1COMUNICACIONES INDUSTRIALES

Introduccin

Redes de comunicaciones industriales.

ClasificacinRedes de datos:

Redes de empresa.Redes de fbrica y clula.

Redes de control:

Redes de controladoresRedes de sensores-actuadores.

Familias de redes industriales.Red AS-i de sensores-actuadores

2Introduccin.

Se pueden definir las Comunicaciones Industriales como: rea de la tecnologa queestudia la transmisin de informacin entre circuitos y sistemas electrnicosutilizados para llevar a cabo tareas de control y gestin del ciclo de vida de losproductos industriales

Deben resolver la problemtica de la transferencia de informacin entre losequipos de control del mismo nivel y entre los correspondientes a los nivelescontiguos de la pirmide CIM.

En la dcada de1980, las comunicaciones industriales comenzarona realizarsemediante comunicaciones digitales punto a punto para, posteriormente, evolucionarhacia la aplicacin de redes multipunto.

Modelo OSI desarrollado por la ISO para la conexin de sistemas informticos abiertos

3Sistema de fabricacin flexible:Conjunto de mquinas e instalaciones, enlazadas entre s mediante sistemasde transporte y control, que es capaz de producir una variedad de productosdentro de una gama.

Sistema de Fabricacin Flexible

4Parmetros

Nivel Tipo deSistemaElectrnico de

Control

Tiempo derespuesta

Relacin (%) detareasGestin/Control

Operatividadexigible (%)

4 Computador deplanta

De das a segundos 95-100/0-5 > 10

3 Controlador derea

De minutos a segundos 90-95/5-10 < 10

2 Controlador declula

De segundosa milisegundos 80-90/10-20 80-90

1 Controlador deproceso

De milisegundos amicrosegundos 5-10/90-95 90-95

Comunicaciones industriales. Necesidad: La automatizacin integrada de la produccin se realiza mediante un

conjunto de dispositivos y sistemas de control y gestin de proceso asociadosa diferentes niveles y que han de estar intercomunicados.

En los niveles superiores de la pirmide CIM se trabaja frecuentemente congrandes volmenes de datos, aunque el tiempo de respuesta no es en generalcrtico y se sita entre pocos segundos hasta minutos o incluso horas.

Por el contrario, los sistemas electrnicos de control utilizados en los nivelesinferiores de las fases de produccin trabajan en tiempo real y debido a ello se lesexigen tiempos de transmisin mucho ms rpidos y, sobre todo, uncomportamiento determinista de las comunicaciones, aunque los volmenes deinformacin a transmitir son, en general, menos elevados.

Las diferentes caractersticas (por ejemplo, tiempos de respuesta) exigidas alsistema de comunicaciones de cada uno de los niveles hacen que sea diferente eltipo de red de comunicaciones necesaria para implementarlo.

5REDES DE DATOS U OFIMATICAS

Se consideran redes de datos las dedicadas al establecimiento de lascomunicaciones entre los equipos informticos que conforman los niveles deempresa, fbrica, rea y, en ocasiones, de clula de la pirmide CIM.

Se clasifican por lo tanto en:Redes de empresa y fbrica

Redes de clula

REDES DE EMPRESA Y FBRICA

En este nivel se ejecutan, entre otras, las siguientes aplicaciones informticas:

Programas ERP (Enterprise Resource Planning)Programas MES (Manufacturing Execution Systems)Programas CAD/CAM/CAE (Computer Aided Design/ Manufacturing / Engineering)Herramientas de aplicacin general que permiten el trabajo en grupo (Groupware)del personal de todas las reas de la empresa

Cuando los sistemas enlazados estn situados en la misma planta oemplazamientos prximos, o sea en redes de rea local (LAN, Local AreaNetworks), la red ms utilizada es Ethernet TCP/IP (Ethernet fue diseado porBob Metcalf en PARC Xerox -1972/3). Se estima que actualmente lo utiliza msdel 80% de las comunicaciones en este sector.

6Para comunicar entre s las distintas sedes de una empresa se utilizan redes derea metropolitana (MAN, Metropolitan Area Networks) y extensa (WAN, WideArea Networks); un ejemplo de ellas es la red mundial conocida como Internet.

