Generalidades

En el uso de comunicaciones industriales se pueden dividir, aunque esta división se hace cada vez más difusa, en una comunicación a nivel de campo, y una comunicación hacia el SCADA. En ambos casos la transmisión de datos se realiza en tiempo real, o por lo menos con una demora que no es significativa respecto de los tiempos del proceso, por lo que puede suponerse como tiempo real, pudiendo ser súmamente crítico para el nivel de campo.

Para esta comunicación a nivel de campo no existe una norma de comunicaciones para esta transmisión de datos en tiempo real que haya alcanzado un algo grado de difusión, esto hace que en algunos casos resulte técnicamente difícil integrar equipos de distintos fabricantes, mas aún, en algunos casos puede resultar técnico-económicamente desaconsejable. Varias normas intentan imponerse y actualmente existe una muy dura batalla entre las dos mas destacadas: Profibus y Fieldbus Foundation, aunque también tienen una amplia difusión ASi, LonWorks, ArcNet, Interbus, DeviceNet, Seriplex, Genius, SERCOS, SDS, HART, ControlNet, WORLDFIP, FIP, etc. Pero las grandes batallas hacen a veces que los contendientes se distraigan, y aparezca una tercer tecnología como la TCP/IP, muy probada en redes administrativas, y que comienza a utilizarse en redes de bajo nivel para sistemas en tiempo real, como lo demuestran los principales fabricantes de PCL´s.

La difusa división antes enunciada responde a que mediante placas en el bus de la PC se puede integrar la misma con su sistema SCADA contenido, siendo un nodo mas en la red de campo. Las principales normas antes enunciadas lo permite hacer, y esto refleja la importancia que se le da a los sistemas SCADA´s en los controles de proceso.

Un aspecto súmamente importante sobre estos sistemas integrados es la seguridad, ya que al integrarse el equipamiento a ambas redes, administrativas y de control de procesos, el sistema se haya mas expuesto, además, sobre la red de control de procesos la seguridad viene dada no solo por el acceso a la variedad de datos que se manejan, como en las redes administrativas, sino que también se asocia con la disponibilidad de los datos en tiempo real, y la inmunidad del sistema a fallas de algún componente. De allí que los conceptos de seguridad sean más estrictos en estos ambientes.

El problema de acceso al medio físico surge en el instante en que dos o más equipos digitales comparten este medio físico. Existen varios métodos para resolver el problema, el más sencillo es el esquema maestro-esclavo, pero también se utilizan paso de testigo en bus, paso de testigo en anillo y acceso múltiple con detección de portadora y colisiones.

Se analizará en esta etapa la integración de los equipos de control según un esquema denominado maestro-esclavo. Este esquema es frecuentemente utilizado en la integración de PLC´s, controladores, registradores, cromatógrafos, etc. Esto constituye un sistema de control centralizado o un DCS que a su vez debe recabar información de equipamiento autónomo disponible en planta.

Esta integración maestro-esclavo también se utiliza en muchos equipos PLC´s, con configuraciones de módulos remotos, es decir utilizan este tipo de comunicaciones entre la CPU central y los módulos.

La inclusión de microprocesadores en numerosos equipos de campo permitió su integración en redes, con importantes ventajas, tales como precisión, económica, diagnóstico, etc. Estos conceptos resultaron aplicables a controladores unilazo, módulos remotos de I/O, transmisores inteligentes, PLCs, DCSs y otros equipos digitales de campo. Dado que no existían normas para la integración digital de estos equipos, cada proveedor desarrolló un protocolo propio, por lo que estas ventajas estuvieron limitadas a algunos equipos de un mismo proveedor.

Varios grupos han intentado generar e imponer una norma que permita la integración de equipos de distintos proveedores. Se pueden identificar dos corrientes en este sentido. En los Estados Unidos, la introducción en 1982 de los primeros transmisores inteligentes por parte de la firma Honeywell, seguida por otras compañías como Foxobor y Rosemount, incentivó a la ISA a formar el comité SP50, cuyo objetivo es el diseño de un protocolo normalizado para la integración de transmisores inteligentes. En Europa, firmas como Siemens, Telemecanique, AEG, Klockner Moeller, y otras, concentraron sus esfuerzos en la creación de un bus digital para la integración de PLCs. Dos grupos se impusieron: la norma alemana Profibus, y la norma francesa FIP.

Puesto que el esfuerzo de los tres grupos está dirigido a desarrollar e imponer un bus de datos que permita la integración de equipos digitales de campo, se lo denominó genéricamente fieldbus.

