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República Bolivariana de VenezuelaMinisterio del Poder Popular para la Educación
UniversitariaInstituto Universitario de Tecnología Valencia
Programa acional de !ormación en Electricidad
SISTEMA DE CONTROL DISTRIBUIDO
Participantes"#respo$ Endis #%I" &'%()(%*))
+ómez$ +abriel #%I" &,%),*%&-'arza$ .evin #%I" &)%(-/%00&Petit !rancis #%I" &1%&-,%*1&
Rivero Robert #%I" &1%')-%0,&Pro2%" Ing% Elvira Villegas
Valencia, Marzo de 2015
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INTRODUCCIN
3a medición 4 el control en la industria son mu4 importantes$ tanto desde
el punto de vista del 2uncionamiento correcto del proceso como de la
consideración del balance adecuado entre costos 4 producto 2inal 5relación
calidad6precio7% El control autom8tico de procesos industriales es 9o4 en día
una actividad multidisciplinar$ en la :ue 9a4 :ue tener en cuenta aspectos
t;cnicos 5electrónica$ in2orm8tica de sistemas$ etc%7$ cientí2icos 5investigación
de nuevos criterios 4 materiales$ etc%7 4 económicos 5me
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CONTROL DE !ROCESOS
En la 2igura & podemos ver las di2erentes soluciones tecnológicas a un
problema de control$ pudi;ndose distinguir en ellas$ de iz:uierda a derec9a$ la
evolución :ue 9an ido teniendo de acuerdo al desarrollo de las tecnologías en
los di2erentes instantes% Este es:uema no debe interpretarse como :ue la
tecnología el;ctrica 9a4a reemplazado totalmente ? la 2luídica$ ni :ue la primera
9a4a sido desbancada por la solución programada$ tan sólo como :ue se est8
produciendo un complemento entre todas$ la solución a un problema de
?utomatización correr8 a cargo de la in2orm8tica industrial 4 :ue el
microprocesador$ en cual:uiera de sus 2ormas o versiones$ ir8 copando
posiciones relevantes 9asta estar presente en todos los niveles :ue constitu4en
un control distribuido%
!ig% & Principales soluciones tecnológicas a un problema de control automatizado%
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En todo caso$ independientemente del tipo de control utilizado$ los
ob
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como se 9a dic9o$ el control autom8tico de procesos 9ace un uso e9austivo
del control electrónico$ vali;ndose de ;ste para completar su es:uema cl8sico$
basado en el concepto de lazo o bucle de control de realimentación$ cu4a
presencia en los distintos niveles del control autom8tico es normal$ tal como
aparece re2le
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!ig% * Estructura típica de un lazo de control en un proceso%
El signi2icado de los blo:ues dibu
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del control de procesos$ siendo implementado en cada ;poca de acuerdo a las
tecnologías eistentes% Fagamos un repaso a esta evolución 9istórica%
- Control Manual
?l principio$ los procesos industriales 2ueron controlados manualmente
por un operador% El operador observaba lo :ue sucedía 5una ba
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? todo lo anterior$ 9abría :ue a=adir el 9ec9o de :ue la recolección de
datos para un proceso controlado manualmente puede re:uerir una ardua
labor$ 4a :ue el operador est8$ normalmente$ demasiado ocupado para escribir
Gtiras de númerosH% Por todo ello$ los datos recogidos manualmente pueden ser
ineactos$ incompletos 4 di2íciles de usar%
- Controladores Locales
Un controlador local permite a un operador llevar el control de varios
GlazosH del proceso% #omo un regulador de la presión del gas dom;stico$ un
controlador local usa la energía del proceso o el aire comprimido de la planta
para a
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El desarrollo de los dispositivos de control operados neum8ticamente$
permitieron un notable avance en el control de procesos% #on ;sta tecnología$
las variables del proceso podían ser convertidas a se=ales neum8ticas 4
transmitidas 9acia controladores remotos% >e entraba en la con2ección de los
denominados Gcircuitos neum8ticosH% Usando combinaciones de ori2icios$
palancas$ amortiguadores 4 otros dispositivos mec8nicos comple
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En los a=os 0-$ los dispositivos electrónicos 4a estaban capacitados
para ir reemplazando a los controladores neum8ticos% 3os controladores
electrónicos analógicos de lazo simple eran precisos$ r8pidos 4 28ciles de
integrar en pe:ue=os lazos interactivos%
Ae este modo$ la inter2ace para su mane
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!ig% ' #ontrol centralizado por ordenador%
3a introducción de un ordenador como elemento :ue lleva a cabo toda la
supervisión$ ad:uisición 4 an8lisis de datos$ permite a los sistemas de control
avanzar m8s all8 del lazo de control del proceso a9ora pueden e
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!ig% 0 #omponentes de un #ontrol Aigital Airecto 5AA#7% ?un:ue el modelo AA# o2rece múltiples bene2icios 4 signi2ica un paso
adelante mu4 importante en los sistemas de control$ la Gaglomeración de
responsabilidadesH :ue se produce alrededor de un solo elemento 5ordenador7
acarrea desventa
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principal 4 las GramasH est8n constituidas principalmente por elementos de
coneión 4 acondicionadores de se=al%
El manei lo
anterior 2uese poco$ el ordenador central tambi;n deber8 ad:uirir otros datos$
visualizarlos en pantallas$ ei el ordenador central 2alla$ la totalidad del proceso se viene aba
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directamente al proceso$ esto es$ optimizados para la variable :ue debían
