunicación, como son:



· Volumen de datos: Cantidad de datos que viajan por la red en cada envío.

· Velocidad de transmisión: Velocidad a la que viajan los datos por la red.

· Velocidad de respuesta: Velocidad que hay entre el momento de dar la orden y la respuesta del dispositivo.



Si tratamos el ejemplo expuesto en la anterior tabla dándole una aplicación, es posible que nos aclare más estas tres características. Si queremos comunicar un proceso industrial con la red de ordenadores, estos ordenadores podrían ser utilizados para la lectura de bases de datos en donde se refleja el estado actual de la producción. En este caso la velocidad de respuesta es baja, ya que se debe tener en cuenta el tráfico de datos por esa red, en este caso los datos llegarán al sistema de destino con algún segundo de retardo, lo que no va a provocar ninguna disfunción en el sistema productivo, mientras que cuando un detector de proximidad cambie de estado la respuesta en el equipo de control, por ejemplo un autómata programable, ha de ser inmediata, algún milisegundo de retardo a lo sumo. Está claro que después de la anterior exposición deben existir diferentes niveles de redes de comunicación de datos que cumplan en cada caso con las exigencias funcionales solicitadas. De ahí nace lo que se conoce como pirámide de las comunicaciones. Esta pirámide, reconocida por todos los fabricantes de dispositivos para las redes de datos, está formada por cuatro niveles, que son: 

• Oficina: Formado básicamente por ordenadores tanto a nivel de oficina como de ingeniería. 

• Planta: Son ordenadores con aplicaciones específicas para el control del proceso. 

• Célula: Son todos los componentes inteligentes que intervienen directamente en el proceso. 

• Campo: Son todos los dispositivos que provocan los movimientos en el proceso productivo.



Figura pirámide de las comunicaciones.

¿Por qué incorporar un sistema de comunicaciones en una empresa?

Una empresa se encuentra en la necesidad de incorporar un sistema de comunicaciones integrado para poder obtener un beneficio, como pueden ser: 

• La reducción de costes de producción. 

• La mejora de la calidad. 

• La mejora de la productividad.

• La reducción del almacenaje. 

• La mejora de la efectividad de sus sistemas.

• La reducción de los costes de mantenimiento. Para conseguir estos objetivos el sistema de comunicaciones debe permitir: 

• Sistemas de comunicaciones que enlacen la planta de producción con la de gestión e ingeniería de la empresa. 

• La integración de las bases de datos de la empresa (producción, pedidos, almacén, etc.). 

• Compartir las aplicaciones tanto a nivel de: o Software: GESTIÓN: Textos, hojas de cálculo, bases de datos, etc DISEÑO: CAD/CAE. PRODUCCIÓN: PLC, robots, CNC, etc. o Hardware: Impresoras. Otros dispositivos.

Al integrar un sistema de comunicaciones se pueden conseguir ventajas como: 

• Tras una orden de fabricación, todos los elementos de un sistema, proceso o planta reciben de forma simultánea la información. 

• Permitir centralizar las señales de alarma de cada componente del proceso.

• Permitir el control de la producción, ya que todos los equipos de la planta pueden enviar información a otro sistema que almacenará y procesará dicha información. Hoy en día, existen multitud de configuraciones de empresas, es decir, empresas con un único edificio, con varios edificios anexos o con varios edificios repartidos en diferentes poblaciones, países o continentes. Es por esta razón por la que podemos encontrar sistemas:

• SIMPLES: Comunicación dentro de una misma planta, a través de cableado eléctrico. 

• COMPLEJOS: Comunicación entre diferentes plantas, a través de líneas telefónicas o satélites.



Sistemas de control en una red de comunicación industrial

Dependiendo de la complejidad del sistema o de los componentes que intervienen en la red de comunicación, podemos clasificar el tipo de control en: 

• SISTEMA CENTRALIZADO. Es cuando el control se realiza por un solo sistema. 

• SISTEMA DISTRIBUIDO. Cuando el control se realiza a través de diferentes sistemas conectados en red. Las principales características de estos dos sistemas son: CENTRALIZADO o Es efectivo mientras el sistema no sea excesivamente grande ni complejo, o Es fácil de mantener, ya que sólo hay un único controlador, o Al existir un único controlador, no existen problemas de o Compatibilidad. o Son muy delicados a los fallos; si el controlador falla, todo se detiene.

Figura: sistema de control centralizado.

Normas sobre las comunicaciones 

Cabe destacar que con la llegada de las normas todos los fabricantes han ido adaptando sus sistemas al cumplimiento de éstas, por lo cual cada día más los equipos de diferentes fabricantes son más compatibles entre sí, aunque existen multitud de normas y estándares no todas han nacido de una institución normalizadora como son las llamadas normas de facto, que son: Sistemas realizados por grandes empresas (multinacionales) generalmente, y que de una forma u otra acaban de imponerse en el mercado. Se generan solas y acaban aceptándose. Y también existen las llamadas normas de iure que son las que alguna organización o institución ha decidido promulgar, y que pueden ser las propuestas por:

• Gobiernos nacionales. 