El desarrollo de esta norma emergente no ha estado exento de marchas, contramarchas, e incluso una fuerte presión de proveedores que ya habían diseñado un fieldbus, y deseaban disminuir sus futuros costos de diseño imponiéndolo. Tampoco se quedaron atrás distintos entes normalizadores nacionales.

El comité ISA SP50 fue el responsable de una tarea de normalización actualmente muy difundida: SP50.1 que normalizó la señal de 4 a 20 mA por el año 1975. El comité fue reconvocado en 1984 para una nueva tarea, la normalización del fieldbus. El objetivo era establecer una norma para lprotocolo de comunicaciones digitales, serial y bidireccional para sensores y actuadores inteligentes montados en áreas de proceso. Un objetivo adicional era que el nuevo protocolo debía permitir el uso del cableado ya existente.

En forma simultánea la IEC empezó a trabajar en el desarrollo de un fieldbus, con la comisión SC65WG6. Pronto ambos institutos unificaron sus esfuerzos, y muchos miembros de una comisión forman parte también de la otra.

Para su diseño, el fieldbus fue dividido en distintos niveles según el modelo ISO/OSI. De los 7 niveles del modelo, el comité SP50 implementa solo tres: el nivel físico, el de enlace de datos y el de aplicación. Los demás niveles simplemente son omitidos. Además se agrega un nuevo nivel, el nivel de usuario, que es el que permite la intercambiabilidad de instrumentos. Este nivel consiste en una detallada descripción de la base de datos que identifica la función de un equipo, por medio de bloques funcionales como "entrada analógica", "lazo PID", y otros. Este concepto de octavo nivel o "capa de usuario" también es incluído en el desarrollo de ISP. Cada nivel es estudiado pro un subcomité, y aprobado por separado.

El desarrollo del fieldbus SP50 resultó extremadamente lento, debido a la gran cantidad de usuarios y proveedores que participan de los comités con vos y voto.

La norma alemana Profibus y el grupo ISP: Profibus, o Process Fieldbus, es una norma alemana para fieldbus, que contó con el aporte inicial de Bosch, Klockner-Moeller y Siemens. Ya existen más de 100 empresas que cuentan con productos ProfiBus. La definición del Profibus se basó esencialmente en la tecnología disponible: RS-485 para el nivel 1, IEC 955 para el nivel 2, y un subconjunto de MMS para el nivel 7. El protocolo IEC 955 especifica un modelo de control de acceso al medio denominado maestro volante (flying master), que es una combinación de los métodos de control de acceso al medio token bus y maestro-esclavo.

En este modelo, algunas estaciones son definidas como maestras, y otras como esclavas. Las estaciones maestras acceden al bus por medio de un esquema token bus. Mientras una estación maestra posee el testigo, realiza transacciones con sus esclavos según el esquema maestro-esclavo. Luego envía el testigo a la siguiente estación del anillo lógico.

Cuando Yokogawa, Siemens, Rosemount y Fisher fundan ISP el 15 de setiembre de 1992, buscaron tomar como base una tecnología existente y probada, para lograr una rápida implementación. Se seleccionó entonces la tecnología de Profibus, que fue integrada dentro del ISP.

Se cubrieron entonces las tres capas del modelo ISO/OSI que utiliza el fieldbus: la capa física, la de enlace, y la de aplicación. Sin embargo, el comité ISP pretende que el fieldbus permita la interoperabilidad de los equipos. En tal sentido, define como interoperabilidad la habilidad de sustituir un instrumento de un fabricante con uno equivalente de cualquier otro fabricante, sin degradar su rendimiento, ni el de la red, ni limitar su funcionalidad. Este nivel de detalle no es satisfecho por MMS, ya que para su implementación se requiere una definición desde el punto de vista de la estructura de los parámetros de configuración del dispositivo. Para ello se deberá definir el formato de la base de datos de un transmisor de presión diferencial, de un controlador, de un caudalímetro, etc.

Esta funcionalidad es cubierta por el DDL, que es un desarrollo de Rosemount, quien lo implementó un su protocolo HART.

El directorio del Proyecto ISP asigna una gran importancia al fieldbus, considerándolo como la próxima transición tecnológica de importancia en el control de procesos.

