INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOSSUPERIORES DE MONTERREY

CAMPUS MONTERREY

PROGRAMA DE GRADUADOS EN MECATRONICA YTECNOLOGÍAS DE LA INFORMACIÓN

"UNA METODOLOGÍA PARA LA SELECCIÓN DETECNOLOGÍA EN REDES INDUSTRIALES"

TESISMAESTRÍA EN ADMINISTRACIÓN

DE LAS TELECOMUNICACIONES

Por

GILBERTO RENE A RANDA DE LA GARZA

MONTERREY, N. L. DICIEMBRE DEL 2007

INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES

DE MONTERREY

CAMPUS MONTERREY

PROGRAMA DE GRADUADOS EN MECATRONICA Y TECNOLOGÍAS

DE LA INFORMACIÓN

"UNA METODOLOGÍA PARA LA SELECCIÓN DE TECNOLOGÍA EN

REDES INDUSTRIALES"

TESIS

MAESTRÍA EN ADMINISTRACIÓN DE LAS

TELECOMUNICACIONES

POR:GILBERTO RENÉ ARANDA DE LA GARZA

Monterrey, N.L., Diciembre de 2007

Dedicatoria

A MIS PADRES ...

Por el gran apoyo, amor y comprensión que me han brindado, su ejemplo y consejos

de vida me permiten hoy llegar a una meta. Gracias por la confianza que han

depositado en mi desde que inicie con mis estudios de maestría. Este éxito es

también suyo.

I

Agradecimientos

A MI ASESOR...

Por todo su apoyo como asesor en la realización de esta tesis, por compartir

conmigo sus conocimientos y experiencia y por sugerirme en elegir un tema de tesis

que me interesara al cien por ciento. Muchas gracias

A MIS SINODALES ...

Por la atención brindada y por aceptar formar parte de esta comité. Por sus valiosos

consejos durante lo largo de la maestría y que permitieron enriquecer mi

conocimiento.

A MIS AMIGOS ...

Por todos los momentos de alegría, por las desveladas, por ser amigos ydemostrarlo, porque sin duda, sin ustedes mi etapa de vida universitaria hubiera sidomás difícil de cursar y terminar.

II

Tabla de ContenidoDedicatoria I

Agradecimientos II

Tabla de Contenido III

Lista de Figuras V

Capitulo 1. Introducción 1

1.1 Justificación de la Tesis 4

1.2 Objetivo 5

1.2.1 Recopilación de información y Comparación de los Buses de Campo 5

1.2.2 Definición de las consideraciones para la automatización de procesos 5

1.2.3 Desarrollo de la Metodología 5

1.2.4 Comprobación del funcionamiento de la Metodología 6

Capitulo 2 6

Antecedentes y Estado del Arte 6

2.1 Topologías de Red y su Confiabilidad 6

2.1.1 Estrella 7

2.1.2 Estrella Extendida 8

2.1.3 Árbol 9

2.1.4 Bus 10

2.1.5 Anillo 10

2.1.6 Mesh 11

2.1.7 Irregular 12

2.2 Estándares para conexión física 12

2.2.1 RS232, RS422, RS458 12

2.2.2 Coaxial 13

2.2.3 Ethernet (IEEE 802.3 twisted pair) 13

2.2.4 Fibra óptica de vidrio/plástica 14

2.2.5 Inalámbrico con/sin LOS (Line of sight) 14

2.3 Tipos de Acceso al Medio 14

2.3.1 CSMA-CD 14

2.3.2 CSMA-CA 14

2.3.3 CDMA 15

2.3.4 TokenRing 15

2.3.5 TDMA 15

2.3.6 Polling 16

2.3.7 FDMA 16

2.3.8 Resumen de tipos de acceso al medio 17

III

2.4 Descripción de Protocolos y Estándares de interconexión en Redes Industriales en la Actualidad.. 18

2.4.1 Bitbus 18

2.4.2 Lonworks 18

2.4.3 WorldFIP 18

2.4.4 Profibus 19

2.4.5 CAN 19

2.4.6 SERCOS 20

2.4.7 MACRO 20

2.4.8 Ethernet 20

2.4.9 Comunicaciones inalámbricas digitales 21

2.4.10 Resumen de protocolos y estándares 22

2.5 Ejemplo de redes implementadas con Profibus 23

Capitulo 3. Modelo Particular 25

Capitulo 4. Estudio de Campo y Validación del Modelo 30

4.1 Encuesta 30

4.2 Entrevista 31

4.3 Resultados del Estudio de Campo 31

4.4 Caso Real de Proyecto de Automatización 38

4.4.1 Casol 38

4.4.2 Caso 2 39

4.5 Comparación de la solución a los casos y la metodología 40

Capitulo 5. Conclusiones y Trabajos Futuros 43

Anexo A IV

Anexo B VII

Glosario de Términos, Abreviaturas y Acrónimos VIII

Referencias IX

IV

Lista de FigurasFigura 2-1 Topología Estrella 7

Figura 2-2 Topología Estrella Extendida 8

Figura 2-3 Topología Árbol 9

Figura 2-4 Topología Bus 10

Figura 2-5 Topología Anillo 10

Figura 2-6 Topología Mesh 11

Figura 2-7 Topología Irregular 12

Figura 2-8 Estructura de acceso al medio TDMA 16

Figura 2-9 Árbol de protocolos por clasificación de acceso al medio 17

Figura 2-10 Una típica red Profibus con un master y diez nodos esclavos interconectados 23

Figura 2-11 Buses de Campo Inalámbricos a) Con link directo b) Con estaciones base 23

Figura 2-12 Ejemplo de una red Profibus híbrida 24

Figura 3-1 Modelo Particular 30

Figura 4-1 Porcentaje de proyectos que necesitan una selección de bus de campo 32

Figura 4-2 Porcentajes de utilización de cada bus de campo 33

Figura 4-3 Porcentaje por el cual utilizan algún tipo de tecnología 34

Figura 4-4 Porcentaje de ingenieros que utilizan algún método de selección de bus 35

Figura 4-5 Porcentaje de ingenieros que han utilizado tecnología inalámbrica en proyectos 36

Figura 4-6 Porcentaje de ingenieros que han mezclado una red industrial con una de datos 36

Figura 4-7 Prioridad de factores considerados en la Metodología 37

Figura 4-8 Porcentaje en que consideran los factores en sus proyectos 37

V

Capitulo 1.

IntroducciónEn estos últimos años la creación de nueva tecnología se ha dado a pasos muy acelerados

por ella la necesidad de una metodología para seleccionarla es necesaria en todas las diferentes

disciplinas. En el presente trabajo se desarrolla una metodología para seleccionar tecnología que

involucra las disciplinas de telecomunicaciones, automatización y electrónica.

Las soluciones para automatización industrial emplean redes distribuidas en las cuales se

utilizan protocolos industriales de comunicación. Estas tecnologías, son llamadas buses de campo (o

redes industriales) y permiten una verdadera distribución del procesamiento sobre la red teniendo

influencia positiva en aspectos como la confiabilidad, mantenimiento y escalabilidad del sistema de

control (Hüsemann et al, 2003).

De acuerdo a la definición de IEC e ISA un bus de campo es un bus para comunicacionesdigitales de forma serial con multitomas de control industrial a bajo nivel y dispositivos deinstrumentación como transductores, sensores, actuadores, maquinas CNC y PLCs. Antes de laaparición de los buses de campo la conexión entre estas unidades eran conexiones punto a punto,esto significaba mucha complejidad por la utilización de demasiados cables y muy costosas por eltiempo y dinero de instalación y mantenimiento. (Marino, 2003).

Felser (2005), comenta que la estandarización internacional de buses de campo siempre hasido una actividad muy complicada de llevar a cabo. No obstante después de un tiempo por 1985 sedio un desarrollo muy entusiasta. Se empezó a mostrar la búsqueda de un bus de campo que fuerainternacionalmente aceptado. Gradualmente fueron llegando enredados por políticas de compañías eintereses de mercado.

Las arquitecturas de automatización deben proveer a los usuarios de tres servicios primarios(Brooks, 2001):

• El primero, es el más importante que es el servicio de control que envuelve el

intercambio de información en tiempo crítico entre los dispositivos de control como

PLCs y dispositivos de entrada/salida como controladores de diferentes velocidades,

sensores y actuadores.

• El segundo, deben proveer al usuario un sistema para configuración, esto significa

configuración de la misma red y configuración de los dispositivos conectados a la

misma. Redes que son designadas para realizar la transmisión de esta información

deben proveer de algún nivel de configuración prioridades.

• Tercero, mantener un historial para poder medir cuando se tiene un mejor desempeño

de los procesos.

Las aplicaciones de control, como la manufactura y otros procesos, constituyen una claseimportante de aplicaciones en tiempo real. Estas aplicaciones están en constante interacción conprocesos físicos a través de dispositivos del bus (ej. Sensores, actuadores PLCs). Su mayor actividades leer valores (de los sensores), calcular los nuevos comandos (los PLCs) y regresar los nuevoscomandos (a los actuadores). En general estos tres pasos son llamados de forma cíclica de maneraperiódica, o de manera reactiva, porque la aplicación debe reaccionar a cambios espontáneos(eventos físicos) en el ambiente (Ruiz et al, 1999). Sin embargo, la distribución del procesamiento ensistemas o procesos más complejos debe ser más extensa y esto mismo hace que las redes agreguenretrasos en la comunicación, dentro de los lazos de control y los diseñadores han tenido queconsiderar cautelosamente la influencia de estos retrasos en el comportamiento del sistema deautomatización a implementar (Hüsemann et al, 2003).

En el transcurso de las últimas dos décadas muchos protocolos y estándares para buses decampo han sido desarrollados y satisfactoriamente impiementados para las necesidades decomunicaciones en tiempo real de las capas bajas en los procesos de control industriales. Sinembargo la expansión de cantidad de datos sobre la intranet de la planta y la creación de estasmismas comunicaciones requieres de alto anchos de banda y de gran cantidad de datos entre lascapas bajas y las capas intermedias de la red. (Chen, 2002)

Las redes industriales operan a bajos costos, y la mayoría en cables de par trenzado ocoaxial. Ahora también se está considerando la fibra óptica para tenerla como medio de transmisiónen estos enlaces, aunque hay algunas tecnologías que iniciaron al revés, con fibra óptica y luegoagregaron el uso de cobre a sus estándares (Cucej et al. 2004). Esto es para que en un mismo cablese pueda alimentar el equipo con energía eléctrica e implementar el enlace para información.