REDES DE CLULA

Las redes de empresa no han sido diseadas, al menos inicialmente, parasatisfacer determinados requisitos que son propios del ambiente industrial, entrelos que destacan:

Funcionamiento en ambientes hostiles (perturbacionesFEM, temperaturas extremas, polvo y suciedad, )

Gran seguridad en el intercambio de datos en un intervalo cuyo lmitesuperior se fija con exactitud (determinismo) para poder trabajarcorrectamente en tiempo real.

Elevada fiabilidad y disponibilidad de las redes de comunicacin, mediantela utilizacin de dispositivos electrnicos, medios fsicos redundantes y/oprotocolos de comunicacin que dispongan de mecanismos avanzadospara deteccin y correccin de errores

7Por ello, en las dos ltimas dcadas del siglo XX se acrecent el inters pordesarrollar redes de comunicacin especficamente diseadas para entornosindustriales y que diesen soporte a la intercomunicacin entre las operacionesdel nivel de fbrica y las del nivel de empresa.

Fue GM la que, a mediados de los 80, desarroll la red MAP (ManufacturingAutomation Protocol). Posteriormente, en 1986 surge en el seno de la empresaBOEING la red TOP (Technical and Office Protocol).

De la unin de ambos surgi el proyecto de red MAP/TOP, que contemplaba lacapacidad de intercomunicacin de los sistemas de control (MAP) con los deoficina de (TOP).

El protocolo ms importante de la capa de aplicacin de una red MAP (oderivadas de ella) es el conocido como MMS (Manufacturing MessageSpecification). Fue diseado para facilitar la monitorizacin y gestin de sistemasde control de procesos de fabricacin (CNCs, robots, PLCs, ).

A pesar de sus caractersticas, la red MAP casi no se utiliza actualmente por:

Cubre adecuadamente los requisitos solicitados, pero la robustez de susprotocolos proporciona, en la prctica, tiempos de respuesta en lacomunicacin relativamente elevados para los exigidos en el nivel deplanta o fbrica.

Su especificacin es tan vaga en algunos aspectos que se ha hecho muycomplejo y difcil el desarrollo de interfaces, con lo que ello implica encostes comerciales.

En la actualidad, constituye una lnea de I+D+i de gran auge la adaptacin yredefinicin de las tecnologas que son normas de facto en las redes de datospara poder utilizarlas en el mbito del control de procesos. Surgen las conocidascomo redes Industrial Ethernet, cuya capa de enlace est basada en la tcnicaEthernet y cuyos protocolos bsicos de comunicacin se fundamentan enTCP/IP.

A grandes rasgos, estas redes tratan de redisear (en mayor o menor medida) elhardware y el software asociado a las capas inferiores de Ethernet para poderaplicarlo en los ambientes ms hostiles de los niveles de planta (redundancia,redefinicin de protocolos, mayores niveles de CEM, temperatura, humedad,vibraciones, )

En lo que respecta a los protocolos de la capa de aplicacin que se debe utilizar en

8las redes Industrial Ethernet en combinacin con los protocolos de las capasinferiores, no existe actualmente una solucin nica normalizada y estn propuestasdiferentes soluciones como:

Modbus TCP

EtherNet/IPPROFINetEtherCatPowerlinkFF HSE

http://ethernet.industrial-networking.com/ethernet/intro.asp

Tambin est en estudio la modificacin de la norma Ethernet a fin de reservarun cierto ancho de banda para las necesidades de comunicacin determinista de

9la planta (una de las propuestas, relacionada con PROFINet, denomina a estasolucin con el calificativo de Iscrona, IRT).

REDES DE CONTROLSuelen recibir el nombre genrico de buses de campo (Fieldbuses). Las redes decontrol resuelven los problemas de comunicacin en los niveles inferiores de lapirmide CIM. Se utilizan, por tanto, para comunicar entre ellos sistemas decontrol industrial y/o con dispositivos de campo.

Se clasifican en: Redes de controladores Redes de sensores-actuadores

Histricamente, el desarrollo de esta clasede redes (que se produjo en la dcada de los 80) fue debido a la elevacin de lacomplejidad en la automatizacin de los sistemas industriales, que increment

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desmesuradamente el volumen de cableado que era preciso realizar paraconectar a los equipos de control un elevado nmero de dispositivos sensores yactuadotes mediante hilos independientes.