Hacia fines de 1993 el ISP contaba con un directorio con voz y voto formado pro seis empresas (los cuatro miembros fundadores mas Foxboro y ABB), y más de un centenar de miembros adherentes, que tienen voz pero no boto, entre los que se destacan AEG Modicon, Brooks, Eckardt, Endress+Hauser, Fuji, Hartmann & Braun, Magnetrol, Siebe y Valmet. Los miembros del ISP cuentan con experiencia proveniente de la comisión IEC/SP50, el Grupo de Usuarios HART y la Organización de Usuarios de Profibus. Esta experiencia, y la escasa cantidad de miembros con voto, han dotado a ISP de un alto dinamismo, esperándose que los primeros productos que cumplieron con ISP fueron lanzados al mercado en el año 1994.

Los Trabajos de implementación de Profibus y FIP dieron lugar al grupo SP50 de ISA que colabora con el IEC en la elaboración de una norma internacional. Sus resultados pueden verse en la Norma IEC 1158. La arquitectura en esta norma también se basa en el modelo ISO/OSI con los mismos tres niveles de Profibus y FIP. ISA introduce un cuarto nivel (Nivel de Usuario), pero todavía no aceptado por el IEC. En baja velocidad se admiten hasta 32 instrumentos por bus sin considerar la seguridad intrínseca, 12 instrumentos con alimentación por bus y sin seguridad intrínseca, y de 2 a 6 instrumentos con alimentación por bus y seguridad intrínseca. El nivel de usuario está destinado a facilitar el funcionamiento de los instrumentos de la red en conjunto, definiendo la estructura de la base de datos que residirá en cada instrumento de control o de medición. Lo que se busca es que distintos proveedores puedan construir sus productos con algoritmos predefinidos, requiriendo tan solo que la base de datos sea cargada para una configuración específica. También define el método para escalonar todos los bloques funcionales en base a la necesidad de tiempo crítico de cada bloque. El período de configuración de cada bloque queda determinado por la configuración de la base de datos. El nivel de Usuario incorpora un lenguaje común de programación para todos los instrumentos de campo, proveyendo una terminal de programación y una metodología de configuración única para instrumentos de distintos proveedores.

Como especificación abierta cumpliendo las normas de Nivel Físico aprobada por ISA/IEC y con la norma borrador del Comité de Nivel de Enlace de Datos, nace Fieldbus Foundation. Este bus está diseñado para entornos tantos de proceso como de automatización de fabricación. El control distribuido a través del bus es implementado con un tiempo muerto cero en la transmisión de datos de tiempo crítico. El fieldbus FF soporta redes intrínsecamente seguras y dispositivos alimentados por bus, como así también medios redundantes, bus redundante y maestros sincrónicos, estando diseñado como de "falla operacional".

El fieldbus FF se caracteriza por su interoperabilidad multiproveedor y está aceptado por la gran mayoría de los proveedores líderes en automatización de procesos y de fabricación de instrumentos.

La norma francesa FIP y el grupo WORLDFIP: FIP es una norma de fieldbus desarrollada en Francia. Un club FIP se ocupa de difundir la aplicación FIP a nivel internacional, fomentando el desarrollo de productos y brindando soporte técnico. El club FIP cuenta con más de 120 miembros de los más variados orígenes: Bélgica, Bulgaria, Ingraterra, Francia, Alemania, Italia, España, etc.

Un productor puede producir datos que sean de interés para más de un consumidor, así como un consumidor puede requerir datos de mas de un productor. Cada estación es autónoma, con el único requisito de producir las variables de las que es productor cuando el distribuidor se lo solicita. De esta forma, el distribuidor es el árbitro de la red, definiendo cuando las variables son producidas, conforme a los requerimientos de los consumidores.

Para que el árbitro pueda enviar los nombres en un orden adecuado, se debe tener organizada una lista de objetos. Este modo de transmisión combina dos tipos de servicios, el SDN y el RDR. FIP ofrece tráficos periódicos, aperiódicos y mensajes/transferencias con reconocimiento. En el tráfico periódico la nómina de objetos a ser transmitidos en el bus es secuenciada de acuerdo a las especificaciones de la aplicación. Puesto que los algoritmos de control, operación y supervisión están definidos y constituídos esencialmente de un modo cíclico, se conoce estadísticamente cuales son los objetos necesarios como entrada y cuales son los objetos producidos que necesitan ser cambiados. Esta nómina se repite cíclicamente confiriéndose al bus la función principal de buscar status periódicamente. El tráfico aperiódico es necesario para la transmisión de un evento, de objetos configurados y para la retransmisión de objetos sometidos al tráfico periódico, donde el consumidor detectó un error. En cuanto a los mensajes y transferencias con reconocimiento, la estación pide el derecho de transmisión al árbitro, que garantiza el derecho emitiendo un identificador (ID), reservado para la estación transmisora. Al recibir el ID, la estación administra la transacción y devuelve el control al árbitro. El árbitro garantiza este derecho para cualquier estación para un solo mensaje. En caso de que la estación necesite enviar un grupo de mensajes, le entrega al árbitro una lista de identificadores que emite cuando puede.