Hay un gran interés en la utilización de tecnología Ethernet ya que es barata y simple parasistemas de control en redes industriales. Sin embargo, la falta de servicios en tiempo real haprevenido este cambio de tecnología de red. En orden para realizar comunicación en tiempo realsobre Ethernet para aplicaciones industriales, debe ser posible limitar el tiempo de acceso al mediodentro de un tiempo aceptable. La preocupación de implementar las tecnologías LAN (Local ÁreaNetwork) en procesos industriales es el throughput de la información ya que en las redes industrialesexiste la confiabilidad, los tiempos de respuesta fijos y la predecibilidad (Cucej et al. 2004). Sin

embargo con los grandes saltos en la velocidad y de los nuevos servicios que existen en capas

superiores como QoS, asignación de prioridades (por protocolo o dirección IP), e inclusive la creación

de VLANs se puede lograr una mejora en la calidad típica de la transmisión para estas actividades que

demandan, baja latencia, comunicación en tiempo real y algunas gran ancho de banda constante (por

ser procesos cíclicos).

Por otro lado utilizar las nuevas tecnologías de red como las comunicaciones de radio digital o

las redes locales inalámbricas para interconectar estos dispositivos seria una opción muy interesante

por la versatilidad de no tener un alambre físicamente conectado. Koulamas et al (2001) comenta que

estas tecnologías ya han demostrado por su evolución reciente y su rápida penetración y adopción al

mercado por los usuarios en ambientes de oficina y casa.

No obstante la mas crítica diferencia entre un ambiente industrial y uno de casa/oficina son las

restricciones de tiempo, el desempeño de tiempo real, interferencias con los procesos que se estén

controlando, inclusive aspectos de formalidad (como alianzas con proveedores) o peculiaridades

relacionadas con el mercado (para la reducción de costos) y la duración que se tiene en mente que el

equipo estará funcionando, que son los ciclos de vida de una instalación industrial.

En paralelo con la situación dentro de la industria también esta la evolución de las redeslocales inalámbricas que ya han producido estándares intencionales como productos que trabajan concalidad, respaldados por la demanda del mercado (como la certificación WiFi). Por esto se cree que lapenetración de la tecnología de radio llegue al área de automatización puede ser efectiva al mismotiempo integrando las tecnologías existentes de buses de campo envolviendo las WLAN (Koulamas etal 2001).

La tecnología de buses de campo esta teniendo un gran impacto en el desarrollo de sistemas

de redes industriales mas rápidas, inteligentes y baratas (Hodgkinson, 1998).

1.1 Justificación de la TesisPor lo general una planta industrial tiene varios procesos que controlar y no todas las plantas

son homogéneas, por lo tanto los procesos pueden ser muy diferentes y las necesidades de estos

pueden ser muy específicas o simplemente distintas que las de los demás.

Durante los últimos aflos se ha experimentado un notable aumento del número y complejidad

de los proyectos de automatización requeridos por las distintas empresas. Las causas son entre otras

(Puras et al s.f.):

• Creciente automatización de tareas y funciones.

• Algoritmos adicionales para optimizar procesos.

• Funcionalidad más extensa de los componentes de automatización.

• Crecientes requisitos impuestos a los sistemas de control y alarma.

• Estructuras de automatización más complejas debido a configuraciones descentralizadas

(E/S remotas) y conexión en red.

Al planear la configuración de una instalación, es importante preguntarse cuáles son las

exigencias individuales, los objetivos y la prioridad de los objetivos de la empresa. Los procesos de

montaje requieren con frecuencia una elevada flexibilidad del sistema debido a (Puras et al s.f.):

• Cambios de equipo frecuentes

• Problemas de velocidad según la variante elegida.

• Contenidos de trabajo diferentes en cada puesto o estación.

• Cambio frecuente de los productos.

• Grandes fluctuaciones en el número de piezas.

El determinar los aspectos importantes a considerar en un proceso industrial de control esindispensable para llegar a elegir bien un tipo de topología de red, protocolo de comunicación, accesoal medio y estándar de conectividad físico, (un ejemplo respectivamente seria; topología de bus,Profibus, Token, RS485)

Por esto mismo es importante realizar una investigación profunda de los diferentes buses decampo y protocolos disponibles para la implementación de redes industriales y sus aplicaciones paraproporcionar un control total y eficiente en la producción de la empresa, monitoreando todos susprocesos en forma remota y en tiempo real, satisfaciendo todas las necesidades de la planta sininvertir de más.

1.2 ObjetivoA partir de las características en los procesos de una planta, se verificarán las

consideraciones necesarias para que estos procesos sean bien controlados y supervisados.

Integrando todo este conocimiento se desarrollará una metodología para la selección de tecnología

(topología, protocolos y estándar físico de conexión) para la comunicación entre dispositivos y

controladores (selección de bus de campo).

1.2.1 Recopilación de información y Comparación de los Buses de

Campo

Para poder realizar la metodología para selección de tecnología en Redes Industriales es

necesario recopilar información de todos los estándares actuales de buses de campo, sus

características y limitaciones para definirlos en una tabla de comparación, de esta manera la

selección entre ellos puede ser ejecutada fácilmente. Esta es una acción que debe ser ejecutada

siempre que se vaya a aplicar la metodología para tener la información completa sobre todas las

opciones de buses de campo actuales.

1.2.2 Definición de las consideraciones para la automatización de

procesos

Se pretende investigar cuales son los factores que afectan en:

• La automatización del proceso (tiempos críticos).

• La instalación del equipo (PLCs, sensores, actuadores).

• La selección del equipo.

Al encontrar estos factores van a ser seleccionados los que afectan de forma directa eindirecta la metodología para la selección de tecnología en redes industriales y cambiarán para sertomados en cuenta como consideraciones y con estas se formará la lista de consideraciones quedeben ser tomadas en cuenta para la metodología en cuestión.

1.2.3 Desarrollo de la Metodología

En un principio se definió una metodología de selección de tecnología básica la cual a lo largode la investigación y estudio del estado del arte de los tipos de Redes Industriales se estarácompletando con nuevos conceptos, factores y consideraciones que serán la base para el desarrollode la metodología.

1.2.4 Comprobación del funcionamiento de la Metodología

Para comprobar que la metodología para la selección de tecnología tiene resultados positivos

para las empresas que necesitan la implementación de redes industriales, se realizara un estudio de

campo en el cual se pondrá en práctica la metodología en algún caso de automatización industrial y se

comparará con los métodos típicos que tienen las empresas para seleccionar tecnología de esta

manera se podrán ver la diferencia entre los resultados reales y los resultados aplicando la

metodología.

Capitulo 2.

Antecedentes y Estado del ArtePara iniciar la investigación es necesario armar un marco de referencia a continuación se

detallaran los temas de antecedentes que son:

• Topologías de Red y su confiabilidad

• Estándares de conexión física

• Tipos de acceso al medio

De ahí en adelante se muestra el estado del arte de las tecnologías existentes para la

formación de redes industriales, explicado con los temas de:

• Descripción de Protocolos y Estándares de interconexión en Redes Industriales en la

Actualidad

• Redes implementadas para Profibus

Con esto se pretende formar un marco de referencia sólido para poder desarrollar una

metodología completa sobre la selección de tecnología en el diseño de redes industriales.

2.1 Topologías de Red y su ConfiabilidadPara diseñar un sistema de comunicaciones se debe tener en mente una topología para la

red, las opciones que uno puede tomar dependen de los tipos de dispositivos que se conectaran a lared, el tipo de servicios que funcionarán a través de la red, la cantidad de dispositivos que estaránconectados, etc. Cada tipo de topología de red lleva embebido en el mismo su confiabilidad, laconfiabilidad de la red se puede definir también como la probabilidad en que la red realizará su funciónprevista (de interconexión) sin incidentes por un período de tiempo especificado y bajo condicionesindicadas.

1.2.4 Comprobación del funcionamiento de la Metodología

Para comprobar que la metodología para la selección de tecnología tiene resultados positivos

para las empresas que necesitan la implementación de redes industriales, se realizara un estudio de

campo en el cual se pondrá en práctica la metodología en algún caso de automatización industrial y se

comparará con los métodos típicos que tienen las empresas para seleccionar tecnología de esta

manera se podrán ver la diferencia entre los resultados reales y los resultados aplicando la

metodología.

Capitulo 2.

Antecedentes y Estado del ArtePara iniciar la investigación es necesario armar un marco de referencia a continuación se

detallaran los temas de antecedentes que son:

• Topologías de Red y su confiabilidad

• Estándares de conexión física

• Tipos de acceso al medio

De ahí en adelante se muestra el estado del arte de las tecnologías existentes para la

formación de redes industriales, explicado con los temas de:

• Descripción de Protocolos y Estándares de interconexión en Redes Industriales en la

Actualidad

• Redes implementadas para Profibus

Con esto se pretende formar un marco de referencia sólido para poder desarrollar una

metodología completa sobre la selección de tecnología en el diseño de redes industriales.

2.1 Topologías de Red y su ConfiabilidadPara diseñar un sistema de comunicaciones se debe tener en mente una topología para la

red, las opciones que uno puede tomar dependen de los tipos de dispositivos que se conectaran a lared, el tipo de servicios que funcionarán a través de la red, la cantidad de dispositivos que estaránconectados, etc. Cada tipo de topología de red lleva embebido en el mismo su confiabilidad, laconfiabilidad de la red se puede definir también como la probabilidad en que la red realizará su funciónprevista (de interconexión) sin incidentes por un período de tiempo especificado y bajo condicionesindicadas.

A continuación se describen los tipos de topologías de red junto con sus confiabilidades

específicas.