• Organismos nacionales o internacionales.

Organismos de normalización 

Existen diferentes organismos cuyas normas afectan a diferentes ámbitos geográficos, es decir, normas que rigen a nivel mundial, a nivel continental o a nivel nacional.

Normas internacionales 

Son normas que afectan a nivel mundial: 

• ISO (International Standords Organizaron), que genera normas para todas las áreas y coordina las creadas por organizaciones regionales.

• IEC (International Electrotechnical Commission). Elabora normas para el área eléctrica. 

• ITU o UIT (International Telecommunication Union). Es un organismo constituido por administraciones de más de 150 países, adopta normas que regulan el uso del espectro radioeléctrico en los ámbitos espacial y terrestre. Está estructurada en tres sectores, que son: o ITU-T para las telecomunicaciones. o ITU-R para la radiocomunicación. o ITU-D para el desarrollo de las telecomunicaciones.

Normas continentales 

Quedan agrupadas en un determinado número de organismos nacionales de normalización y que a nivel europeo son: 

• CEN (Comité Européen de Normalisation), es el encargado de generar todas las normas del tipo EN que son a nivel europeo. • CENELEC (Comité Européen de Normalisation Electrotechnique), es la rama de las CEN que se encarga de las normas del ámbito electrotécnico. • ETSI (European Telecommunications Standards Institute). Organización europea creada a instancia de los operadores (PTT Post Telephone and Telegraph) y lo que hoy es la Unión Europea. A nivel de Estados Unidos, las que afectan al campo de las comunicaciones son: • ANSI (American National Standards Institute). Instituto americano de normas estándar que abarca todas las disciplinas. • EIA (Electronics Industries Associate). Asociación de industrias del sector de la electrónica, que se ocupa de la definición de estándares acerca de la transmisión de señales eléctricas. El estándar más conocido es la RS-232. • TIA (Telecommunications Industries Associates). Agrupación de fabricantes de equipos de telecomunicaciones. • IEEE o IE3 (Institute of Eléctrica! and Electronic Engineers). Es una organización profesional que ha elaborado importantes recomendaciones relativas a las comunicaciones industriales y redes de comunicación que han terminado por convertirse en normas de facto.

Normas nacionales 

Son las normas creadas por organismos del propio país de aplicación y que en España son las normas UNE (normas españolas) y UNE-EN (normas españolas adaptadas a las europeas): • AENOR (Agencia Española de Normalización). Es un organismo reconocido por la administración pública española para la normalización de productos, procesos y servicios de todos los sectores. 

Normas que afectan a las comunicaciones 

En la siguiente tabla se muestran tanto el organismo como la norma o recomendación que la contempla:



Modelo OSI 

El modelo OSI, que quiere decir Open System Interconection o Interconexión de Sistemas Abiertos, fue definido por la ISO en el año 1983. El modelo OSI está formado por siete capas o niveles. Cada capa o nivel tiene unas funciones claramente definidas y que son las siguientes:

• Nivel 1. FÍSICA: Especifica cuál será el medio físico de transporte a utilizar. Señales eléctricas. 

• Nivel 2. ENLACE: Estructuración de los datos dentro de la trama y control de errores. 

• Nivel 3. RED: Interviene en el caso en el que intervenga más de una red. 

• Nivel 4. TRANSPORTE: División de los datos en paquetes de envío. 

• Nivel 5. SESIÓN: Para el control del inicio y finalización de las conexiones. 

• Nivel 6. PRESENTACIÓN: Representación y encriptación de los datos. 

• Nivel 7. APLICACIÓN: Utilización de los datos.


Figura: Sistema de control distribuido.


A nivel de las comunicaciones industriales las capas utilizadas son: 

FÍSICA: Se encarga de la transmisión de bits al canal de comunicación. Define los niveles de la señal eléctrica con la que se trabajará. Controla la velocidad de transmisión (duración de un bit). Esta capa física contiene tres subniveles, que son los siguientes: 

MEDIO: Canal de transmisión, si es cable, FO, radio, etc. MAU (Media Attachment Unit): Contiene la electrónica donde se generan o donde se reciben los niveles eléctricos. PLS (Physical Logical Signal): Codificación en la emisión de la información binaria a señales eléctricas y decodificación en la recepción de la señal eléctrica a señal digital binaria.

ENLACE: Se encarga de establecer una comunicación libre de errores entre dos equipos. Forma la trama organizando la información binaria y la pasa a la capa física. Esta capa física contiene dos subniveles, que son los siguientes: MAC (Media Acces Control): Control del canal de transmisión para que en el momento que esté libre, pueda enviar la información. LLC (Logical Link Control): Controla y recupera los errores, también codifica la información (hexadecimal o ASCII) a enviar a formato binario o decodifica la información binaria recibida a hexadecimal o ASCII. 