Para resolver el problema, surgi la idea de conectar cada grupo dedispositivos de campo a un procesador de comunicaciones y stos, a su vez ymediante otro procesador de comunicaciones, al sistema de control. Surgen aslas redes de sensores-actuadores.

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Modelo OSI simplificado utilizado en la mayora de las redes de control

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REDES DE CONTROLADORES

Este tipo de redes de control estn diseadas para realizar la comunicacin devarios sistemas electrnicos de control (PLCs, CNCs, robots, ) entre s.

Son, por lo general, redes de rea local de tipo principal-subordinado (master-slave) o productor-consumidor (producer-consumer) que poseen varios nodosprincipales (Multimaster Networks).

Los servicios de comunicacin que proporcionan permiten no slo el intercambioestructurado de informacin sino tambin llevar a cabo las tareas de diagnstico,programacin, carga, descarga y ejecucin y depuracin de los programasejecutados en ellos.

MODELO MASTER SLAVE

MODELO PRODUCE-CONSUME

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REDES DE SENSORES ACTUADORES

En este grupo se encuentran las redes de campo diseados con el objetivoespecfico de intercomunicar los sistemas electrnicos de control con losdispositivos de campo conectados al proceso.

Funcionan en aplicaciones de tiempo real estricto en una pequea zona de laplanta (tpicamente una mquina o clula). Los fabricantes suelendenominarlas redes de periferia distribuida (distributed periphery).

Han sido numerosos los fabricantes que han desarrollado este tipo de redes,que se diferencian en aspectos como:

La posibilidad de disponer de uno o ms nodos principales (master) en la red.La comunicacin de datos de sensores y actuadores todo/nada (on/off) oanalgicos.

La capacidad de diagnosis y/o parametrizacin de los sensores y actuadores.

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REDES DE SENSORES-ACTUADORES DE CAPACIDAD LIMITADA

Las redes de sensores-actuadores de capacidad funcional limitada han sidodiseadas para integrar principalmente dispositivos todo-nada (fin de carrera,fotoclula, rel, ).

Se caracterizan por tener, en general, un nico nodo principal.Como ejemplo de este tipo de redes se puede citar la red AS-i (ActuatorSensor Interface)

REDES DE SENSORES-ACTUADORES DE ELEVADA CAPACIDAD

Las redes de sensores-actuadores de elevada capacidad funcionaldisponen de una capa de enlace adecuada para el envo eficiente debloques de datos de mayor tamao que en el caso anterior.

Estos mensajes ms complejos permiten que, mediante ellas, sepuedan configurar, calibrar e incluso programar dispositivos de campo(Field Devices) ms inteligentes que los todo/nada (codificadoresabsolutos, sensores de temperatura, presin o caudal, variadores develocidad, servovlvulas, etc.).

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FAMILIAS DE REDES INDUSTRIALES.

Una familia de redes industriales es un conjunto de redes de datos y de control quecomparten alguna/s de la/s capa/s del modelo OSI.

Su objetivo es utilizar una base comn y, a partir de ella, implementar un conjuntode funcionalidades que satisfagan los requisitos propios de cada nivel CIM.

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Red AS-i de sensor es-actuadores.

1. Introduccin2. Caractersticas generales3. Capa Fsica de AS-i4. Capa de Enlace de AS-i5. Capa de Aplicacin AS-i6. Componentes funcionales7. Implant. de una red AS-i8. Ejemplo de aplicacin

1.Introduccin

Red o bus de campo AS-i:

AS-i: Actuator-Sensor Interface (EN50295). Su diseo fue realizadooriginariamente por 11 fabricantes de sensores,actuadores y sistemas decontrol.

Permite la interconexin, mediante un nico canal de comunicacin, de unsistema de control (Autmata Programable, Control Numrico, ComputadorIndustrial, Robot, etc.) y un mximo* de 31 nodos que constituyenprocesadoresde comunicaciones, a cada uno de los cuales se pueden conectar, comomximo*, 4 sensores y 4 actuadores todo/nada.