2.1.1 Estrella

Figura 2-1 Topología Estrella

En esta topología se tiene considerado un dispositivo que administra todas las conexiones(concentrador), toda la información pasa a través de el y conmuta o redirige la información al destinoque debe llegar, todos los demás dispositivos conectados a la red deben estar conectados a el por serel centro de la estrella. En la Figura 2-1 se muestra esta topología. La confiabilidad que envuelve latopología estrella depende de dos cosas, el porcentaje de falla en el nodo concentrador y el porcentajede falla por enlace. Esto se puede expresar como:

= (l-F\\-P)n 2.1

Confiabilidad en una Topología Estrella

En donde:

F = Probabilidad que falle el nodo concentrador

P = Probabilidad que falle un enlace

n = número de enlaces

W = Probabilidad que funcione la topología (Confiabilidad)

7

2.1.2 Estrella Extendida

Figura 2-2 Topología Estrella Extendida

Al igual que la topología anterior solo que en esta, algunos dispositivos conectados al centrode la estrella pueden ser nuevos centros de estrella formando un tipo de subred física, esto tambiénsirve para administrar el flujo y la carga información a través de la red. La confiabilidad que comprendela topología estrella extendida depende de dos cosas, el porcentaje de falla en los nodosconcentradores y el porcentaje de falla por enlace. Esto se puede expresar como:

= (\- Ff (l - Pf 2.2

Confiabilidad en una Topología Estrella extendida

En donde:

F = Probabilidad que falle un nodo concentrador (si tienen la misma probabilidad de fallo)

m = número de nodos concentradores (nodo con más de 1 enlace)

P = Probabilidad que falle un enlace

n = número total de enlaces

W = Probabilidad que funcione la topología (Confiabilidad)

2.1.3 Árbol

Figura 2-3 Topología Árbol

Así como su nombre lo menciona, el inicio de esta red es la troncal de un árbol y de ese

dispositivo se conectan las ramas y de las ramas van saliendo mas dispositivos y consecuentemente,

el limite de ramas depende de la capacidad de los dispositivos concentradores en la red. La

confiabilidad en este tipo de redes igual que en la estrella extendida, depende de los nodos

concentradores y los enlaces, la siguiente ecuación expresa la confiabilidad de esta topología.

W = (\- Ff (1 - P)H 2.3

Confiabilidad en una Topología Árbol •

En donde:F = Probabilidad que falle un nodo concentrador (si tienen la misma probabilidad de fallo)

m = número de nodos concentradores (nodo con más de 1 enlace)P = Probabilidad que falle un enlacen = número de enlaces

W = Probabilidad que funcione la topología (Confiabilidad)

2.1.4 Bus

TTTTTTTTTTTT

Figura 2-4 Topología Bus

En esta topología, todos utilizan el mismo medio y canal para transmitir la información, por logeneral las tecnologías de bus tienen algún mecanismo de Maestros- Esclavos o métodos de accesoal medio como CSMA con Colisión Avoidance (evite de colisión) o Colisión Detection (detección decolisión), TDMA, Token, Polling etc. (detallados mas adelante en la sección 2.3) para el prevenir otener la noción de errores en la red teniendo reglas de cómo se realiza la comunicación a través delbus (acceso al medio). La expresión de confiabilidad de esta topología es muy sencilla, solo consta dela falla en el bus cuando el acceso al medio no es controlado por uno o múltiples maestros, en esecaso es necesario considerar también la falla en el maestro. La siguiente ecuación expresa laconfiabilidad de la topología bus.

2.4

Confiabilidad en Topología Bus con Maestro

En donde:

M = Probabilidad que falle el maestro

P = Probabilidad que falle el bus

W = Probabilidad que funcione la topología (Confiabilidad)

2.1.5 Anillo

Figura 2-5 Topología Anillo

10

Esta topología nació para que la ínter conectividad entre equipos no se perdiera si uno de los

dispositivos dejaba de funcionar se podría decir que existe redundancia natural en una topología de

anillo ya que solo podría haber perdidas de información sin encontrar al destino si dos dispositivos

fallaran. La confiabilidad del anillo considerando las fallas en nodos y enlaces queda expresada en la

siguiente ecuación.

~ " W ~<k"~1 2.5

Confiabilidad en una Topología Anillo

En donde:

F = Probabilidad que falle un nodo concentrador (si tienen la misma probabilidad de fallo)

m = número de nodos concentradores

P = Probabilidad que falle un enlacen = número de enlaces

W = Probabilidad que funcione la topología (Confiabilidad)

2.1.6 Mesh

Figura 2-6 Topología Mesh

La instalación y mantenimiento de una red de este tipo es muy costosa (a menos de que losenlaces sean hechos de forma inalámbrica), ya que todos los dispositivos deben de estar conectadosentre todos le da una ventaja ya que disminuye la latencia de la red porque el enlace es directo,también se tiene toda la velocidad disponible en un canal por lo mismo de la conexión directa y alagregar un dispositivo nuevo se tiene que realizar el proceso largo de instalación en el cableado, sieste tipo de red es inalámbrico y se tiene canales de transferencia diferentes para cada enlace tienegrandes ventajas esta topología. La confiabilidad en este tipo de red mesh depende de las unionesque existan entre los nodos, ya que es posible que no todos estén conectados entre si y esto hacecambiar la confiabilidad de la red.

11

2.1.7 Irregular

Figura 2-7 Topología Irregular

Por lo general las redes de área amplia tienen topologías irregulares, estas constan de una

combinación de topologías ya mencionadas (Venegas 2004). La confiabilidad en una topología

irregular también de pende de la forma en que se conectan todos los nodos entre si, por lo tanto varia

de un diseño irregular a otro.

2.2 Estándares para conexión físicaLos estándares de conexión física son las especificaciones que deben de seguir el hardware

de comunicación para poder entablar una comunicación con otro del mismo tipo, las especificacionesson las siguientes, como los niveles de voltaje, tiempos y tipos de señalización, sincronización, tasa detransferencia, medio de transmisión, distancia máxima de transmisión entre otras. Introducción*

2.2.1 RS232, RS422, RS458

La IEA introdujo estos estándares que definen las características eléctricas de una red decomunicaciones. La siguiente tabla es un sumario de los diferentes enlaces físicos ofrecidos por estostres estándares.

Tabla 0-1 Sumario de Estándares RS232, RS422 RS485

Estándar IEAModo de TransmisiónConectores Eléctricos

Numero de manejadores y receptores

Tasa de transferencia máximaLongitud máxima del cable

El estándar RS232C permite la conexión de un solo instrumento a la computadora o un PLC oa dispositivos similares, con la limitante de que el cable de conexión debe medir menos de 15 metros.

RS232CSencillo3 cables

1 manejador

1 receptor

20 [kbits/s]15 [m]

RS422Diferencial5 cables

1 manejador

10 receptores

10[Mbits/s]12000 [m]

RS485Diferencial3 cables

32 manejadores

32 receptores

10[Mbits/s]1200 [m]

12

El estándar RS485 permite que uno o mas instrumentos sean conectados (multitomas)

usando una conexión de dos cables (y el común, que se conecta cuando hay ambientes con ruido e

interferencia) con una longitud menor a las 1200 metros. 31 instrumentos y un maestro o manejador

pueden ser conectados de esta manera. Gracias a la comunicación diferencial la señal en la

transmisión es menos propensa a interferencia.

La mayoría de las computadoras proveen de la interfase serial con el estándar RS232C, sinembargo existen interfaces adaptadoras para poder utilizar el estándar RS422-RS485, que sonnecesarias para la intercomunicación (monitoreo y configuración) con estos instrumentos.

Tabla 0-2 Nomenclatura RS422/RS485

RS422/ InstrumentoA'B'AB

C&C

ABABC

Rx+Rx-Tx+Tx-

Comun

2.2.2 CoaxialEl coaxial es un cable formado por dos conductores concéntricos. Un conductor central o

núcleo, formado por un hilo sólido o trenzado de cobre (llamado positivo o vivo), un conductor exterioren forma de tubo o vaina, y formado por una malla trenzada de cobre o aluminio o bien por un tubo, encaso de cables semi-rígidos. Este conductor exterior produce un efecto de blindaje y además sirvecomo retorno de las corrientes. El primero está separado del segundo por una capa aislante llamadadieléctrico. De la calidad del dieléctrico dependerá principalmente la calidad del cable. Todo elconjunto puede estar protegido por una cubierta aislante.

Existen múltiples tipos de cable coaxial, cada uno con un diámetro e impedancia diferentes. Elcable coaxial no es habitualmente afectado por interferencias externas, y es capaz de lograr altasvelocidades de transmisión en largas distancias. Por esa razón, se utiliza en redes de comunicaciónde banda ancha (cable de televisión) y cables de banda base (antiguas versiones Ethernet 10BASE2 y10BASE5).

2.2.3 Ethernet (IEEE 802.3 twisted pair)

Este estándar es muy popular para las redes locales, la adopción de ethernet para la

tecnología de comunicación industrial entre controladores y dispositivos de campo pueden incluso

soportar Internet directamente, por esto mismo usuarios remotos por medio de interfases web en el

navegador podrían monitorear procesos de campo (Felser 2005).

13

2.2.4 Fibra óptica de vidrio/plástica

Hay pocos buses y dispositivos de campo que soportan la tecnología de fibra óptica, no por

esto es una mala elección para implementar un bus de campo ya que algunas redes pueden alcanzar

altas velocidades como 400 Mbps (Cucej et al, 2004) algunos protocolos que implementan esta

tecnología son SERCOS y MACRO.

2.2.5 Inalámbrico con/sin LOS (Line of sight)

Las tecnologías de RF se están agregando a la lista de formas en que los dispositivos decampo y controladores se pueden comunicar, existen varios estándares como el 802.11b/g/aHIPERLAN 1/2, Zigbee, Bluetooth, la ventaja que todas estas tecnologías es la versatilidad que le dala instalación de los sensores en el campo, ya que no necesitan estar cableados para podercomunicarse con los controladores (Willig et al, 2005). La mayoría de las conexiones deradiofrecuencia no necesitan línea de vista, la tecnología inalámbrica que si necesita línea de vista sonlas infrarrojas y las microondas direccionadas.