controlar%
Estos controladores son a9ora los :ue realmente controlan el proceso$
deP#$ >et Point #ontrol7 4 una estructura típica
sería la o2recida en la 2igura )$ en la cual puede observarse como es en la parte
m8s próima al proceso donde se materializa la principal di2erencia con el
AA#%
El estado de la variable a controlar llega a9ora tanto al ordenador como al
controlador analógico$ :ue adem8s recibe la consigna adecuada en cada
instante 4 :ue ser8 calculada por el ordenador% >i se presenta cual:uier avería
5especialmente en el ordenador7 el controlador regula la variable del proceso
con respecto al último punto de consigna :ue recibió del ordenador central%
Toda esta actuación local 2ormaría el 3azo de #ontrol$ tal como se
muestra en la 2igura )$ 4 proporciona un cierto grado de autonomía al proceso
respecto del control centralizado% ?un:ue el >P# permite :ue el control b8sico
del proceso continúe a pesar del posible 2allo del ordenador central$ sigue
necesitando una ampliación del cableado 4 un so2tJare adicional en caso de
:uerer ampliar el número de entradas 46o salidas%
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!ig% ) #omponentes de un #ontrol de puntos de consigna 5>P#7%
CARACTER%STICAS &ENERALES ' AS!ECTOS $ISTRICOS DEL
CONTROL DISTRIBUIDO
El control distribuido es el paso siguiente en la evolución de los sistemas
de control :ue se 9an epuesto en el punto anterior% ?sí$ en los sistemascentralizados$ 4a cl8sicos$ su potencia de tratamiento se concentra en un único
elemento 5el ordenador central7$ mientras :ue en el control distribuido la
potencia de tratamiento de la in2ormación se encuentra repartida en el espacio%
Podríamos decir :ue los sistemas de control distribuido 2ueron desarrollados
para proporcionar las venta
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de la t;cnica de los microprocesadores por un lado 4 la G2uerte inerciaH de la
industria a los cambios por otro$ se llegó a las siguientes conclusiones
generales"
a7 Aescartar el empleo de un único ordenador 5control AA#7 por el serio
inconveniente de la seguridad 4 sustituirlo por varios controladores digitales
capaces de controlar individualmente un cierto número de variables$ para así
GdistribuirH el riesgo del control único%
b7 #ada controlador digital debía ser GuniversalH$ es decir$ disponer de
algoritmos de control seleccionables por so2tJare$ :ue permitieran resolver
todas las situaciones de control 4 dieran así versatilidad al sistema%
c7 3a velocidad en la ad:uisición de los datos 4 su salida 9acia los actuadores
debía ser en Gtiempo realH$ lo :ue obligaba a utilizar la tecnología m8s
avanzada en microprocesadores%
d7 Para comunicar entre si los transmisores electrónicos de campo 5:ue
suministran datos7$ los controladores 4 las inter2aces para la comunicación con
el operador de planta$ se adoptó el empleo de una vía de comunicaciones$ en
2orma de cable coaial instalado en la planta$ con un recorrido paralelo a los
edi2icios 4 a la sala de control%
e7 El panel cl8sico re:uerido por el control tradicional$ se sustituir8 por uno o
varios monitores #RT$ en los cuales$ el operador con la a4uda del
teclado6puntero deber8 eaminar las variables de proceso$ las características
de control$ las alarmas$ etc%$ sin perturbar el control de la planta 4 con la opción
de cambiar cual:uiera de las características de control de las variables de
proceso%
#omo resultado de estos es2uerzos$ el primer #ontrol Aistribuido para la
industria apareció en noviembre de &()'$ ba
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transmisores$ el diagnóstico de cada lazo de control$ el acceso a los datos
b8sicos de calibración 4 a los datos de con2iguración de los transmisores%
?sociando todas las ideas :ue se 9an epresado 9asta a9ora en este
punto$ podemos obtener una primera aproimación de lo :ue sería un es:uema
b8sico :ue vincule los di2erentes elementos :ue 2orman un control distribuido%
Tal es:uema podría ser el mostrado en la 2igura , 4 cu4a descripción de los
componentes :ue lo 2orman pasamos a ver%
!ig% , Estructura 4 componentes de un control distribuido b8sico%
- Controlador "ásico (#egulador digital
Es un módulo estructurado en torno a un microprocesador :ue permite
realizar controles PIA 5ProporcionalDIntegralDAerivativo7 4 otros algoritmos decontrol basados en sumas$ multiplicaciones$ divisiones$ relaciones$ raíces
cuadradas$ contadores$ etc% Un controlador b8sico puede controlar varios lazos$
es decir$ puede estar GpendienteH de múltiples variables de 2orma simult8nea 4
proporcionar un control sobre ellas%
Estos algoritmos pueden con2igurarse$ 4 en caso de avería en las
unidades de control superiores$ el control :ue e
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inverso$ etc%7$ tipo de se=al de entrada 5lineal$ eponencial$ etc%7$ alarmas a
generar$ sensores a muestrear$ etc% #omo vemos$ en este controlador b8sico
se establece 4a el primer paso en la dotación de cierta autonomía a los
di2erentes elementos de un control distribuido%
3a red de comunicación eterna suministra los datos necesarios :ue
de2inen el comportamiento del regulador% Estos datos eternos
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!ig% ( Aiagrama de blo:ues de un regulador digital o controlador b8sico%
DControlador multi$unción
Utiliza en su programación un lengua
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- Estación de tra"a%o del operador
Proporciona la comunicación con todas las se=ales de la planta para el
operador de proceso$ el ingeniero de proceso 4 el t;cnico de mantenimiento% 3a