*En su versin inicial (1.0). En la versin 2.1: 62 nodos y 4E/3S

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2.Caractersticas generales

Requisitos industriales de la red AS-i:

Mximo nivel de descentralizacin: el objetivo es reducir al mnimo el cableadoexistente entre el nodo subordinado y el sensor, llegando a fusionarlos en unnico componente.

Mxima flexibilidad en la topologa: debe permitir cualquier tipo deconfiguracin topolgica para simplificar al mximo su tendido en mquinas,facilitar la reconfiguracin del sistema, etc.

Simplicidad en la instalacin y puesta en marcha: debe disponer de unsistema de conexionado rpido y fiable tcnicas deconfiguracin sencilla de lared, etc.

Normalizacin elctrica y mecnica: de este modo se garantiza al mximo lamodularidad e intercambiabilidad de los componentes.En todo caso, uno de los objetivos es que sea una red de bajo coste, pero sinperder por ello caractersticas industriales.

Cable de conexin AS-i:

Aunque puede utilizarse cable redondo convencional de dos hilos sin trenzar niapantallar, la norma AS-i define y recomienda el empleo de un cable plano decolor amarillo con gua de posicionamiento (DIN VDE 0295, clase 6) y un perfilespecial que impide la inversin de polaridad en la conexin.

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Por este cable circulan tanto las seales que soportan el intercambio deinformacin como la corriente continua de 30V que se puede utilizar paraalimentar a dispositivos de campo de bajo consumo presentes en el sistema(hasta 8A).

Se han desarrollado variantes del cable plano que permiten aprovechar estatecnologa de conexionado para otros fines:

Mtodo de conexin AS-i:

El mtodo definido por la norma consiste en la perforacin del aislamiento delcable plano AS-i por medio de unas cuchillas que penetran en la cubierta degoma y establecen contacto con los dos hilos (mtodo Vampiro ).

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3.CAPA FSICA DE AS-i

Esta tcnica de modulacin, junto con: las caractersticas elctricas del cablede comunicacin las topologas de red soportadas la distancia mxima detransmisinhacen que la duracin de cada bit pueda ser, a lo sumo, (con losrequisitos exigidos) de 6 microsegundos.

Por todo ello, la velocidad de transmisin de informacin en la red de campoAS-i se ha normalizado en 167 Kbits/segundo.

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4. Capa de Enlace de la red AS-i

Control de acceso al medio:

La red AS-i sigue el esquema de comunicacin principal/subordinado(master/slave).

En cada red AS-i existe un nico procesador principal (AS-i master) quese comunica con los procesadores o nodos subordinados (AS-i slaves)presentes en la red.

El procesador principal consulta, de forma cclica y por turno (cyclicalpolling), a todos los nodos subordinados. En cada ciclo, el procesadorrecibe informacin sobre el estado de los sensores y actualiza lainformacin de losactuadores conectados a cada nodo subordinado.

Para ello se produce un intercambio de mensajes, entre el procesadorprincipal y los subordinados.

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Control lgico:

La subcapa de control lgico establece:

La forma de identificar funcionalmente y direccionar losprocesadores de comunicacin subordinados

La forma de parametrizar los procesadores subordinados.Los modos de funcionamiento (mquina de estados)del propio procesador de comunicaciones principal.

La estructura de los mensajes utilizados para llevar a cabo lasfunciones que controlan el intercambio de informacin.

El formato de las rdenes de protocolo de enlace de la redde comunicaciones AS-i.

Identificacin funcional de los subordinados:

Todos los mdulos subordinados al bus AS-i se definen mediante doscombinaciones binarias de 4 bits que constituyen un perfil AS-i (AS-iprofile). Dichas combinaciones se denominan.

Cdigo de entrada/salida (I/O Code ): especifica el tipo dedispositivos de campo conectables a cada uno de sus terminales deconexin (E, S, E/S y E/S/NU ).

Cdigo de identificacin (ID Code ): define su funcionalidad, esdecir, el tipo de dispositivo de campo para el que ha sidodiseado. Algunos cdigos ya estn normalizados por laasociacin AS-i (arrancador de motor, electrovlvula con sensorde posicin, libre, etc.).

El fabricante de un determinado mdulo AS-i subordinado debe introducir(dentro de su procesador de comunicaciones) el perfil AS-icorrespondiente al tipo de mdulo.