2.3 Tipos de Acceso al Medio

El acceso al medio es la forma en que un dispositivo intenta iniciar su comunicación de losdatos. Si, lo intenta porque no es un hecho de que transfiera la información en esa oportunidad ya queotros dispositivos también están accesando a ese mismo medio y dependiendo del tipo de acceso almedio pueden hacer que ocurran colisiones o no. A continuación se da una breve descripción de losdiferentes tipos de acceso al medio que existen.

2.3.1 CSMA-CD

Es una técnica de acceso al medio que utilizan las redes Ethernet, esta consiste en que todoslos dispositivos de red que tienen datos para transmitir tiene que primero escuchar el canal antes deenviar la información, para cuestiones practicas primero se debe determinar su el recurso de red estaocupado en ese momento. El único inconveniente es que para poder detectar una colisión esnecesario poder escuchar y transmitir en el canal al mismo tiempo lo cual en algunas aplicaciones otipos de medios no es posible como por ejemplo en las redes inalámbricas.

2.3.2 CSMA-CA

En esta técnica cada equipo de comunicación escucha el medio para saber si esta disponible

y si lo esta, el avisa a los demás equipos que va a ocupar el canal, esto es para evitar colisiones entre

los paquetes. Los demás equipos sabrán que el canal esta ocupado y difieren su transmisión en un

tiempo aleatorio corto. En las redes 802.11 el equipo que separa el canal para su transmisión vuelve a

escucharlo para saber si el canal sigue libre, si esta libre transmite, de lo contrario vuelve a esperar

14

hasta que el canal se libere, esto es por los problemas de Nodos Ocultos y Nodos Expuestos

comúnmente en redes inalámbricas.

2.3.3 CDMA

La multeplexación por división de código es una técnica de acceso al medio muy utilizada enlos celulares de tercera generación. Cada uno de los dispositivos tiene un código que ha sido proveídopor la estación base con este se codifica y decodifica la información que se transmite. En este tipo deacceso al medio todos los dispositivos pueden transmitir su información al mismo tiempo al igual querecibirla ya que utiliza la ortogonalidad para recuperar los datos de la señal. También es importantemencionar que es un método muy eficiente con el uso de potencias es caracterizado por su altacapacidad de usuarios y por tener cubrir áreas de radio pequeño.

2.3.4 Token Ring

Originalmente fue desarrollado por IBM en los años 1970s, con topología lógica en anillo. El

primer diseño de una red de Token-Ring es atribuido a E. E. Newhall en 1969. IBM publicó por primera

vez su topología de Token-Ring en marzo de 1982, cuando esta compañía presento los papeles para

el proyecto 802 del IEEE. IBM anunció un producto Token-Ring en 1984, y en 1985 éste llegó a ser un

estándar de ANSI/IEEE, debido al apoyo de la primera empresa informática mundial.

La red Token-Ring es una implementación del estándar IEEE 802.5, en el cual se distinguemás por su método de transmitir la información que por la forma en que se conectan lascomputadoras. Para poder transmitir información a través de red con acceso Token Ring losdispositivos comparten una moneda (token) que la van pasando por medio de prioridades o ranurasde tiempo, el que tenga la moneda esta permitido para enviar la información.

Hasta finales de 1988, la máxima velocidad permitida en este tipo de redes era de 4 Mbps,con soporte físico de par trenzado. En esa fecha se presentó la segunda generación Token Ring-ll,con soporte físico de cable coaxial y de fibra óptica, y velocidades de hasta 16 Mbps. Sin embargo, lasredes antiguas, con cable de par trenzado, debían recablearse si se querían utilizar las prestacionesde las de segunda generación, lo cual representa un buen ejemplo de la importancia que lasdecisiones sobre cableado tienen en la implantación de una red de área local.

2.3.5 TDMA

TDMA son las siglas de Time División Múltiple Access. Tecnología que distribuye las unidades

de información en ranuras ("slots") alternas de tiempo, proveyendo acceso múltiple a un reducido

número de frecuencias. TDMA es una tecnología de segunda generación (de la telefonía celular) que

15

brinda servicios de alta calidad de voz y datos. La Figura 2-8 demuestra como es la estructura interna

de las tramas de información en un acceso al medio TDMA.

oiiiiiiriiji Serie de Datosdividida por

frames

Frames divididosen ranuras de

tiempoCada usuario ocupa

una de ellas

Ranuras de tiempoque contienen la

información yperiodos de

sincronización

Periodo desincronización

(opcional)

Figura 2-8 Estructura de acceso al medio TDMA

2.3.6 Polling

En este acceso al medio existe una estación base o maestro es el cual realiza las pautas en lacomunicación. Pidiendo o enviando información a los demás dispositivos conectados (esclavos)quienes pueden ser sensores, actuadotes o inclusive otros controladores, ellos no están permitidos aenviar información a la red hasta que el maestro les haya habilitado la comunicación. Polling significapreguntar, en cuestiones prácticas eso es lo que realiza el maestro a los esclavos, les pregunta elestado de las diferentes variables que manejan.

2.3.7 FDMA

Este tipo de acceso al medio utiliza la división por frecuencias para acceder al mismo medio,se definen los rangos de frecuencias en el cual el dispositivo puede transmitir, de esta forma variosdispositivos pueden transmitir al mismo tiempo ocupando un canal. El problema con esta técnica deacceso al medio es que no es muy eficiente con el uso del espectro radioeléctrico ya que la cantidadque utiliza es directamente proporcional con el numero de usuarios y como es un recurso limitado esclaro que la cantidad de usuarios simultáneos sea limitada a comparación de otros esquemas deacceso al medio.

16

2.3.8 Resumen de tipos de acceso al medioEn la Figura 2-9 se presenta el orden de protocolos de comunicación entre dispositivos de

campo, su distribución de procesamiento para aplicaciones de control o monitoreo y por tipo de

acceso al medio (Thomese 2005).

Periodic traille

Central i/cd*»*

DccontraJízcd

TDMA Polling Token CSMA

r ip -ASKRCOSARINC

INTKKBUSConmilNec

WorldKIPPROFIBUS-DPPROFIHUS-PA

nP-Nel

PROFIBUS/FMS+

pollingP-Nct

CANDcviceNe»

SDS.LonWtutsC'ANoptiiBaliUus

BHS. KIBÜS

Figura 2-9 Árbol de protocolos por clasificación de acceso al medio

Como muestra el diagrama anterior, aparte de los protocolos descritos antes, existen muchosmas protocolos que sirven para comunicar dispositivos de campo, por lo tanto es necesario un análisismas profundo de cada uno de ellos viendo la calidad de comunicación y la cantidad de servicios queproveen.

Al saber de la existencia de todas estas tecnologías y que en un futuro se desarrollarannuevos estándares para satisfacer la demanda de las redes industriales, uno puede llegar a pensarque implementando lo mas nuevo, lo que tiene las mejores características en cuanto a rendimiento, esel equipo de red que necesita tener, pero no tiene que ser de esta manera. La tecnología de buses decampos en automatización industrial no solo es relativamente compleja por toda la variedad deaplicaciones y procesos, si no irónicamente esta complejidad es generada por la misma multitud desoluciones disponibles (Thomese, 2005). Por lo tanto para poder saber las características de una redpara comunicación entre dispositivos es necesario un análisis de las necesidades de los procesos oaplicaciones que se implementaran en la planta. Si el análisis de las necesidades básicas esrelativamente estándar, siempre van a involucrar conexión entre sensores, actuadores y PLCs , lasopciones de arquitectura son numerosas y pueden imponer algunas necesidades de servicios

17

específicos (como conmutadores, enrutadores, puentes, repetidores). Este fenómeno puede explicar

la diversidad y la falta de un verdadero estándar (Thomese, 2005).

2.4 Descripción de Protocolos y Estándares deinterconexión en Redes Industriales en la Actualidad

2.4.1 Bitbus

Bitbus, también llamado como BUG (Bitbus Universal Gateway) provee de una solución únicacon bajos costos para satisfacer el problema de acoplar las interfaces que ya tienen las computadoras(RS232C). Bitbus es un estándar multitoma, esto significa que varios dispositivos pueden estarconectados al mismo bus. Cada nodo BUG, maneja inteligencia propia y provee comunicación entre elprotocolo Bitbus y las señales de computadora a una velocidad máxima de 375 kbps. Combinandoestas tecnologías es como Bitbus hace posible el control de dispositivos IEEE-488 (RS232) a grandesdistancias. Aparte nodos BUG hacen posible la comunicación no solo a través de cables de partrenzado, si no también agrega la habilidad de manejar fibra óptica para ambientes de alto ruidoeléctrico o grandes distancias (Nawrocki, 1996).

2.4.2 Lonworks

Lonworks provee una solución a problemas de diseño, construcción, instalación ymantenimiento de redes de control. Lontalk tiene implementado todas las capas del modelo OSI.LonWork provee de una gran cantidad de nodos en una manera naturalmente jerárquica. Es definidapor una interfase de fibra óptica y ha sido aceptada por un gran numero de usuarios, la velocidad detransferencia no es muy alta (1.25Mbps) pero esto no es un gran problema en aplicaciones que nonecesitan tiempo máximo de retraso para trabajar. LonTalk es un protocolo abierto desarrollado por laempresa Echelon, protocolo abierto significa que cualquiera puede utilizarlo y desarrollar aplicacionescon el sin necesidad de pagar por licencias costosas e incluye servicios avanzados comoautentificación del transmisor, velocidades de transferencia diferentes, frame para transmisión externa,etc. (Cucej et al 2004).

2.4.3 WorldFIP

WorldFIP, manufactureros franceses (Cegelec, Telemecanique, Efisystem, Gespac, etc)promovieron un protocolo para uso de comunicaciones industriales que fue estandarizado con elnombre de FIP que significa Factory Instrumentation Protocol. Sus características fueron el estándarfrancés NFC 46-601605. Un tiempo después este protocolo fue descrito por CELENEC (ComitéEuropeo Para la Estandarización Electrónica) haciéndolo el estándar EN 50170 vol. 3 con el nombre

18

de WorldFIP. Es el mismo que el anterior protocolo pero con la adopción del estándar internacional de

IEC 61158-2 para su capa física (Marino et al, 2003).