presentación de la in2ormación a cada uno de ellos se realiza mediante
programas de operación% Ae este modo"
a7 El operador de proceso ve en la pantalla6s un gr82ico6s del proceso 5o parte
de ;l7 :ue le interesa$ 4 puede manipular las variables deseadas$ las alarmas$
las curvas de tendencia$ etc% Puede arc9ivar datos 9istóricos de la planta :ue
crea interesantes$ obtener copias en impresora de las tendencias o de los
estados de alarma$ etc%
b7 El ingeniero de proceso puede editar los programas de control del proceso$
construir las representaciones en pantalla de partes del proceso$ etc% Tendr8 un
acceso al proceso muc9o m8s GcríticoH :ue el operador 4 su actuación ser8
m8s puntual :ue la de ;ste%
c7 El t;cnico de mantenimiento se dedicar8 desde la estación de traba
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con puede tambi;n a4udar a integrar actividades
relacionadas con una división o una planta$ tal como compras$ recepción de
material$ control de inventario$ 2acturación$ control de calidad 4 servicios al
cliente o usuario%
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!ig% &- iveles$ coneiones 4 elementos :ue intervienen en un sistema de control distribuido
5A#>7%
3os sistemas de control distribuido multinivel poseen todas las
posibilidades de un sistema de control centralizado$ mientras conservan la2leibilidad$ seguridad 4 rapidez de respuesta de los controladores autónomos
basados en microprocesadores% Por e a2ecta sólo a una pe:ue=a parte del proceso$ si acaso% Por otro
lado$ si un elemento de un nivel superior 2alla$ los controladores del IVE3 &
continuar8n el control del proceso normalmente$ entendiendo por normalidad la
e son 28cilmente ampliables% #ual:uier dispositivo :ue
9a4a de a=adirse se comunica con otros dispositivos 4a instalados en el mismo
lugar% Esta modularidad proporciona una signi2icativa mei bien 9a4 una cierta di2uminación en las 2ronteras :ue separan los
distintos niveles de un A#>$ todavía se pueden enclavar ciertos elementos o
componentes en determinados niveles$ pues son característicos de ellos% En
todo caso$ no se puede cerrar un nivel con los elementos :ue se van a incluir
en cada uno de ellos en los siguientes p8rra2os$ de
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N&'EL )
Este nivel es el denominado de planta o proceso 4 es el :ue 2ísicamente
se encuentra en contacto con el entorno a controlar$ tal como su nombre indica%
Para maimizar los bene2icios de un A#>$ en este nivel se utilizan sensores$
actuadores 4 módulos de E6> de los denominados GinteligentesH 4 :ue
generalmente est8n basados en microprocesadores 5regulación digital7%
Este tipo de elementos son mu4 2leibles$ permitiendo modi2icar tanto el
control como los cambios re:ueridos en el proceso$ adem8s de o2recer una
28cil ampliación en caso necesario% Inclusive$ los módulos de E6> pueden
mane pueden ser unidades de pe:ue=os autómatas$ siendo estos los:ue integrar8n las comunicaciones necesarias%
3a instalación de todo lo relacionado con este nivel de control se lleva a
cabo por personal altamente especializado$ 4a :ue el mismo elemento 5sobre
todo transductores 4 actuadores7 unos centímetros adelante o atr8s no mide o
actúa con igual 2idelidad% Estos componentes$ sobre todo los transductores$ son
mu4 sensibles 4 precisan unas condiciones de traba
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tanto es 2undamental elegir el dispositivo adecuado para evitar multitud de
problemas Gsin lógica aparenteH%
N&'EL *)
>uele denominarse generalmente de control 4 regulación% En este nivel
se encuentra la inter2ace de operaciones de cada uno de los procesos
controlados% 3a inter2ace de operaciones o consola ser8 una estación tipo
ordenador personal$ 4a :ue constar8 de teclado$ unidad de visualización 4
puntero% Esta inter2ace permite al operador observar el estado del proceso 4
programar los elementos vinculados a ;l$ individualmente si ello es necesario%
3os autómatas 5P3#Ls7 ubicados en este nivel suelen ser de
prestaciones m8s elevadas$ dotados de módulos de comunicaciones
industriales 5buses de campo7$ adem8s de sus 2uncionalidades características%
Por otro lado$ los ordenadores ir8n e:uipados con tar
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controladores del IVE3 1$ 4a :ue algunos de ellos adem8s de incluir varios
elementos a la vez 5transductor$ acondicionador$ regulación digital7$ posee una
inter2ace lo su2icientemente potente como para comunicar directamente con
niveles superiores% Ae 9ec9o$ la consola de operaciones del IVE3 1 puede ser
usada para interrogar o dirigir un controlador inteligente del IVE3 &%
Esta combinación de inteligencia$ controladores independientes e
inter2ace de operador$ proporciona la seguridad$ velocidad$ potencia 4
2leibilidad :ue es la esencia de un A#>%
N&'EL +)
Este nivel es el conocido como de mando de grupos 4 en ;l se sitúa la
denominada en su día Ginter2ace del ingenieroH 4 :ue 9o4 en día suele
conocerse como Ginter2ace para el control de la línea de producciónH%
Esta inter2ace 5con cual:uiera de sus nombres7 de un A#> 2acilita la
coordinación de las di2erentes c;lulas eistentes en el nivel in2erior$ a la vez
:ue supervisa 4 controla toda un 8rea$ permitiendo obtener una visión m8s
amplia de lo :ue se est8 e
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este nivel se deciden aspectos productivos tan importantes como entrada 4
salida de materiales$ es decir$ la logística de aprovisionamiento%
N&'EL )
Es el nivel de dirección de la producción% En este nivel se de2ine la
estrategia de la producción en relación con el an8lisis de las necesidades del
