CONCEPTOS BÁSICOS DE COMUNICACIONES EN PLANTAS INDUSTRIALES

1.1. ¿QUÉ SON LAS COMUNICACIONES Y PARA QUÉ SIRVEN?

1.2. SEÑALES CABLEADAS
1.2.1. Señales digitales cableadas
1.2.2. Señales analógicas cableadas

1.3. SEÑALES COMUNICADAS
1.3.1. Señales digitales comunicadas
1.3.2. Señales analógicas comunicadas
1.3.3. Protocolos de comunicaciones
1.3.4. RS485 y MODBUS RTU

1.4. SEÑALES A TRAVÉS DE BUSES DE CAMPO

1.6. HART

1.7. EQUIPOS QUE SE VAN A COMUNICAR EN UNA PLANTA INDUSTRIAL
1.7.1. Entrada digital de un instrumento DI (Digital input)
1.7.2. Entrada analógica de un instrumento AI (Analog input)
1.7.3. Salida digital orden de marcha/paro de un motor DO (Digital output)
1.7.4. Salida analógica posicionamiento de la válvula de control AO (Analog output)

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CONCEPTOS BÁSICOS DE COMUNICACIONES EN PLANTAS INDUSTRIALES

1.1. ¿QUÉ SON LAS COMUNICACIONES Y PARA QUÉ SIRVEN?

La mayoría de los equipos de una planta no suelen funcionar de forma autónoma al resto.

Los equipos suelen requerir de señales e información de terceros; que les indiquen cómo y cuándo deben actuar.

Vamos hacer una primera división:

                   -Señales cableadas

                                    Digitales

                                    Analógicas

                   -Señales comunicadas

                                    Profibus DP

                                    OPC

                                    Modbus

                                    ….

                   -Buses de campo

                                    Fieldbus

                                    Profibus PA

                  -Comunicación HART

1.2. SEÑALES CABLEADAS

Llamamos coloquialmente señales cableadas, a aquellas que no requieren del conocimiento de un lenguaje especial para poder interpretarlas. El valor de tensión o de corriente nos proporciona la información requerida.

Estas señales pueden contener información analógica o digital.

1.2.1. Señales digitales cableadas

En este tipo de señal la información enviada solo puede tener dos posibilidades. (“todo/nada”, “si/no”,  “1/0”, “Verdadero/Falso”….) Si tenemos un sensor de lluvia digital, cuando le preguntemos si llueve, nos contestaría: “SI” o “NO”.

Ejemplo de señal cableada digital: 

Mandaremos una señal digital cableada al salón para indicarnos si alguien se ha colgado del plátano.

En este caso se trata de un contacto de libre potencial que se cierra dejando pasar la electricidad.

1.2.2. Señales analógicas cableadas

En este tipo de señal la información enviada es un valor dentro de una escala pre-fijada. (Entre: “1~10”, “4~20mA”, “1~3mbar”, “0~24Vdc”, “Nada-un poco-algo-bastante-mucho”….) Si tenemos un sensor de lluvia analógico, cuando le preguntemos nos contestará “10-litros/hora”

Ejemplo de señal cableada analógica:

(A medida que el mono sube por la cuerda la resistencia del circuito disminuye y la tensión aumenta)

Mandaremos una señal analógica cableada al salón para indicar lo cerca que está el mono del plátano. En este caso se trata de un valor que oscila entre “0~24Vdc”.

Con el fin de homogenizar las señales analógicas de una planta industrial, se suele requerir que todos los equipos envíen sus valores entre 4~20 mili-amperios. Para ello se suele poner un equipo intermedio entre el sensor y el receptor, que llamamos transmisor. 

El transmisor recibe la señal del sensor, la interpreta y la envía al sistema de control con un valor entre 4~20 mili-amperios; que es proporcional al valor medido por el sensor.

1.3. SEÑALES COMUNICADAS

 Llamamos señales comunicadas a aquellas que se envían encriptadas en algún lenguaje de comunicaciones. Hay muchos tipos de lenguajes de comunicaciones que podemos encontrarnos en una planta industrial.

Las señales enviadas por comunicación pueden ser a su vez señales digitales o señales analógicas

1.3.1. Señales digitales comunicadas

1.3.2. Señales analógicas comunicadas

En todos los casos para interpretar la información se requiere de dos equipos que entiendan dicho lenguaje. Un emisor tiene la información y la codifica en algún lenguaje que envía a un receptor a través de algún medio (ondas sonoras, impulsos eléctricos, wifi…), el receptor descodifica la señal y la interpreta.