2.4.4 Profibus

Profibus, en 1987 un grupo de manufactureros y usuarios de estaciones industriales, con junto

del gobierno alemán, definieron un bus de campo basado en el modelo OSVISO llamado Profibus.

Esta descripción después fue publicada como un estándar alemán DIN 19245 y en CELENEC fue IN

50170. Profibus utiliza solo 3 de las capas del modelo OSI, la capa física (PHY), la capa de enlace de

datos (FDL) y la capa de aplicación usando su especificación FMSLLI (Fieldbus Message Specification

Lower Layer Interface). (Marino et al, 2003)

2.4.5 CAN

CAN (Controller Área Network)/CAN Open, es uno de los protocolos para bus de campo más

populares. CAN es un bus de comunicación de datos serial, de alta integridad para aplicaciones de

tiempo real. Fue desarrollada originalmente para el uso en carros, pero ahora es utilizado en otras

aplicaciones industriales de la automatización y control. Emplea el censado de portadora de múltiple

acceso/esquema evita colisión (CSMA/CA), con la extensa capacidad de prevención de la destrucción

de paquetes. La prioridad del mensaje es determinada por el valor de su identificador. Los mensajes

de datos no contienen direcciones; sino que, tienen el identificador que etiqueta el contenido del

mensaje. Originalmente CAN ha sido desarrollado como un sistema de comunicación, manejado por

eventos (Cucej et al 2004). El Protocolo CAN usa un modelo maestro-esclavo empleando mensajes

de difusión y multidifusión. Una única identificación (ID) de número, informa el tipo y prioridad de cada

mensaje y reemplaza los campos usuales de dirección. Hay dos clases de identificadores: formato

estándar, que usa un campo de identificación de 11 bits y formato extendido, con identificadores CAN,

control de medio acceso, de 29 bits que usa una CSMA, y evita la colisión así provee de acceso de

prioridad al bus (Hüsemann, 2003). CAN Open, protocolo de alto nivel que corre por encima del

protocolo CAN. El protocolo CAN Open define 4 tipos de mensajes de operación: dirección de la red,

mensajes predefinidos (como sincronización de tiempo), mensajes de procesamiento de datos y

servicios (por ejemplo mensajes de confirmación). En CAN Open los 4 bits mas significativos del

identificador de 11 bits definen el significado del mensaje y los 7 bits restantes informan la dirección de

la estación, así permitiendo que más de 127 estaciones sean incluidas en una red (dirección 0 indica

un mensaje de difusión) (Hüsemann, 2003).

Para CAN, la clasificación ISO es la más simple (Marino et al, 2003):

• Comunicación de baja velocidad: <125 Kbps.

• Comunicación de alta velocidad: > 125 Kbps.

19

2.4.6 SERCOS

SERCOS (Sistema de Comunicación Serial de Tiempo Real), fue diseñado principalmente

como un Standard de control para máquinas multi-eje que provee control inteligente abierto a

especificaciones de controles por interfase digital. Fue aceptado como un estándar internacional IEC

1491, en 1995. Puede soportar arriba de 254 manejadores digitales conectados al nivel mas alto del

controlador. La red opera a 4Mbps. de velocidad. El tiempo de ciclo de comunicación esta puesto

durante la iniciación. Los tiempos de ciclo predeterminados son: 0.062ms, 0.125ms, 0.25ms, 0.5ms,

1ms o cualquier múltiplo de 1ms. Utiliza fibras ópticas plásticas. Tiene una estructura de maestro-

esclavo con topología de anillo. El maestro inicia un ciclo de comunicación enviando un Telegrama de

Sincronización Master (MST). Cada nodo esclavo, usa el MST para re-sincronizar su reloj para que

pueda calcular el tiempo exacto para responder. Un byte, parte del MST, indica si el anillo esta en fase

de iniciación o comunicación. Una buena característica es que en la capa física es preferible usar fibra

óptica plástica, por su inmunidad EM (electromagnetismo) y bajo costo (Cucej et al 2004).

2.4.7 MACRO

MACRO (Motion And Control Ring Optical), es una interfase digital no propietaria, desarrolladapor Delta Tau Systems para la conexión de controladores de movimiento multi-ejes, amplificadores yI/O por una fibra de vidrio óptica o par trenzado con topología de anillo. MACRO utiliza una capa físicade la Interfase de Datos Distribuidora de Fibras. (FDDI) determinada en estándar ANSÍ X3T9.5, 4B/5BSin regreso a cero, Invertida en unos (NRZI) codificador de datos y transmite datos a la velocidad de125 Mbps. Tales capacidades de alta velocidad son alcanzadas implementando la mayoría de losprotocolos de comunicación en hardware. El protocolo MACRO, permite múltiples nodos master, comotambién el nodo esclavo para convertirse en nodo master en caso de rompimiento del anillo. Losnodos tienen 2 estados: activo, que pueden aceptar datos y pasivos, que solo pasan los datos. LaComunicación empieza por el nodo master en activo, enviando datos por el anillo. El nodo, al que lainformación enmarcada es enviada, acepta el marco y substituye los paquetes recibidos con su propiainformación y los envía alrededor del corte del anillo hacia el master. La fibra óptica es definida comouna capa física, pero recientes desarrollos en trasmisores y receptores en fibra óptica plástica, comoen la segunda generación de Taxi chip, en la cual la capa física esta basada, permite más altavelocidad (más de 400 Mbps) que la especificada por este protocolo (Cucej et al 2004).

2.4.8 Ethernet

Ethernet, es una red de área local basada en el estándar IEEE 802.3 y protocolo TCP/IP, hasido bien recibida en los lugares como oficina y casas, siendo también implementada como ethernet oswitched ethernet. Ha habido gran investigación en esta área, algunos tratan de clasificar el tipo detrafico en hard real-time, soft real-time y non real-time, a esto se le llama calidad del servicio (QoS).De esta manera le dan prioridad a los procesos que deben tener un tiempo de sincronización o rápida

20

respuesta como los procesos de control de movimiento. Investigadores han descubierto que loscuellos de botella no se generan en la ethernet si no en los registros para transmitir información dentrode los dispositivos de campo. Algunos ejemplos de esta implementación son: PROFINET de Siemens,Interface for Distributed Automation (IDA) de Schneider and Phoenix Contact, Etherneap de ODVAand Rockwell, High Speed Ethernet HSE de Fieldbus Foundation and Emerson (Cucej et al 2004). Lasvelocidades disponibles son 10 Mbps, 100Mbps y 1Gbps.

2.4.9 Comunicaciones inalámbricas digitales

Comunicaciones inalámbricas digitales, se han hecho más importantes para el campo de laautomatización. Existen dos razones principales por lo cual esto se esta dando: en la automatizaciónse están incrementando las aplicaciones móviles como robots y sensores en lugares casi imposiblesde realizar instalaciones alámbricas, donde la instalación es muy costosa y en veces casi imposible.Se conocen algunas tecnologías de WLAN son IEEE 802.11b; IEEE 802.11a; IEEE 802.11g; Bluetooth1; IEEE 802.15 (Bluetooth 2, ZigBee); Radio Add-ons for Wired Systems; Ultra Wide Band Systems(Cucej et al 2004), también está el estándar Europeo RFieldbus y para WLANs de HiperLan tipo 1 yHiperlan tipo 2 (Koulamas et al 2003). Muchas publicaciones se enfrentan con algunos aspectos delas comunicaciones inalámbricas como la confiabilidad y seguridad. Existen ambientes de altascantidades de ruido y el nivel de seguridad tiene que ser incrementado porque las señales pueden serfácilmente interferidas por cualquiera. El estándar europeo RFieldbus a alcanzado algunos objetivosnecesarios para este tipo de comunicación como la compatibilidad en comunicación de tiempo real,ofrece una arquitectura flexible de celdas múltiples, le saca provecho a la propagación multi-destinosenlaza redes híbridas (alámbricas/inalámbricas) (Cucej et al 2004). Las velocidades disponibles son11 Mbps, 54 Mbps y múltiplos de este utilizando la tecnología MIMO (múltiple input and múltipleoutput).

21

2.4.10 Resumen de protocolos y estándares

La Tabla 0-3 contiene las características más importantes de algunas soluciones integrales en

la actualidad para implementar buses de campo (Cucej et al 2004).

Tabla 0-3 Resumen de protocolos y estándares actuales

NodosEstándar Velocidades Acceso al Medio Tipo de Cable Aplicación Primaria

Máximo

Bitbus

CAN

Lon Works

MACRO

Profibus

SERCOS

World FIP

375 Kbps

1 Mbps

1.25 Mbps

100 Mbps

9.6 Kbps

hasta

1500 Kbps

2 a 4 Mbps

31.2 Kbps

1 Mbps

2.5 Mbps

32 o 250

2048

32000

256

32o127

256

64 o 256

Master/Slave

(Polling)

CSMA-CD

CSMA-CA

Token Ring

Acceso al medio

Hibrido

Token Ring

Depende de la

topología

Par trenzado

Par trenzado

Par trenzado

coaxial

fibra óptica

Fibra óptica

(vidrio)

Par trenzado

Par trenzado

Fibra óptica

(entre PLCs)

Fibra óptica

(plástico)

Par trenzado

Fibra óptica

Módulos de E/S

inteligentes, Control

de Procesos

Sensores/Actuadores

Control Aplicado

Control de

Movimiento

Automatización

Industrial

Control de

movimiento

Control en tiempo

real

22

2.5 Ejemplo de redes implementadas con Profibus

En la Figura 2-10 se ejemplifica una topología de bus estándar de Profibus, todos los

dispositivos están conectados a el mismo medio, (Koulamas et al 2001).

Figura 2-10 Una típica red Profibus con un master y diez nodos esclavosinterconectados

Hay dos topologías simples pero describen bien las posibilidades de una red inalámbrica de

para bus de campo, estas se llaman Base Station y Link Directo, en la Figura 2-11 están

ejemplificadas las dos (Koulamas et al 2001).