mercado 4 se 2ormulan previsiones de producción a largo plazo% >obre estas
previsiones$ se plani2ica la producción en el IVE3 *% En este cuarto nivel se
utilizan estaciones de traba
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!ig% && El A#> debe aparecer como un con
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continua evolución de modelos 4 variantes% 3a poca 2acilidad de cambios 9aría
cuestionar el nombre de Gc;lulas 2leiblesH :ue se da a estas estructuras%
E7 Posibilidad de utilizar lengua
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con una sola vía de comunicación entre ellos baste para conseguir óptimos
resultados%
Pero$ si 9ablamos de automatismos un poco m8s comple% ?un:ue importante$ la solución
para las comunicaciones de >iemens no es la única$ eistiendo otras :ue$
aun:ue m8s localizadas$ est8n 2uncionando en plantas con muc9a entidad$tanto desde el punto de vista productivo como tecnológico$ por lo :ue tienen su
sitio propio en las comunicaciones industriales% Tal es el caso del protocolo
M?P 5Manu2acturing ?utomation Protocol7% Este protocolo para la
automatización de la 2abricación persigue$ como Et9ernet Industrial$ la
uni2ormidad de las comunicaciones en el m8imo número de niveles posibles%
El M?P 2ue un primer intento de estandarización a nivel global impulsadopor +eneral Motors$ 4 :ue a la larga se convirtió en un modelo :ue 9an ido
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adoptando múltiples 2abricantes de e:uipos de automatización% 3as razones de
esta iniciativa 2ueron :ue +%M% preveía 5en los a=os ,-7 :ue para 2inales de los
(- debía integrar en red unos /--%--- sistemas autom8ticos$ m8s o menos
dedicados$ 4 :ue el coste de los gateJa4s6bridge necesarios era$ en muc9os
casos$ del mismo orden de magnitud o superior al de los propios e:uipos o
niveles :ue se deseaba unir% Aada la entidad 4 el poder de compra de la 2irma
americana 4 de otras del sector :ue le siguieron$ muc9os 2abricantes de P3#$
## 4 robots incorporaron el protocolo M?P a sus productos de gama alta$
alcanzando r8pidamente altos niveles de estandarización%
!ig% &1% Estructura de comunicaciones entre los niveles de un A#> propuesta por >IEME>%
3as características b8sicas de una red basada en el protocolo M?P son"
Enlace 2ísico" #able coaial6UTPD>TP6!@
#odi2icación" Modulación banda anc9a
Estructura" Bus 2ísico IEEE ,-1%/
Velocidad" &- D '- D &-- Mbits6s
Protocolo acceso" Paso de testigo 5ToOen Passing Bus7
El M?P es un protocolo pensado para redes m8s o menos grandes$ pero
sobre todo 3?s$ resultando ecesivamente caro 4 comple
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pe:ue=os controladores% En vista de esto se creó un sub
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?ntes de :ue apareciesen los buses de campo$ la comunicación
tradicional en este 8mbito se basaba casi eclusivamente en tecnología de
se=al analógica de lazo de corriente /D1-m? conconeiones punto a punto$ es
decir cada elemento de campo se conectaba directamente a su controlador o
terminal especí2ico de ;ste% ?sí$ una topología tradicional a nivel de campo
podría presentar un aspecto como el mostrado en la 2igura &*%
!ig% &* Topología de un sistema tradicional en el nivel de planta o proceso%
>in embargo$ la automatización del control de procesos 9a generado unas
necesidades de comunicación entre e:uipos 4 sistemas :ue no pueden ser
cubiertas satis2actoriamente por comunicaciones del tipo /D1-m? o similares%
?sí$ en un primer paso aparecen las uniones punto a punto entre determinados
e:uipos" autómatas$ controladores$ centrales de medida$ etc% Esta 2orma de
comunicación no se considera basada en bus de campo$ 4a :ue muc9as de
estas uniones carecen de protocolo 4 se basan simplemente en compartir
ciertas 8reas de memoria de los citados e:uipos a trav;s de lo :ue se
denominan variables comunes% ?sí pues$ la característica b8sica para :ue una
red de comunicación pueda denominarse propiamente bus de campo es :ue
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permita intercambiar órdenes 4 datos entre productos de un mismo o de
distintos 2abricantes a trav;s de un protocolo reconocido por cada uno de los
nodos%
#on la aparición de los buses de campo el es:uema se simpli2ica
considerablemente 4 el a=adir un nuevo elemento de campo tan sólo supone
e2ectuar una simple coneión a dic9o bus$ :ue normalmente estar8 próimo al
citado elemento% Esto puede observarse en la 2igura &/%
!ig% &/ Topología de un bus de campo 5nivel de planta o proceso7%
El bus de campo aporta a la estructura de comunicaciones de cual:uier
sistema de control un amplio con
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? las venta
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El bus de campo 52ieldbus$ en ingl;s7 es la suma de un protocolo 4 una
tecnología de comunicación cu4o resultado es una red industrial de car8cter
digital 4 :ue transporta in2ormación$ generalmente$ en banda base% El
protocolo$ la corta longitud de los datos 4 la velocidad de transmisión :ue
alcanza 5& Mbit6s7$ le 9ace ideal para comunicar dispositivos 4 e:uipos de
campo en tiempo real%
?sí$ inicialmente era utilizado como medio de comunicación entre
sensores$ actuadores$ controladores digitales b8sicos 4 autómatas de clase
ba
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El meI 5@pen >4stems
Interconnection7$ :ue aun:ue pensada para otros tipos de redes de m8s
entidad$ es per2ectamente asumible por los protocolos de este tipo de redes
industriales%
Fasta el momento 9an sido varios los intentos de crear un est8ndar para el bus