APLICACIÓN: Es la capa más próxima al usuario y puede ofrecer servicios tales como correo electrónico, acceso a base de datos, transferencia de ficheros, videoconferencia.


Topología de redes 

La topología de las redes es el aspecto físico que forman los equipos y el cableado de los mismos. Se pueden encontrar sistemas industriales con las siguientes topologías:

• Punto a punto. 

• Bus.

• Árbol. 

• Anillo.

• Estrella.

Punto a punto

Es la más sencilla, ya que se basa en la conexión directa de dos equipos. Sus principales características son: • No es necesario que dentro de la trama del mensaje se incluyan las direcciones, tanto de origen como la de destino.

• Se pueden llegar a comunicar mediante sistemas Half-Duplex (RS-485) o Full-Du- plex (RS-422). En este último caso también es innecesario el tema del acceso al medio, ya que se pueden comunicar bidireccionalmente y de forma simultánea.

• El sistema de cableado utilizado es sencillo y a veces sin necesidad de adaptadores de red (interfaces). Ventajas: • Topología simple en su instalación. 

• Fácil control de acceso a la red. • Si un nodo falla, el resto puede funcionar.

• Su evolución fue hacia el tipo estrella. Inconvenientes: • Válido para pocos nodos, por su complejidad en el cableado. • Múltiples tarjetas de comunicaciones. Aplicaciones:

• Pocas estaciones y distancias cortas.




Bus

Una única línea, compartida por todos los nodos de la red. Al ser un bus compartido, antes de enviar un mensaje cada nodo ha de averiguar si el bus está libre. Tan sólo un mensaje puede circular por el canal en cada momento. Si una estación emite su mensaje mientras otro mensaje está en la red, se produce una colisión. Ventajas:

• Coste de la instalación bajo. 

• El fallo de un nodo no afecta al funcionamiento del resto de la red. • Control del flujo sencillo.

• Todos los nodos pueden comunicarse entre sí directamente. 

• La ampliación de nuevas estaciones o nodos es sencilla. Inconvenientes:

• Limitado en la distancia (10 km), necesidad de repetidores por problemas de atenuación.

• Posibilidad elevada de colisiones en la red.

• Acaparamiento del medio cuando un nodo establece una comunicación muy larga. • Dependencia total del canal. Si éste falla, la red se paraliza. Aplicaciones: 

• Redes industriales.


• Redes LAN Ethernet (obsoleto).


Árbol 

Está formado por un grupo de buses conectados entre sí, dando lugar a una estructura arbórea. Con este sistema se consigue mayor alcance que el proporcionado por un bus simple, aunque se incrementa el problema de la atenuación. Este tipo de red puede aplicarse para dotar de una red por departamentos o zonas independientes dentro de una empresa.


Anillo 

Es un caso especial de la conexión en bus, en el que los dos extremos se unen para formar un bus cerrado en forma de anillo. Sus características principales son: 

• La información fluye en un único sentido. 

• El mecanismo de transmisión es dejar el mensaje y éste circula por el anillo hasta llegar al receptor. • Puede circular más de un mensaje por el anillo.

• La inserción de un nuevo equipo al anillo es fácil, tan sólo es necesario conectarlo físicamente al medio de transmisión. 

• El rendimiento de la red puede ser muy elevado, la velocidad la marca el equipo más lento. 

• El control es bastante simple desde el punto de vista hardware y software.


Ventajas: 

• No existen problemas de encaminamiento, todos los mensajes circulan por el mismo camino.

• La inserción de un nuevo nodo es fácil.

• No se producen colisiones. 

• El rendimiento es alto, aunque la velocidad la marca el nodo más lento. 

• No hay problemas de atenuación, cada nodo actúa como repetidor de la señal. Inconvenientes: 

• El fallo de un equipo deja el anillo fuera de servicio y por tanto la red deja de funcionar. 

• IBM lanzó al mercado la red tipo "TOKEN RING" que hace que cuando un equipo falle, éste se cortocircuite provocando que la red siga funcionando.

• Es válido para distancias cortas.

Estrella

Todos los puestos de trabajo están conectados a un mismo nodo de la red, llamado concentrador o HUB (repetidor de la información). Este nodo central es el que controla toda la transferencia de información, con lo cual se crea una dependencia total de este elemento, puesto que si falla dicho elemento, cae con él toda la red.

Ventajas: 

• Mayor rendimiento, ya que la información va directamente del emisor al receptor sin pasar por nodos intermedios (excepto el HUB).

• Podemos añadir o suprimir nodos con suma facilidad.

• Fácil conexionado y mantenimiento. 

• Admite diferentes velocidades.


Inconvenientes:

• Dependencia total del HUB; si éste falla, la red no funciona. 

• Si el HUB no es suficientemente potente, se pueden producir retardos importantes que pueden llevar a paralizar la red (efecto "cuello de botella"). Aplicaciones: 

• Redes LAN, Ethernet y Fast Ethernet.





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