©

©©

©©

©Figura 2-11 Buses de Campo Inalámbricos

a) Con link directo b) Con estaciones base

En la Figura 2-12 se ejemplifica una red híbrida en Profibus, Los óvalos ejemplifican celdas deconexión inalámbrica y los triángulos son puentes que convierten la red inalámbrica a alambica, lospentágonos son controladores (PLCs) que realizan las acciones de control necesaria y los círculos sonlos actuadores y sensores que están en el campo realizando las mediciones físicas necesarias paralos procesos (Koulamas et al 2004).

23

S1 M1

S3 " 3

Figura 2-12 Ejemplo de una red Profibus hibrida.

24

Capitulo 3.

Modelo Particular

A partir de las características en los procesos de una planta, se verificaran lasconsideraciones necesarias para que estos procesos sean bien controlados y monitoreados.Integrando todo este conocimiento se desarrollara un modelo para selección de la tecnología(topología, protocolos y estándar físico de conexión) para la comunicación entre dispositivos ycontroladores (selección de bus de campo).

En los bloques con líneas obscuras se refiere a lo ya establecido, lo que ya existe, los

procesos industriales no van a ser cambiados ellos van a seguir como están, la forma de analizar la

información de los procesos también ya existe y no se va a cambiar si no lo contrario se va a utilizar

junto con recopilación de información de nuevos estándares para comunicación en buses de campo y

servirá de entrada para la metodología de selección de tecnología.

Proceso Industrial, son todos los procesos que la industria necesita para la producción estecontiene unos requerimientos mínimos para realizar su control y de forma inherente se buscamonitorear el desempeño del proceso para tener un registro de los eventos sucedidos en el proceso.

Análisis de la información recopilada, al tener la información recopilada esta tiene dosdestinos uno es de retroalimentar al proceso industrial y de esta forma actúan los métodos pararealizar el control y monitoreo, el otro es la metodología. Algunos indicadores que nos muestran eldesempeño serian la confiabilidad del sistema, la velocidad mínima de transferencia, si existenredundancias, el bit error rate máximo (BER) etc.

La Metodología propuesta se encuentra en los bloques con línea doble. A su vez esta

integrada por tres partes, las consideraciones específicas del proceso, estas se refieren a

requerimientos mínimos del proceso industrial, la evaluación de las opciones disponibles que se

toman de acuerdo al análisis de las consideraciones y al final la selección de la tecnología.

La Metodología de Selección de Tecnología, es la propuesta, es donde se realiza la

evaluación y selección de la tecnología de bus de campo para realizar la comunicación entre

dispositivos, consiste en el análisis de las especificaciones del proceso, evaluar las opciones

disponibles y realizar la selección la cual es impactada por varios aspectos como el económico y el

ambiente donde se va a desempeñar el sistema, la regularización que tiene que ver con los

25

estándares o con la homologación de proveedor para evitar problemas de compatibilidad entre

equipos y el de instalación.

En los bloques de lineas punteadas se encuentra las acciones que se realizarán para poder

desarrollar la metodología. Estas acciones están en los bloques de la recopilación de información, la

definición de las variables a comparar dentro de los estándares de comunicación y la elaboración de

tablas para la fácil comparación de las tecnologías y el ultimo de los bloques con líneas punteadas es

el que va después de la elaboración de la metodología ya que esta acción que servirá para validarla

comparándola con la metodología que siguen ingenieros experimentados en la selección de buses

para automatización y de ser posible implementarla utilizando un caso real (esto se demostrará en el

capítulo 4).

El bloque de la Metodología puede ser detallado de la siguiente manera:

Entrada

1. Se juntan datos de las necesidades del proceso o los procesos a automatizar, se podríadecir que son las especificaciones técnicas como los tiempos máximos de muestreo,clasificación del tipo de control que necesita el proceso (PID), complejidad del control,tipos de sensores para la retroalimentación y tiempos para el monitoreo.

2. Es necesario tener una tabla de comparación entre los estándares de buses de campopara automatización industrial, por lo tanto si ya han llegado nuevos estándares la tabladeberá ser actualizada para poder tomar en cuenta las nuevas opciones. De estasopciones se toman las que si son factibles para los requerimientos mínimos del procesoque se automatizará.

Función de Transferencia (Centro de la Metodología)

1. Se define el estado de los factores:

a. Regularización

Si dentro de la planta ya tienen procesos automatizados puede ser convenienteseguir con el mismo proveedor y tipo de equipo a menos de que no cumpla conlos requerimientos mínimos de los procesos. Es conveniente mantener unmismo proveedor de equipo para poder integrar todos los procesos en unamisma red de control y monitoreo sin complicaciones. Si este factor no afectapor ser una nueva instalación se recomienda no tomarlo dentro de laevaluación.

b. Ambiental

El factor ambiental se refiere a las características del ambiente donde estará

montado las unidades de control. Este puede ser humedad, temperatura, ruido

26

electromagnético (hecho por terceros), etc.. Puede relacionarse mucho con el

factor de instalación pero el ambiental solo considera las características del

lugar de la instalación,

c. Económico

El aspecto económico prácticamente elimina a las opciones de automatización

que están fuera del alcance económico de la empresa, las que si están dentro

del rango son sometidas a una evaluación cuantitativa que corresponde a la

siguiente ecuación:

3.1

d.

En donde:

E = Valor del factor Económico

B = Costo de la opción mas barata

X = Costo de la opción a evaluar

De esta manera si se evalúa la opción más barata entre ella misma nos da losdiez puntos máximos en la calificación. Si los costos son muy parecidosentonces se procede a una evaluación cualitativa de 0 a 10 en donde la opciónmás barata tiene 10 puntos y la siguiente de acuerdo al costo (y al criterio delevaluador) tiene menos puntos.

e. Instalación

Este factor depende del proceso que se implementará. Estas son lascaracterísticas inherentes del proceso que puedan afectar a los equipos de busde campo, como altas temperaturas, ruido electromagnético producido pormotores, etc.. Ya que muchos de estos factores aumentan por mucho el costode instalación, de esta manera se podría tener en consideración el uso de unatecnología inalámbrica o se podría saber que hay que evitar el uso de esta porla gran interferencia que el proceso pueda ejercer.

2. De acuerdo a las consideraciones anteriores se realiza el análisis sobre la selección detecnología, de esta forma se elige a la tecnología candidata más conveniente.

27

Salida

1. Al tener seleccionada la tecnología se procede a la implementación de esta en el lugarde instalación.

2. La metodología se validará por medio de una comparación con la metodología quesiguen los ingenieros experimentados en la selección de buses para automatización.

28

Monitoreo deldesempeño

ProcesoIndustrial

Requerimientos mínimospara el control

Irnplernentación oincorporación de la

tecnología h1

Análisis de la informaciónrecopilada h

Factor de Re gula rización |L Factor de Instalación

Análisis y consideracionesespecificas por el proceso

industrial a comunicar

Evaluación de opcionesdisponibles

Selección de latecnología

Metodología de Selección de Tecnología

Factor Económico Factor Ambiental

j Comparación entre•~> tecnologías de buses de

campoVII

Recopilación de lainformación sobre

estándares utilizados

Definición de variables

Validación de lametodología mediante laaplicación a un caso real

! • - - -

29

Figura 3-1 Modelo Particular

Capitulo 4.

Estudio de Campo y Validación del ModeloPara realizar la validación del modelo anterior, se propone un estudio de campo que obtendrá

información sobre la forma en que las empresas que implementan proyectos de automatización tomanlas decisiones tecnológicas para determinar el tipo de bus de campo que se utilizará en algúnproyecto. Por medio de encuestas a los ingenieros experimentados (que se encargan de la toma dedecisiones en selección de bus de campo) se podrá recopilar la metodología que siguen y cualestienen algún parecido a la metodología propuesta en este trabajo. Al mismo tiempo se pretendemejorar la metodología propuesta por medio de la información recopilada gracias a la expertise de losingenieros encuestados.

El perfil de los ingenieros a encuestar es el siguiente:

• Haber laborando en alguna empresa de automatización y tener un mínimo de 5 años de

experiencia en la disciplina.

• Haber tomado la decisión de seleccionar el tipo de bus de campo durante la planeación

de un proyecto de automatización.

• Tener conocimiento de varios estándares actuales en materia de buses de campo.

• Tener experiencia en la utilización e implementación de los buses de campo.

Los ingenieros deben de cumplir estos cuatro puntos para que sean considerados buenoscandidatos a encuestar. Uno de los ingenieros encuestados, aprovechando su amplia experiencia enel campo, que a su vez este dispuesto a dar mas datos sobre un proyecto de automatización que hayarealizado y de cómo su empresa toma las decisiones para seleccionar la tecnología que emplearápara la red industrial de su cliente.

4.1 EncuestaLa encuesta que se utilizará para validar el modelo será una herramienta cualitativa. El

objetivo de ella es determinar mediante preguntas ponderadas y otras abiertas la forma en que ellosrealizan la selección de tecnología antes de implementar la instalación del bus de campo. De estaforma determinar cuales son los pasos que siguen, las consideraciones que toman en cuenta y otrosfactores que determinan la forma en que ellos seleccionan la tecnología para validar el modelopropuesto y a su vez enriquecerlo con la experiencia de los ingenieros experimentados en el campo.

30

En el Anexo A se encuentra la encuesta que sirvió de herramienta para encontrar a laspersonas que nos ayudaron proporcionando datos de un proyecto real. La entrevista fue elaborada enPHP y se mantuvo en línea durante un mes en el sitio http://garanda.homeip.net la contestaron untotal de seis personas de las cuales uno me dio la oportunidad de entrevistarlo mas a fondo sobre uncaso de implementación de bus de campo.

4.2 EntrevistaLa entrevista a detalle con uno de los ingenieros que fueron encuestados, esta entrevista

sirvió para conocer la forma en la que las empresas de automatización toman las decisiones sobre laselección de tecnología para sus clientes. A su vez nos detalló dos proyectos en los cuales se tuvoque hacer una selección de tecnología, como fue el proceso de decisión y cual fue el resultado final,esto con el fin de validar la metodología propuesta en este trabajo aplicándola a los casos descritospor el entrevistado.