de campo$ pretendiendo siempre conseguir un enlace multipunto entre
elementos cu4a principal 2inalidad son las tareas de control 4 :ue suelen tener
una capacidad de comunicación limitada$ por lo cual no permiten implementar
un protocolo al estilo de las grandes redes% Todo ello no debe suponer una
p;rdida importante de velocidad$ ni tampoco un incremento de precio 4
comple
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5)7$ :ue consiste en la de2inición de una serie de 2unciones 4 servicios de la red
mediante códigos de operación est8ndar%
D El nivel de aplicación 5)7$ dirigido al usuario$ suele ser propio de cada
2abricante$ apo48ndose en las 2unciones est8ndar antes mencionadas para
crear programas de gestión 4 presentación casi siempre dedicados a una gama
especí2ica de productos% ? lo sumo$ el so2tJare de aplicación es abierto 4
permite la programación en un lenguaalvo rara ecepción 5BITBU>$ por e
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!ig%&' El bus de campo según el modelo de niveles o capas I>@6@>I%
- Clasi$icación de los "uses de campo
?l ser el control de procesos industriales un mercado :ue genera unas
grandes epectativas económicas$ todos los 2abricantes de e:uipos para este
sector intentan acaparar un trozo de dic9o mercado para$ posteriormente$
intentar mantenerlo e incrementarlo por 5casi7 cual:uier medio%
Precisamente una de las 2ormas de evitar la p;rdida de clientes es
creando un sistema de comunicaciones propio en el entorno industrial$
optimizado per2ectamente para sus e:uipos 4 prestando unos servicios
ecelentes" 2iabilidad$ rendimiento$ etc% Todo lo anterior nos sitúa ante un
mercado con m8s de cien buses de campo$ pr8cticamente incompatibles unos
con otros$ lo cual 9a llevado a plantear la necesidad de crear un bus de campo
est8ndar o normalizado% Para ello$ un primer paso importante es clasi2icar los
buses de campo en propietarios 4 abiertos%
3os buses de campo propietarios reciben este nombre por ser propiedad
intelectual de una compa=ía particular$ por lo cual no se puede 9acer muc9o
con ellos a no ser :ue se ad:uiera una licencia$ las cuales son controladas a
discreción del propietario$ sometidas a restricciones de uso 4 a elevados pagos
de derec9os%
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3os buses de campo abiertos se caracterizan por seguir criterios opuestos a los
anteriores"
D >us especi2icaciones completas deben estar publicadas 4 disponibles a
precios razonables para cual:uiera :ue desee ad:uirirlas%
D >us componentes críticos deben estar disponibles en las mismas condiciones%
D 3os procedimientos de validación 4 9omologación deben estar bien de2inidos
4 abiertos a cual:uiera%
Todo ello se traduce en un bus de campo :ue cual:uiera puede utilizarlo
o desarrollar productos basados en ;l$ a un coste 4 es2uerzo razonables% Esta
primera clasi2icación de los buses de campo 9a sido tenida en cuenta por todos
a:uellos organismos :ue 9an realizado alguna vez el intento de crear un
est8ndar% El m8s serio de estos intentos de normalización$ por parte de un
organismo internacional de reconocido prestigio$ 9a sido el emprendido por el
IE# 5#omit; Electrot;cnico Internacional7$ cu4o comit; T#0'#DQ+0 9a
de2inido unas reglas marco bastante gen;ricas$ constitu4endo esto un punto de
partida importante para acercarse al tan deseado est8ndar% 3as condiciones
2i
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&-%D ?islamientos% '-- Vc%a% permanentes entre elementos de campo 4 bus%
Tensión de prueba &'-- Vc%a%6& min%
&&%D >eguridad intrínseca% @pción a conectar elementos de campo con
tensiones reducidas para atmós2eras eplosivas%
&1%D ?limentación% @pción de alimentar los elementos de campo a trav;s del
bus%
&*%D 3ongitud de mensa?6IE# comenzó a elaborar lo :ue se
pretendía :ue 2uera el bus de campo est8ndar 4 :ue 2uese siendo adoptado
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poco a poco por los principales 2abricantes de e:uipos$ sistemas 4 dem8s
componentes orientados al control de procesos$ el !ieldbus%
>in embargo$ aun:ue el número de e:uipos 4 usuarios de este
pretendido est8ndar 9a aumentado en los últimos a=os$ los resultados
obtenidos est8n mu4 le
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>in embargo$ 9o4 en día Pro2ibus es un modelo de comunicación
industrial de car8cter internacional$ estando presente en multitud de plantas
distribuidas por todo el mundo% Por ello se 9ace necesario una gestión e2icaz 4
rigurosa de todo lo re2erente a este bus de campo% >in duda alguna$ la entidad
:ue m8s peso tiene para el desarrollo de ;ste est8ndar de comunicación es
Pro2ibus Internacional$ :ue reúne a todas las asociaciones de usuarios de
Pro2ibus 4 9a establecido una certi2icación cuali2icada de los sistemas 4 e:uipos
mediante un test de interoperatividad% 5Interconectividad interoperabilidad
intercambiabilidad7% Todo producto certi2icado aparece en la guía de productos
Pro2ibus con su número de certi2icado%
Veamos a continuación los aspectos m8s destacados de Pro2ibus
repartidos en dos blo:ues" datos t;cnicos 4 per2iles de Pro2ibus% En el primero
de ellos veremos de 2orma es:uem8tica un resumen de los aspectos m8s
tangibles del bus$ los m;todos de acceso 4 las t;cnicas de transmisión :ue se
utilizan% En el segundo blo:ue nos dedicaremos a conocer los di2erentes
per2iles :ue ;ste sistema de comunicación 9a desarrollado con la 2inalidad de
dar cobertura a todas las necesidades :ue el control en planta eige" Pro2ibus
!M>$ Pro2ibus AP 4 Pro2ibus P?%
Datos t3cnicos, m3todos de acceso / t3cnicas de transmisión en
2ro$i"us.