1.3.3. Protocolos de comunicaciones

En una misma planta industrial nos encontraremos con diferentes protocolos de comunicaciones. Los  “Protocolos de comunicaciones” son un conjunto de reglas que establecen como transmitir e interpretar las señales. 

En estas reglas se define:

    -“Capa física” (el medio) estableciendo el software, cable, niveles tensión, niveles de corriente, etc 

    -“Capa lógica“ (el lenguaje) estableciendo la forma de transmitir cada señal, el hardware.

1.3.4. RS485 y MODBUS RTU

Hay protocolos (reglas) que se basan a su vez en otros protocolos. Por ejemplo: “RS485” es un protocolo de comunicaciones. Algunos puntos característicos del RS485:

-Utilizará 1 par trenzado para enviar la información. 

-Permite una arquitectura tipo serie (bus).

-Es una comunicación bidireccional. (Va en ambos sentidos)

Pero por otro lado, el protocolo “MODBUS RTU” se apoya en el protocolo “RS485”, utiliza todas las reglas establecidas por “RS485” y va un poco más lejos en las “capas lógicas”.

Algunos puntos característicos del MODBUS RTU:

-Dispone de 4 funciones lógicas 2 de lectura y 2 de escritura: Leer un Bit, leer una palabra, escribir un bit o escribir una palabra. 

-Cuando se comunique con “MODBUS” se está transmitiendo una tabla, donde cada registro de la tabla tiene una dirección para acceder a él y en cada registro se guarda una información. Por ejemplo:

En el ejemplo si accedemos a la dirección “3332” de la tabla MODBUS del equipo leeremos “500”

1.4. SEÑALES A TRAVÉS DE BUSES DE CAMPO

Cada vez son más los clientes que solicitan bus de campo para la instrumentación de sus plantas.

Los buses de campo llevan comunicadas señales que hasta ahora se llevaban cableadas desde el instrumento al controlador.

Entre sus ventajas está que por un solo cable nos podemos llevar varias señales analógicas.

Los buses de campo más utilizados actualmente son FIELDBUS y PROFIBUS PA.

FIELDBUS presenta la ventaja de que parte de la programación del lazo se puede realizar en los propios instrumentos, haciendo que el propio instrumento actúe como si fuera un pequeño controlador.

PROFIBUS PA no permite programar lógica en los instrumentos, pero el número máximo de instrumentos que podemos instalar en un segmente es mayor que en FIELDBUS.

1.6. HART

A pesar de que cada vez se usan más los buses de campo, en la mayoría de los proyectos se sigue usando instrumentación analógica cableada 4~20mA HART.

La señal HART es una información bidireccional que viaja camuflada en la propia señal 4~20ma.

Esta señal se suele utilizar para ser gestionada por una estación dedicada al mantenimiento de los equipos. No se recomienda utilizar ni en el control, ni en la supervisión del SCADA.

Si un operador quiere chequear el estado de un instrumento, podría ir al ordenador dedicado para las comunicaciones HART y preguntar vía HART lo que necesite. El instrumento le contestará indicando las alarmas que tenga activadas, el rango o cualquier información de la que disponga. Todo ello sin interferir en la medida ni en el control de la planta.

Nota: La comunicación HART es bidireccional porque puede viajar  del instrumento al PC y del PC al instrumento

Por un lado la señal de corriente analógica nos dará una referencia del valor real medido.

Por ejemplo:

En el controlador que reciba esta señal configuraremos el rango de la señal:

  - Cuando midamos 4mA querrá decir 0ºC  

  - Cuando midamos 20mA querrá decir 50ºC  

    Por regla de tres si medimos 12 mA tendremos 25ºC

1.7. EJEMPLO PRÁCTICOS DE EQUIPOS QUE SE VAN A COMUNICAR EN UNA PLANTA INDUSTRIAL

1.7.1. Entrada digital de un instrumento DI (Digital input)

1.7.2. Entrada analógica de un instrumento AI (Analog input)

1.7.3. Salida digital orden de marcha/paro de un motor DO (Digital output)

1.7.4. Salida analógica posicionamiento de la válvula de control AO (Analog output)

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Si tiene algo que corregir o añadir agradecería que me mandara sus comentarios a:

InstrumentacionHoy@gmail.com

Julio César Fernández Losa 31/12/2014