En el Anexo B se encuentra la entrevista que se aplico a un ingeniero con experiencia enautomatización de procesos utilizando buses de campo. Esta entrevista sirvió para recolectarinformación sobre como hacen la selección de tecnología en redes industriales las empresas en laactualidad.

4.3 Resultados del Estudio de CampoLa encuesta fue aplicada a seis ingenieros los cuales cumplen con las características del perfil

definido, cabe mencionar todos los encuestados trabajan en empresas que automatizan procesospara sus clientes, y las empresas automatizadoras donde ellos trabajan se encuentran en la zonametropolitana de monterrey sin embargo todos ofrecen sus servicios a cualquier empresa sin importarsu ubicación en el mundo.

En promedio los ingenieros tienen de experiencia en automatización de procesos unos 4.5años entre de entre 2 y 17 años. Ellos afirman que de 10 trabajos en automatización en promedioaproximadamente 5 proyectos se hace necesaria una selección del bus de campo. Estos 5 proyectosde 10 no solo son nuevas instalaciones, si no también instalaciones que necesitan una renovación deequipo tanto de control como de comunicación.

El ingeniero entrevistado menciono que hay 3 casos en los que se tiene que seleccionar el

tipo de red industrial, pero primero es necesario una evaluación previa a las instalaciones.

1. Si tienen mas de 15 años de antigüedad se hace necesaria una nueva instalación de

la red industrial, sin embargo si la empresa cliente no esta de acuerdo con que se

realice la nueva instalación, no se garantiza tener el resultado esperado.

31

2. La mayoría de las empresas utiliza una misma marca para todo su equipo de

comunicación industrial, si la empresa que va a automatizar utiliza otro tipo de bus de

campo es necesario tomar una decisión, seguir utilizando lo mismo y encontrar un

puente o "transceiver" que pueda comunicar las dos redes o cambiar al bus de campo

que tiene la empresa cliente. Esto se tiene que evaluar bien ya que cambiar a un bus

de campo que no se conoce implica costos en capacitación y tiempo para entrenar a

la gente que instalara los equipos de automatización.

3. Cuando los requerimientos mínimos el alcance que quiere el cliente no los cubre la

tecnología de red que esta utilizando actualmente.

47% =

Selección de Bus

5 3 % » Sin selección de Bus

Figura 4-1 Porcentaje de proyectos que necesitan una selección de bus de campo

Los buses de campo que mas utilizan en orden de utilización son el Profibus, Modbus,

ControlNet, Industrial ethernet, DeviceNet. En la entrevista a detalle el ingeniero menciono que la

utilización de buses de campo varia mucho dependiendo de la Iocalización geográfica de la planta del

cliente. En América del Norte se utiliza mucho lo que es Industrial Ethernet, en Europa se utiliza más

las redes de Profibus y Profinet y en América Central y Sur utiliza más el Modbus.

32

13%

9%

•••••••••••••••i,•••••••••••••••••••*

22%

• Profibus

Modbus

ControlNet

Industrial Ethernet

DeviceNet

li Otros

22%

Figura 4-2 Porcentajes de utilización de cada bus de campo.

La mayoría utiliza la tecnología porque son expertos en ella, en segundo lugar queda elconvenio con empresas desarrolladoras de equipo industrial y en tercero queda porque sonestándares en la industria. Sin embargo existen empresas en las cuales tienen desarrollos in-housecon los cuales ellos pueden controlar los procesos que automatizan al cliente. El ingeniero comentoque por lo general las empresas automatizadoras se especializan en la automatización de ciertoproceso en el caso de ellos es la industria del acero por lo tanto su desarrollo in-house es versátil peroes especial para controlar cortes de acero, fundición, manejo de la fase potencia y otros mascaracterísticas. La ventaja de esto es que su caja utiliza varios protocolos para la comunicación conotros controladores, sensores o actuadores, como no es de la marca especifica de un fabricante elloslo desarrollaron para que hable con gran parte de los dispositivos. A su vez menciono que latecnología que utilizan tiene que ver mucho también con el alcance del proyecto, que es lo que laempresa cliente espera de la red automatizada (mucho monitoreo, control complejo de operaciones,alta disponibilidad, etc.).

La dependencia de la selección de bus de campo no es tanto con el tipo de proceso a realizar,el proceso impone las condiciones mínimas de operación, la selección depende más del alcance quela empresa cliente quiere obtener. ¿Que es todo lo que quiere hacer con el bus de campo?, ¿Quetantos dispositivos va a querer conectar a la red tanto actuadores, sensores, estaciones de monitoreo,PLCs?, ¿Qué tipo de control utilizara dentro de la red?

33

A su vez, el poder adquisitivo de la empresa cliente es un punto muy importante a considerar

porque aunque la empresa automatizadora utilice cierto tipo de controladores y redes, es posible que

la empresa cliente no pueda pagar si el proyecto se realiza con ese tipo de automatización. Aquí es

necesario adaptarse a la empresa cliente. Todo esto se resume en el alcance porque la empresa

cliente no puede esperar más que el alcance de lo que puede pagar.

17%

33%

V . ; ^ , 50%

Experto

Convenio

Por ser el másutilizado

Figura 4-3 Porcentaje por el cual utilizan algún tipo de tecnología

Para seleccionar el bus de campo la mayoría de los encuestados contestaron que no utilizanun método específico para tomar la decisión, sin embargo los que si utilizan algún método deselección contestaron que no esta documentado ni como documento de la empresa ni como estándaren la industria, ellos solo siguen cierta guía que por medio de su propia experiencia ó de laexperiencia de sus compañeros predecesores les enseñaron pasando su conocimiento durante eltrabajo.

34

20%

^^SM^^^^^ • No

80%

Figura 4-4 Porcentaje de ingenieros que utilizan algún método de selección de bus

La importancia que le dan a la redundancia en sus implementaciones tiene un valor de 6.333

en una escala de 10 (siendo muy importante) a 0 (siendo irrelevante) sin embargo ninguno de ellos

utiliza métodos de redundancia en sus redes industriales y a su vez tampoco conocen de técnicas de

redundancia. Sin embargo se comenta que la redundancia depende también del alcance que la

empresa le de al proyecto si necesita un alcance con alta disponibilidad la utiliza de lo contrario no.

De los encuestados el 17% ha utilizado tecnología inalámbrica en redes industriales y afirmanque no debe tener problemas si se consideran los factores de distancia, potencia de la señal y rutas-líneas de vista, sin embargo hay dos personas que sólo lo han utilizado experimentalmente y dicenque hay perdida de la señal y perdida de comunicación por baja potencia, interferencia y ruidoelectromagnético. Es claro que antes de realizar una instalación con comunicación inalámbrica esnecesario realizar un análisis previo del lugar conjunto al proceso.

35

17%

Si

No

Figura 4-5 Porcentaje de ingenieros que han utilizado tecnología inalámbrica en proyectos

El 83 por ciento de los encuestados ha combinado la red de datos del cliente con la redindustrial, esto ha sido principalmente por limitaciones en la instalación del cliente y porrequerimientos específicos. Por lo regular esto no sucede, solo cuando la empresa cliente no tiene losrecursos monetarios necesarios para instalar otra red independiente a la actual que utiliza en lasoficinas.

También hay otra decisión, cuando incluso quieren separar la misma red de monitoreo de la

de control, esto es principalmente porque existen interfaces humano-maquina (HMI) que son muy

detalladas y necesitan de una constante actualización de los datos actuales para los operadores.

17%

Combinado

No combinado

83%

Figura 4-6 Porcentaje de ingenieros que han mezclado una red industrial con una de datos

36

La importancia de los factores a considerar es Costo y Estandarización empatados en primer

lugar, Instalación en el segundo y por ultimo el Ambiente, esto también se refleja en los factores

consideran para seleccionar su bus de campo que el Ambiente no lo consideran como un factor.

101 .

S. 8•= " 6u !5iS .o 4

! *i 20

Figura 4-7 Prioridad de factores considerados en la Metodología

23%39%

;•:*. C o s t o

^ Estandarización

^ Instalación

= Ambiente

38%

Figura 4-8 Porcentaje en que consideran los factores en sus proyectos

37

Ninguno de los encuestados dice tener una metodología documentada para realizar la

selección de bus de campo, a pesar de esta respuesta, ellos si consideran importante tener una

metodología que los pueda guiar de alguna forma para tomar esa decisión, argumentaban que una

metodología que de mas confianza al cliente de que el servicio es de primer nivel, que muestre los

pros y los contras de adoptar cierta tecnología, que agilice y estandarice el proceso de selección, que

se revisen todos los aspectos para tener una buena planeación y para evitar costos innecesarios

desde un inicio.

4.4 Caso Real de Proyecto de AutomatizaciónEl ingeniero entrevistado proporciono dos casos en los cuales tuvieron que tomar decisiones

tecnológicas para automatizar algún proceso de sus clientes. A continuación se describen los detallesy al final de esta parte se analizan y se comparan junto a la metodología propuesta.

4.4.1 Caso 1

El primero era una empresa vieja y su equipo de comunicación era Modbus plus e hicieronuna ampliación del proceso, era un proceso que le llamaban "Las líneas de enfriamiento" lo que teniaque hacer ese proceso es controlar bombas de agua, medidores de nivel, servo motores, monitoreode temperatura, termostatos, tiempos de encendido, flujos, presión. Este proceso servia para enfriarlas piezas de metal que habían sido cortadas con otro proceso que era "Las líneas de cortesecundario" ya que la empresa ya tenia en sus instalaciones la primer línea de corte de metal, ynecesitaban una línea que pudiera hacer cortes mas precisos. En la línea de corte secundarioutilizaban lanzas de oxigeno, encoders, medidores de flujo de oxigeno, control de válvulas,generadores de chispa para encender el oxigeno y servo motores.