En los datos t;cnicos podemos observar la versatilidad de Pro2ibus 4 el
abanico de posibilidades :ue cubre para adaptarse a las necesidades de la
comunicación industrial%
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!ig% &0 Es:uema :ue muestra los dos m;todos de acceso al medio de Pro2ibus%
En el m;todo de acceso podemos distinguir entre dos casos" en el
primero$ mediante tramas especiales 5testigos7 en el bus$ las estaciones tipo
master se van pasando el turno de ocupación de ;ste$ por lo :ue entre ellas se
2orma un anillo lógico$ 4a :ue 2ísicamente la topología es siempre en bus% Elsegundo caso es cuando una estación principal o master se 9ace con el bus%
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Aurante este tiempo$ se encargar8 de consultar a sus estaciones esclavas a la
m8ima velocidad posible%
43cnicas de transmisión
PR@!IBU>$ R> /,'
S Transmisión asíncrona R según R> /,'
S Velocidad desde (%0 OBit6s 9asta &1 MBit6s seleccionable en escalones
S #able de par trenzado 4 apantallado 5($0 .m7 o !@ 5apro% &'- .m7
S *1 estaciones por segmento$ m8% &1) estaciones permitidas
S Aistancia" &1 MBit6s &-- m &%' MBit6s /--m &,)%' OBit6s &--- m
S Aistancia ampliable mediante repetidores 9asta &- Om 5caso de cable7
S #onectores subDA de ( pines
PR@!IBU> P?$ IE# &&',D1
S #odi2icación síncrona Manc9ester$ *&%1' OBit6s en corriente
S #able de par trenzado apantallado o sin apantallar
S Aistancia 9asta &%(-- m por segmento$ ampliable mediante repetidores
S m8% &1) estaciones 5sin Enlace AP6P?7$ &-D*1 por segmento 5dependiendo
de :ue sean zonas clasi2icadas 4 el consumo7
2er$iles de 2ro$i"us
Pro2ibus nos o2rece tres per2iles$ cada uno de ellos adaptado a unasnecesidades concretas de comunicación en la planta% ?sí$ tenemos"
WPara tareas universales de comunicación" Pro2ibusD!M>
#omunicaciones Multimaster
?mplia gama de comunicaciones
WPara intercambio de datos r8pido 4 cíclico" Pro2ibusDAP
Plug X Pla4
E2iciente 4 rentable
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WPara automatización de procesos en 8reas con riesgo de eplosión" Pro2ibusD
P?
?limentación vía bus
>eguridad intrínseca
#ada uno de los per2iles anteriores se estructura según la pila de
protocolos @>I 4 est8n soportados en el est8ndar E '-&)-$ ecepto el nivel
5no @>I7 de usuario$ el cual es especí2ico del protocolo$ con el 2in de
aprovec9ar al m8imo sus prestaciones% 3a ar:uitectura de cada uno de los
per2iles se muestra en la siguiente 2igura &)%
!ig%&) Per2iles de Pro2ibus según la pila de protocolos @>I%
? continuación se o2recen distintas 2iguras :ue muestran las
con2iguraciones b8sicas delas redes Pro2ibus$ de acuerdo con los per2iles
comentados anteriormente$ pudi;ndose observarlos elementos o e:uipos
típicos :ue suelen 2ormar parte de ellas%
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!ig%&, #on2iguración típica de una red Pro2ibusD!M>%
!ig% &( #on2iguración típica de una red Pro2ibusDAP
!ig% 1- #on2iguración típica de una red Pro2ibusDP?%
?un:ue con las 2iguras 4 comentarios :ue se 9an dado a lo largo de estepunto podría ser su2iciente para saber el posicionamiento 4 uso de los distintos
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per2iles de Pro2ibus$ a continuación se o2rece un cuadro :ue nos muestra$ de
2orma resumida$ los par8metros m8s característicos de estos%
!ig% 1& Resumen de las prestaciones b8sicas de los tres per2iles Pro2ibus%
- 5orld6&2
En &(,'$ ba
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industriales$ etc7 en sistemas de automatización en los :ue se pretende un
control distribuido de los procesos%
?dem8s se puede utilizar con di2erentes tipos de ar:uitecturas"
centralizada$ descentralizada 5síncrona o asíncrona7 o maestroDesclavo%
Qorld!IP permite$ igualmente$ distribuir la inteligencia$ el control 4 los datos
entre las distintas unidades presentes en la red$ es decir$ un algoritmo puede
estar ubicado en una única unidad de procesamiento$ o distribuirse entre
varias%
Esto es posible gracias al mecanismo de distribución de datos de
Qorld!IP$ :ue garantiza la consistencia espacial 4 temporal de los mismos%
Aebido al mane
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la :ue arbitra el bus$ reconoce :ue son consumidoras de la variable en cuestión
52igura 117%
!ig% 11 Petición de consulta lanzada al bus por el 8rbitro% 3a estación ' se reconoce como
productora del identi2icador 5IAYA?TY?7%
El productor de la variable 5estación '7 di2unde entonces el valor del
identi2icador mediante una respuesta del tipo RPYA?T% Este valor se captura
simult8neamente por todas las estaciones consumidoras del identi2icador ?% En
la 2igura /%1* dic9as estaciones son la &$ * 4 el 8rbitro del bus% 3a estación
encargada del arbitra
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!ig% 1* Respuesta enviada por el productor 4 capturada por los consumidores%
El rastreo de una variable es determinista$ es decir$ Qorld!IP garantiza
:ue una variable con una periodicidad dada se rastrea en el instante adecuado%Para ello$ se deben conocer de cada variable aspectos temporales tales como"
Periodicidad" Tiempo m8imo :ue debe transcurrir entre dos rastreos
consecutivos de una variable% ormalmente se da en milisegundos%
Tiempo total necesario para realizar una transmisión elemental" nZ de bits de
la trama$ multiplicado por el tiempo de duración de un bit$ teniendo en cuenta la
velocidad de transmisión del medio 5normalmente &Mbit6s7% >u valor se da ensegundos% 3a 2igura /%1/ muestra una posible distribución en el tiempo de los
identi2icadores a$ b$ c 4 d$ en 2unción de la 2recuencia de llamada%
#ada periodo de tiempo constitu4e un ciclo elemental% En el primer ciclo
elemental$ el 8rbitro del bus rastrea todas las variables$ mientras :ue en el
segundo sólo lo 9ace con la variable a% Un macrociclo consiste en la