FIP ofrece en el nivel de aplicación dos tipos de servicios, servicios de transferencia de mensajes (subconjunto de MMS) y Servicios periódicos/aperiódicos MPS.

En febrero de 1993 se funda el grupo WordFIP, con el objetivo de promover a FIP como norma internacional de fieldbus. WorldFIP integra a miembros de FIP y nuevos miembros, contando actualmente con mas de 150 miembros, incluyendo Honeywell, Elsag Bailey, Allen Bradley, Masoneilan Dresser, Square D, Yamatake-Honeywell, Cegelec,etc. Se basa en la norma NFC 46-602 y NFC 46-607 y en el modelo ISO/OSI reducido a tres niveles, físico, de enlace y de aplicación.

WorldFIP Europe es un protocolo para operaciones de proceso, batch y de fabricación discreta. Entre las principales aplicaciones se incluyen las industrias automotríz, química, petroquímica, siderurgia, alimenticia y fabricación de papel. La simplicidad inherente del protocolo le ofrece al usuario una entrega garantizada de variables de tiempo crítico y le brinda la posibilidad de transferir archivos de datos en el mismo bus sin ninguna programación especial de las aplicaciones.

LonWorks, de Echelon Corp. es la única tecnología de control digital que soporta el uso simultáneo de varios medios de bajo costo, incluyendo par trenzado, línea eléctrica común, infrarrojo, radiofrecuencia y cable coaxial. Adecuado para aplicaciones en piso de planta, edificios comerciales, residencias privadas y control de instalaciones, el sistema LonWorks, que está basado en la tecnología Neuron de chips embebidos, puede ser configurado como un bus de dispositivo/sensores determinístico, peer to peer y maestro/esclavo, o como un fieldbus de mayor nivel.

Utilizado en numerosas aplicaciones industriales de control, cuando se lo configura en una arquitectura de administración de red de tipo cliente/servidor, ofrece una capacidad de escalabilidad virtualmente ilimitada. El uso por parte del sistema de un importante volúmen de componentes de bajo costo afecta favorablemente los costos de instalación.

ControlNet, de Allen-Bradley Co., fue introducido inicialmente como una red de control de alta performance y para propósitos generales. Por su capacidad inherente de datos, ControlNet puede soportar instrumentación inteligente, ofreciendo asimismo conectividad de proceso a sistemas de accionamiento de velocidad variable, MMI y DCS. Está destinado a aplicaciones de fabricación discreta de alta velocidad y procesos analógicos de tipo general.

El funcionamiento de la red es tanto determinístico como repetible; esto es, ControlNet garantiza el envío de los datos y no cambia el tiempo de transmisión si se agrega o se saca un dispositivo de la red. El resultado es un control más estricto en la mayoría de las aplicaciones.

HART, este protocolo provee comunicación digital bidireccional con dispositivos de campo inteligentes mientras conserva la compatibilidad y familiaridad de los tradicionales sistemas 4-20 mA. Su protocolo utiliza la norma Bell 200 que permite la superposición simultánea a niveles bajos de una señal de comunicaciones digital ( el "1" lógico es representado por 1200 Hz, mientras el "0" lógico corresponde a 2200 Hz) en la parte superior de la señal analógica 4-20 mA.

Ya que HART fue diseñado para ampliar las comunicaciones con los instrumentos de medición y control que tradicionalmente se comunicaban con señales de 4-20 mA, es aplicable a todo tipo de industrias de proceso. Por tratarse de una superposición a un sistema existente, el HART ofrece una solución sin ningún riesgo para poder gozar de los beneficios que resultan de una comunicación mas amplia con los dispositivos inteligentes.

SDS, de Honeywell es un protocolo de comunicaciones y entorno de control basado en CAN para automatización del piso de planta. Permite el envío de mensajes entre sensores, actuadores, HMIs, controladores y otros dispositivos del piso de una planta. La arquitectura del sistema provee un entorno de comunicaciones en base al cual se pueden generar plataformas de control de alta velocidad, en tiempo real, centralizado o distribuido.