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Adems de su perfil AS-i, cada mdulo subordinado tiene asociada unacombinacin binaria de 5 bits, que establece su direccin AS-i (Address)dentro de la red.

El fabricante suministra los mdulos con la direccin por defecto (0) y elusuario la cambia por la correspondiente a la direccin que dicho mdulodeba tener en la aplicacin concreta (entre 1 y 31*).

* En su versin inicial (1.0). Hasta 62 en la versin 2.1

Parametrizacin de los subordinados:

En la norma AS-i est previsto que se puedan establecer diferentes modosde operacin de los dispositivos de campo conectados a la red. Para ello, elprocesador de comunicaciones principal puede enviar una combinacinbinaria de 4 bits a cada subordinado, que se denomina:

Parmetro (Parameter): variable que sirve para modificar lascaractersticas de funcionamiento de un sensor o actuador.

Ejemplo: Sensor AS-i e distancia basado en ultrasonidos. Variacin delrango de medida en funcin del parmetro AS-i.

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Funcionamiento del procesador Principal:

El procesador de comunicaciones principal (master) lleva a cabo lassiguientes funciones bsicas:

Inicializacin de la redDeteccin e identificacin de los mdulos subordinados conectados ala misma.

Transmisin de los parmetros de configuracin y activacin de lossubordinados.

Intercambio cclico de los datos de Entrada/Salida.Diagnstico o gestin de la red (estado de los procesadoressubordinados, fallo de alimentacin, ...)

Transmisin de los fallos detectados al sistema de control.Asignacin de nuevas direcciones a los subordinados en caso decambio de configuracin (por ejemplo, sustitucin de un mdulo AS-i).

Procesador Principal. Diagrama de bloques:

Para poder realizar estas acciones, el procesador de comunicacionesprincipal (AS-i master) es bsicamente un procesador digitalconectado con el sistema de control a travs de una memoria deacceso aleatorio doble (Dual-Port RAM), con la red AS-i a travs deun interfaz de comunicaciones y, opcionalmente, con el usuario(configuracin).

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Procesador Principal. Modos de funcionamiento:

Cuando el procesador principal se encuentra en modo protegido,posee adems la capacidad de realizar direccionamiento automtico(automatic addressing) de mdulos subordinados.

Esta capacidad consiste en asignarle direccin, de forma transparentepara el usuario, a un nico mdulo subordinado nuevo en la red (con ladireccin 0) que sustituya a otro defectuoso con el que comparteidntica configuracin (I/O Code - ID Code).

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Procesador Principal. Etapas de funcionamiento:

Formato de los mensajes AS-i:

El proceso de comunicacin se lleva a cabo mediante el intercambio deinformacin entre el procesador de comunicaciones principal y cadauno de los subordinados a travs de mensajes con la siguienteestructura:

La unidad de tiempo para el envo de un bit de informacin es de 6us.Por lo tanto, el tiempo dedicado por lo general a una transaccin deinformacin con un mdulo subordinado del sistema es de:

(14 + 4 + 7 + 1) * 6 s = 26 * 6 s = 156us

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rdenes del protocolo de enlace de AS-i:

El procesador de comunicaciones principal de la red AS- i puede enviara los subordinados 9 tipos de rdenes distintas:

1. Intercambio de datos (Data Exchange )

2. Escritura de parmetros (Write Parameter )

3. Asignacin de direccin (Assign Address )

4. Supresin de direccin (Delete Address )

5. Inicializacin (Reset )

6. Lectura de la configuracin de E/S (Read I/O Configuration )

7. Lectura del cdigo de identificacin (Read ID Code )

8. Lectura de estado (Read Status )

9. Lectura y puesta a cero del estado (Read and Reset Status )

5. Capa de Aplicacin de AS-i

Est constituida por un conjunto de tablas de informacin compartidas(a travs de, por ejemplo, una memoria de acceso aleatorio doble DualPort RAM ) entre el sistema de control y el procesador decomunicaciones principal.