4utaposición de ciclos elementales%
El número de ciclos elementales :ue 2orman un macrociclo se obtiene
dividiendo el mínimo común múltiplo de las periodicidades entre el m8imo
común divisor de estas% Por e
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El e
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inteligente 5se 9an anulado los par8metros anteriores$ voluntaria o
involuntariamente7%
!ig% 1/ 3lamada 5rastreo7 4 distribución en el tiempo de los identi2icadores en Qorld !IP%
Tal como :ueda re2le
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- 7art
El bus de campo$ en cual:uiera de sus est8ndares actuales$ o2rece
interesantísimas perspectivas% >in embargo$ el modo de operación 4 la
implantación :ue tienen algunos de ellos les augura una larga vida 4 una
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estimable aportación a lo :ue podría ser un bus de campo est8ndar% Entre
estos$ probablemente$ estar8 el protocolo o bus de campo F?RT 5Fig9Ja4
?ddressable Remote Transducer7% Este protocolo nace con la idea de
compatibilizar modelos tradicionales en la comunicación de campo 5/[1-m?7
con modelos m8s actualizados :ue permiten llevar a cabo un control distribuido
de los procesos$ es decir$ buses de campo% ?sí$ aun sabiendo :ue estos
o2recen las m8imas perspectivas en el 2uturo$ los usuarios de numerosas
plantas :ue todavía utilizan se=ales analógicas /[1-m? no contemplan la
posibilidad de grandes cambios estructurales$ o bien$ los 9ar8n paulatinamente$
sin prisas%
?nte esta situación 4 sin perder de vista :ue el 2uturo pasa por el control
distribuido a nivel de campo$ los usuarios se preguntan" \cómo podrían
aprovec9arse las ventamart7$ tal como se aprecia en la 2igura 1'%
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!ig% 1' Protocolo Fart" permite traba
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3a comunicación digital se lleva a cabo sobre el mismo lazo analógico
52igura 107$ sin verse alterada ninguna de las se=ales :ue conimultaneidad de ambas% 3a representación
no est8 9ec9a aescala
9Cómo se puede mantener la compati"ilidad analógico-digital so"re un
mismo par de :ilos;
El protocolo Fart utiliza para la comunicación digital la transmisión de G&H
4 G-H mediante la t;cnica !>. 5!recuenc4 >9i2t .e4ing$ codi2icación por
desplazamiento en 2recuencia7$ compatible adem8s con el est8ndar Bell 1-1%Tal como puede observarse en la 2igura 1)$ cuando se desea transmitir un cero
lógico$se envía durante el tiempo pre2i
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in2orma sobre el proceso 5variable de proceso7% #on todo lo epuesto sobre la
compatibilidad de se=ales en el protocolo Fart$ podemos 9ablar de :ue los
instrumentos compatibles con este bus de campo pueden operar en dos
modos"
!ig% 1) >e=ales el;ctricas presentes en el bus Fart% El valor medio de la se=al digital es
siempre cero 4 por tanto noa2ecta a la se=al analógica%
- Modo :1"rido o Comunicación punto a punto
Por el bus GcirculanH datos analógicos 4 digitales combinados% Tal es el
caso mostrado en la 2igura 1,$ en la :ue podemos distinguir los siguientes
elementos"
K >mart Aevice" transmisor inteligente enviando el valor de la variable medida$
en este caso$ en modo analógico 5/D1-m?7 al #ontrol >4stem%
K Pantalla" visualizador actuando en modo digital%
K FandD9eld #ommunicator" terminal de mano inteligente traba
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K #ontrol >4stem" es la unidad central :ue 4stem 5maestro primario7 4 el FandD9eld #ommunicator 5maestro
secundario7 pueden comunicarse con el dispositivo de campo 5>mart Aevice7%
- Modo digital
Este modo$ tambi;n denominado multidrop o comunicación multipunto$
permite la coneión de 9asta &' dispositivos smart en un solo bus 5par de
9ilos7%
#on el protocolo Fart$ varios dispositivos pueden conectarse en red mediante
una simple línea de comunicación$ tal como muestra la 2igura 1(% Este modo de
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trabamart operar sobre líneas
tele2ónicas 5normalmente al:uiladas7%
?sí$ dic9os dispositivos pueden ser conectados directamente a la línea
al:uilada 4 comunicarse con un punto central situado a decenas o cientos de
Oilómetros% En este caso sólo sería necesario una 2uente de alimentación local$
sin m8s accesorios o elementos de comunicación :ue los modem :ue permiten
el acceso a las líneas tele2ónicas% En este modo de actuación se pueden
conectar a la red 5tele2ónica7 cual:uier número de dispositivos compatibles
Fart% >in embargo$ la ma4or parte de los países europeos no permiten la
transmisión de se=ales Bell 1-1 a trav;s de sus líneas%
#uando se utiliza una sola 2uente de alimentación para varios
dispositivos smart$ el número de ;stos :ueda limitado a &'% En una red punto a
punto 5dos únicos elementos conectados directamente7 se usa el número cero
para interrogar al dispositivo smart% En una red multidrop la dirección para
GinterrogarH 5polling7 a un dispositivo smart ser8 siempre un número ma4or :ue
cero% ?l aparecer la dirección de un elemento sobre el bus Fart$ dic9o elemento
sitúa su salida analógica a /m? 5el mínimo valor analógico7 4 establece la
comunicación digital solicitada por el controlador principal 5master7%
Por último$ para 2inalizar estas anotaciones sobre el protocolo Fart$
diremos :ue dic9o protocolo permite dos modos de comunicación digital"
pregunta6respuesta 4 burst% ?mbos modos proporcionan un acceso similar$
tanto la in2ormación de mantenimiento como a la propia del proceso% En elmodo pregunta6respuesta el master re:uiere in2ormación del dispositivo smart%
En el modo burst 5o broadcast7 el dispositivo de campo transmite
continuamente datos sobre el proceso$ sin necesidad de :ue el m8ster envíe
mensa