Según Honeywell, el atributo más significativo de SDS es la simplicidad. Su protocolo, fácil de entender, permite a los usuarios implementar fácilmente redes del mundo real y a los fabricantes de dispositivos desarrollar con mayor facilidad productos que soportan la red.

SERCOS, brinda a los usuarios de accionamientos y controles digitales los beneficios de la comunicación sincrónica con una resolución digital de 32 bits, aportando un medio de transmisión con fibras ópticas inmune al ruido, una extensa capacidad de diagnóstico y una buena respuesta en aplicaciones donde se exige control de movimiento multieje digital y distribuído. Esta norma abierta tiene aprobación IEC-1491. Destinada a aplicaciones de control de movimiento, SERCOS está soportada por más de 30 proveedores de todo el mundo.

Genius, introducido en 1985 por GE Fanuc Automation, es un sistema de entradas/salidas distribuídas destinado a una amplia gama de aplicaciones desde la industria petroquímica y farmacéutica hasta el manipuleo de materiales.

El sistema se caracteriza por un control determinístico en tiempo real, mientras su tecnología de entradas/salidas distribuídas permite simplificar el cableado de control. La simplicidad del sistema y la aptitud de las E/S Genius de proveer automáticamente información de diagnóstico a través del cableado de campo permiten reducir en mucho el tiempo de ajuste, la eliminación de errores y la búsqueda de fallas, minimizando así la carga del sistema.

Seriplex, soportada por Seriplex Technology Organization, provee control determinístico de dispositivos tanto analógicos como digitales con el mismo bus. Su protocolo es transparente para el usuario y no hay reglas restrictivas para la topología del bus. Acepta configuraciones estrella, anillo y multidrop en cualquier combinación, sin límites en el largo de las conexiones.

Los chips embebidos en esta red de pequeño tamaño, que no están basados en un microprocesador, permiten que los dispositivos de E/S y los bloques inteligentes conectados sean compactos y de bajo costo. La compacticidad también hace posible que un solo cable Seriplex pueda reemplazar numerosos cables paralelos punto a punto, reduciendo y simplificando los costos de instalación y de puesta en marcha.

DeviceNet, es una red de dispositivos soportada por una organización de proveedores denominada ODVA. DeviceNet resuelve aplicaciones de control discreto en industria automotriz, alimenticia, manipuleo de materiales, máquinas herramienta, producción de pulpa y papel, y minería.

Al contar con una gran variedad de componentes, DeviceNet les brinda a los usuarios flexibilidad y una amplia base de soporte en aplicaciones específicas de producción, controlando los costos y maximizando la performance.

Interbus, La provisión de gran volúmen de datos que requieren las E/S avanzadas es el atributo principal que define el InterBus, un bus de dispositivos popular en Europa y que ahora está ingresando en Norte América a través de una organización de usuarios/proveedores conocida como InterBus-S Club.

Este protocolo garantiza transmisiones seguras en base a su capacidad de verificación de errores. También incorpora extensas capacidades de diagnóstico y un protocolo de mensajes que permite enviar datos parametrizados y de mensaje más complejos. Interbus está destinado a aplicaciones de fabricación discreta en la industria automotríz, gráfica y manipuleo de materiales.

AS-i, provisto por Siemens como un bus de red de bajo nivel, se utiliza en aplicaciones con sensores/actuadores binarios, por ejemplo en el procesamiento de productos alimenticios y operaciones de manipuleo de materiales. AS-i fue desarrollado por una asociación de fabricantes de sensores y actuadores para resolver requerimientos de conexión tanto de dispositivos binarios simples como de sistemas de control de mayor nivel.

Su tecnología de alta velocidad y bajo costo reemplaza el cableado desde los dispositivos hasta los paneles. La red usa un cable de dos conductores que transporta hacia los nodos tanto la señal de datos como la alimentación. Adec"estantería" en topologías de línea, árbol y estrella.

ArcNet, es la columna vertebral de una red de área local de Contemporary Control Systems. Destinado a aplicaciones de control en tiempo real, este bus a nivel de dispositivos tiene aplicaciones en el control de procesos y en la automatización de fábricas y edificios.

El funcionamiento de ArcNet se basa en un protocolo de tipo token-passing, lo que les da a todos los nodos igual acceso a la red y elimina las posibles colisiones de transmisión en las redes ocupadas. El protocolo ArcNet también es capaz de reconfigurar automáticamente la red (sin intervención de software) después de la adición o supresión de un nodo. Las opciones de cableado soportan topologías bus, estrella yestrella distribuida.