De acuerdo con la norma AS-i, se establecen 4 tipos diferentes de tablas:

1.Tablas de datos de usuario (User Data )

2.Tablas de datos de configuracin (Configuration Data )

3.Tablas de datos de conf. permanente(Permanent Config. Data )

4. Tabla de indicadores de estado AS-i (AS-i flags )

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6.Componentes Funcionales de una red AS-i

De forma general, entre los elementos ms significativos que se puede encontraren una red AS-i destacan:

1. Fuente de alimentacin AS-i

2. Mdulos de conexin o acoplamiento

3. Mdulos electrnicos de usuario (o mdulos de E/S)

4. Sensores/actuadores con circuito integrado AS-i

5. Aparatos de diagnstico y direccionamiento AS-i

6. Repetidores AS-i

7. Mdulos principales AS-i

8. Mdulos pasarela AS-i

Fuente de alimentacin AS-i:

La transmisin conjunta de datos y energa hace necesario que la fuentede alimentacin disponga de un circuito de desacoplo que disponga deuna elevada impedancia en la banda de frecuencia utilizada paratransmitir la informacin.

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Mdulos de conexin o acoplamiento:

Son las bases a las que se conectan los mdulos electrnicos de usuario.Su misin es el establecimiento de conexin entre estos ltimos con elcable AS-i amarillo y, opcionalmente, con la alimentacin auxiliar.

Mdulos electrnicos de usuario (o mdulos de E/S):

Contienen los circuitos electrnicos de un procesador decomunicaciones subordinado necesarios para poder conectar sensores yactuadores tradicionales a la red.

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Mdulos de E/S analgicos:

La nueva especificacin 2.1 de AS-i facilita la manipulacin de variablesanalgicas (con hasta 16 bits de resolucin). Es posible el intercambio dehasta 124 datos analgicos.

Deteccin de mdulos analgicos e intercambio de datos realizado deforma automtica por el procesador de comunicaciones principal.

Sensores/actuadores con circuito integrado AS-i:

Se comercializan tambin sensores y actuadores inteligentes que,adems de realizar su funcin esencial, incorporan en su interior elprocesador de comunicaciones subordinado AS-i:

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Aparatos de diagnstico y direccionamiento AS-i:

Equipos especializados en el direccionamiento, puesta en marcha ydiagnstico de una red AS-i.

Repetidores AS-i:

Los repetidores reproducen y amplifican las seales AS-i que circulan, deforma bidireccional, por los segmentos AS-i que interconectan.

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Mdulos principales y pasarelas AS-i:

Cada fabricante comercializa versiones especficas del Procesador deComunicaciones principal (AS-i master) para sus equipos de control(Autmatas Programables, Sistemas de Control Numrico, Robots,Computadores Industriales, etc.).

Las pasarelas o gateways son mdulos principales que incorporanconvertir la red los AS-i circuitos electrnicos adecuados para en unsimple nudo de comunicaciones que realiza el intercambio deinformacin entre la red AS-i y otra red de control o datosjerrquicamente superior. Son ejemplos tpicos de este tipo de solucioneslas pasarelas AS- i/PROFIBUS,AS-i/Interbus, AS-i/Ethernet, etc.

Consideraciones generales:

El sistema objeto de automatizacin debe disponer, preferentemente, desensores y actuadores de tipo binario (todo/nada).

Est especialmente indicada para sistemas en los que la dispersin delos elementos de campo es elevada (es decir, se encuentran distribuidosa lo largo de un espacio relativamente amplio) y su densidad pequea(es decir, se encuentran concentrados en grupos de pequeo volumende E/S).

Un dato significativo que puede condicionar asimismo la aplicacin de lared AS-i es su velocidad de respuesta. Si en el sistema existen sealesque deben ser muestreadas a elevada cadencia (por ejemplo, mayor de 5 10 ms. para seales binarias) puede no ser adecuada.

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Consideraciones en el diseo de una red AS-i:

Determinacin del nmero de E/S existentes en la instalacin. Estudio delas dimensiones y morfologa de la instalacin.

Estudio y seleccin del tipo de mdulos de usuario y/o dispositivos decampo con circuito AS-i integrado que sedesea utilizar en la instalacin.

Estudio y seleccin de las fuentes de alimentacin auxiliar.Definicin, disposicin y conexin de las redes electrotcnicas deseguridad asociadas al sistema.

Estudio de las distancias existentes entre la posicin definida para losnodos subordinados y cada uno de los sensores-actuadores.

Estudio de la normativa interna de automatizacin de la empresa.