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!ig% 1( El protocolo Fart permite derivaciones múltiples para varios dispositivos smart en el
modo digital 5multidrop7%
#omo en casos anteriores$ vamos a 2inalizar el apartado dedicado a Fart
con unos cuadros :ue nos resumen los aspectos m8s importantes de este bus
de campo%
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- 6ield"us
3a organización !ieldbus !oundation est8 2ormada por &1- de los
principales 2abricantes 4 usuarios 2inales de la automatización 4 control de
procesos industriales% Traba
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D ?cceso a zonas E$ con lo :ue le permite operar en 28bricas 4 entornos de
control de procesos :ue inclu4en re:uerimientos de seguridad intrínseca%
D Aisponer de la aplicación de control en los dispositivos de campo%
3os segmentos F& se 9an optimizado para cumplir con los
re:uerimientos anteriores$ por ello traba% 3os segmentos
F1 utilizan el est8ndar ampliamente di2undido Et9ernet de alta velocidad o F>E
5Fig9 >peed Et9ernet7 en con2iguración redundante% Estos segmentos traba
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a &-- Mbit6s con un coneionado de pares de cables trenzados 4 apantallados
5>TP7 o mediante !ibra óptica%En la siguiente tabla se muestra una
comparativa de los aspectos t;cnicos m8s generales entre segmentos F& 4 F1%
@tras características de las redes !oundation !ieldbus son"
-Seguridad e integridad en las comunicaciones
!ieldbus es una red de comunicaciones determinista$ los datos se
transmiten en el momento preciso 4 a intervalos deseados 4 eactos% 3a
in2ormación de control tiene prioridad a otras comunicaciones en la red%
3os dispositivos !ieldbus son inteligentes$ tienen iniciativa de
comunicación$ de manera :ue cual:uiera puede 9ablar con cual:uiera sin
dependencia de ningún nodo central o _9ost_%
-Soporte
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!ieldbus no solo est8 dise=ado para comunicar valores de proceso en la
red$ la tecnología soporta de manera est8ndar el acceso a datos de diagnosis 4
calibración de instrumentos todo ello se soporta en las Aescripciones de
Aispositivo%
#ada 2abricante establece toda la in2ormación de su instrumentación
!ieldbus en su Aescripción de Aispositivo% Aesde cual:uier 9erramienta de
visualización podemos disponer de esta Aescripción :ue nos da acceso a
todos los datos del dispositivo%
lnteropera"ilidad
!ieldbus soporta interoperabilidad total$ esto representa una
independencia de marca 4 modelo a la 9ora de sustituir un dispositivo de
campo por otro tambi;n permite interoperar entre dos dispositivos de
di2erentes 2abricantes en el mismo bus%
3a ar:uitectura !oundation !ieldbus utiliza únicamente los niveles &$1 4
) del modelo de re2erencia @>I$ tal como sucede con la ma4oría de los buses
de campo%
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CONCLUSIN
3os sistemas distribuidos de monitoreo 4 control le a4udan a sacar
provec9o de todos los recursos disponibles para usar de manera m8s e2iciente
el sistema completo% ?l escoger 9erramientas abiertas 4 2leibles como base
del sistema$ puede integrar productos m8s 28cilmente de distintos proveedores%
Escoger un sistema operativo en tiempo real 4 dise=ar una aplicación con
an8lisis$ a4uda a descargar algunos de los re:uerimientos de cómputo desde
los servidores clave$ así como proporcionar algoritmos de control m8s r8pidos 4
so2isticados al nivel del nodo%
>e pudo observar la venta
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BIBLIO&RA"IA
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sistemas-de-control-distribuido-dcs/item/413-introduccion-a-los-dcs-sistemas-de-
control-distribuido.html#sthash.7brhjqG3.dpu
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http://portal.uned.es/portal/page?_pageid=93,8050613,93_20527912&_dad=portal&_schema=PORTAL&idAsignatura=28803203http://portal.uned.es/portal/page?_pageid=93,8050613,93_20527912&_dad=portal&_schema=PORTAL&idAsignatura=28803203http://portal.uned.es/portal/page?_pageid=93,8050613,93_20527912&_dad=portal&_schema=PORTAL&idAsignatura=28803203http://www.instrumentacionycontrol.net/cursos-libres/automatizacion/curso-sistemas-de-control-distribuido-dcs/item/413-introduccion-a-los-dcs-sistemas-de-control-distribuido.html#sthash.7brhjqG3.dpufhttp://www.instrumentacionycontrol.net/cursos-libres/automatizacion/curso-sistemas-de-control-distribuido-dcs/item/413-introduccion-a-los-dcs-sistemas-de-control-distribuido.html#sthash.7brhjqG3.dpufhttp://www.instrumentacionycontrol.net/cursos-libres/automatizacion/curso-sistemas-de-control-distribuido-dcs/item/413-introduccion-a-los-dcs-sistemas-de-control-distribuido.html#sthash.7brhjqG3.dpufhttp://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_de_control_distribuidohttp://www.instrumentacionycontrol.net/cursos-libres/automatizacion/curso-sistemas-de-control-distribuido-dcs/item/413-introduccion-a-los-dcs-sistemas-de-control-distribuido.html#sthash.7brhjqG3.dpufhttp://www.instrumentacionycontrol.net/cursos-libres/automatizacion/curso-sistemas-de-control-distribuido-dcs/item/413-introduccion-a-los-dcs-sistemas-de-control-distribuido.html#sthash.7brhjqG3.dpufhttp://www.instrumentacionycontrol.net/cursos-libres/automatizacion/curso-sistemas-de-control-distribuido-dcs/item/413-introduccion-a-los-dcs-sistemas-de-control-distribuido.html#sthash.7brhjqG3.dpufhttp://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_de_control_distribuidohttp://portal.uned.es/portal/page?_pageid=93,8050613,93_20527912&_dad=portal&_schema=PORTAL&idAsignatura=28803203http://portal.uned.es/portal/page?_pageid=93,8050613,93_20527912&_dad=portal&_schema=PORTAL&idAsignatura=28803203http://portal.uned.es/portal/page?_pageid=93,8050613,93_20527912&_dad=portal&_schema=PORTAL&idAsignatura=28803203