Según la metodología al utilizar motores o altas temperaturas, la comunicación inalámbricapuede ser descartada por las interferencias del ambiente. Dentro de la planta se utiliza un protocolo yestándar para comunicación entre equipos que es el Modbus plus, por lo tanto seria recomendableseguir utilizando el mismo estándar que ellos para que no existan incompatibilidades entre equipos oun protocolo que se le asemeje para que la comunicación de los datos pueda ser transformadadirectamente por algún equipo transceiver. Las condiciones ambientales del lugar no fueronproporcionadas ya que ellos no consideraron que esta afectara al tipo de bus de campo que ellosquerían instalar. Económicamente esta empresa era con poco poder adquisitivo y tenía el presupuestomuy limitado, por lo tanto lo más económico que encontraran y que funcionara según sus necesidadessería la mejor opción para ellos.

38

Lo que el ingeniero y su equipo de trabajo hicieron en este proyecto fue realizar una visita a la

empresa para evaluar las instalaciones, hicieron una entrevista con el cliente para saber cual era el

alcance que ellos tenían en mente en esta entrevista descubrieron que la empresa no tenia gran poder

adquisitivo para realizar una inversión grande en la planta. Por lo tanto decidieron adaptarse a lo que

la empresa cliente tenia, en este caso decidieron utilizar el protocolo de comunicación Modbus

Ethernet, que es el mismo protocolo de comunicación que Modbus plus pero el medio en que es

difundido cambia, se utilizan cables UTP blindados y la comunicación es paquetizada. La ventaja que

ellos vieron al utilizar esto fue que al ser el mismo protocolo solo tuvieron que utilizar un transceiver

directo por hardware para comunicar al proceso que ya tenían en Modbus plus con la nueva

ampliación de la planta que tendría Modbus Ethernet. En este caso no fue ni considerado utilizar el

medio inalámbrico.

Se puede ver que la metodología utiliza los factores de una forma general, pero el resultadose vuelve específico cuando se tiene que llevar a la implementación. En este caso la metodología seacoplo bien a la decisión final que tomo el ingeniero, sin embargo el alcance y la evaluación yentrevista previa con el cliente ayudaron mejor a tomar una decisión.

4.4.2 Caso 2El segundo caso el ingeniero no pudo decidir que tecnología utilizar ya que el cliente les pidió

que utilizaran PLCs de cierta marca que solo soportaban ControlNet porque ellos tenían todos susequipos comunicados con este protocolo, en este caso el cliente adquirió por su cuenta el equipo quequerían instalar para poder controlar su consumo de potencia. A este proceso le llamaron "Controlsecundario para protección de consumo de potencia" lo que hacían era monitorear y controlar elconsume de potencia de un horno de fundición de acero y dispositivos como bombas, válvulas,motores que tenían alto consumo. Al monitorear el consumo de los dispositivos se podían dar cuentacon los picos, altas y bajas de corriente si ese equipo necesitaba mantenimiento o estabadescalibrado u obstruido. En este proceso las interfaces humano-maquina estaban fuera de la red decontrol.

En este caso como no se realizo una selección de tecnología no tiene caso aplicar lametodología, pero es interesante y de gran utilidad para complementar la metodología propuestaanalizar como procedieron para poder realizar la implementación del proyecto.

El equipo que el cliente ya había adquirido no se comunicaba por medio de ControlNet,

utilizaba otro protocolo de comunicación el DeviceNet, primero pensaron en utilizar un transceiver para

poder comunicarse en las diferentes redes pero realizaron una investigación sobre las soluciones

39

actuales para poder manejar esos equipos y encontraron unas tarjetas que tenían actuadores,sensores de consumo de potencia integrados que se comunicaban con DeviceNet para controlar elequipo y estas tarjetas podían ser manipuladas por un controlador externo de esta forma es comorealizaron la instalación, controlaban las tarjetas con los PLC directo sin el uso de la red ControlNet yellas podían comunicarse con el equipo de potencia sin problemas.

En este caso se desarrollo una investigación justo antes de la implementación del proyecto,esto quiere decir que cada vez los desarrollos en el área de automatización son muy continuos y quees necesario mantenerse actualizado con la nueva tecnología para poder tener todas las opcionesdisponibles en consideración.

4.5 Comparación de la solución a los casos y la metodologíaLos casos presentados son de utilidad para ver como la industria toma estas decisiones en los

proyectos actuales de automatización y se detectaron varios aspectos, algunos que coinciden entre lametodología y el caso otros que pueden ser mejorados aplicando la metodología propuesta y porultimo otros que podrían mejorar la metodología.

Los aspectos que coinciden:

• Mantenerse actualizado para tener todas las opciones presentes al momento de la

evaluación.

• Se realiza un estudio previo evaluando las necesidades del proceso de control.

• Se toma en cuenta el factor económico cuando la empresa es de bajos recursos.

• Siempre se toma en cuenta el factor de regularización e instalación.

La metodología sugiere una etapa previa de investigación, sin embargo el tiempo de vigenciamientras esta actualizada la información no es conocida, por lo tanto la investigación debe realizarsede una forma consecutiva, cada vez que se realice un nuevo proyecto.

El estudio previo evaluando las necesidades si existe, sin embargo, ellos no solo se guían porel tipo de proceso como lo hace la metodología ellos se guían por el alcance que quiere su cliente,dependiendo del alcance son los requerimientos mínimos del proceso.

El ingeniero comento que el factor económico si se toma en cuenta pero solo cuando losclientes tienen pocos recursos, ya que cuando son clientes que tienen muchos recursos no lesinteresa tanto disminuir la inversión que realizan a sus plantas ya que piensan que es en lo que menosdeben de bajar costos, ellos prefieren bajan costos durante la operación.

40

Los factores que siempre se toman en cuenta son los de regularización de la planta y el de

instalación, siempre buscan usar equipo que sea totalmente compatible con el que el cliente ya tiene

en operación (y de preferencia que sea del mismo proveedor) y a su vez tienen cuidado al hacer el

análisis del proceso para no utilizar medios de transmisión que tengan problemas con el proceso.

Los aspectos que pueden ser mejorados si aplican la metodología

• La formalidad de la toma de decisiones documentando el Know-How de la empresa.

• Reducción de los tiempos de evaluación de opciones.

• Reducción de la complejidad del proceso de toma de decisión.

• Aumento de la confianza del cliente al hacer la referencia de utilizar una metodología

estandarizada en los proyectos.

Una empresa que documente su propio Know-How se ve como una empresa mascomprometida con su labor. Al mismo tiempo al documentar tus propios procesos es mas sencilloadministrar los recursos tanto económicos y humanos. Los económicos porque sabes exactamente enque se esta invirtiendo el tiempo y dinero y los humanos por dos cosas, saber quienes estánrealizando las evaluaciones y por si en determinado momento se fuera alguno de tus empleados elconocimiento se queda documentado para el nuevo personal.

Se reduce el tiempo que se utiliza para evaluar las opciones disponibles, si ya se cuenta con

una tabla comparativa de las opciones para automatización, solo es necesario actualizarla y

seleccionar las tecnologías que cumplen con los requerimientos mínimos del proceso.

Se reduce la complejidad del proceso al ser documentado ya existe una guía de los pasos que

seguir. Y si se lleva documentación de los casos excepcionales en los que por algún motivo se alia

tomado una decisión distinta la complejidad se reduce aun mas.

El cliente se siente más seguro y en más confianza cuando la empresa que les presta elservicio de automatización tiene certificaciones o utilizan procesos estandarizados por lo tanto si lametodología se toma en cuenta como un estándar puede traer el beneficio de la confianza en elcliente.

Los aspectos identificados en los casos reales que podrían mejorar la metodología

• Evaluación de los equipos actuales en la planta.

• Consideración del Alcance del Proyecto.

• Reducir la dependencia al tipo de proceso y agregar la dependencia al alcance delproyecto.

41

El ingeniero menciono que siempre que realizaban una evaluación previa a las plantas de lasempresas clientes todo el equipo que era de finales de los ochenta e inicios de noventa se le sugeríaal cliente fuera renovado por equipo nuevo para garantizarles que el proyecto funcionará comodebería ser.

El alcance del proyecto significa lo que el proyecto tiene que realizar, este es definido por eldueño del proceso a automatizar o el cliente. La metodología solo toma en cuenta los requerimientosmínimos del proceso. El alcance es un factor que se tiene que agregar ya que de esto depende si elproyecto hace todo lo que debe hacer, no solo controlar el proceso. Por esto mismo se debe reducir ladependencia que tiene la metodología al tipo de proceso y ligarla más al alcance del proyecto. Almismo tiempo la satisfacción del cliente depende del alcance logrado.

42

Capitulo 5.

Conclusiones y Trabajos FuturosLa metodología es una propuesta que surge por análisis de la lectura de publicaciones de

investigadores en automatización de procesos, esto quiere decir que es una propuesta con base

teórica, sin embargo esto no impide que esta pueda ser aplicada a casos de automatización real, la

validación de la metodología resulto ser positiva aunque existen detalles que pueden ser mejorados

con la experiencia. Gracias a la entrevista pude conseguir la visión de un ingeniero experimentado en

la selección de bus de campo.

Todos los encuestados resultaron interesados en tener una metodología como esta en susempresas para poder tomar las decisiones correctas mas rápido y al mismo tiempo tenerdocumentado el proceso de selección. Esto refleja el interés de la industria por una metodología quedocumente el proceso de selección de bus de campo dependiendo del proyecto. Aquí cambie lavisión, depende del proyecto no tanto del tipo de proceso a controlar, el tipo de proceso solo marca elmargen de rendimiento inferior con los requerimientos mínimos para poder ejercer control y monitoreo,sin embargo el proyecto puede requerir mas detalles como estar monitoreando continuamente elproceso, mas estaciones de control y monitoreo para los operadores, etc..

Por otro lado ninguno de los encuestados mostró interés en el factor ambiental que se

propone en la metodología por lo tanto este puede ser un cambio para mejorar la metodología,

aunque no sería eliminarlo por completo, más bien se anexaría al factor de instalación ya que están

muy relacionados porque el ambiente está muy relacionado con el lugar donde se encuentra la planta.

Antes de aplicar la metodología es necesario recopilar datos no solo del proceso aautomatizar si no de las condiciones en las que la planta está, por lo tanto es necesario hacer unaevaluación previa de las instalaciones y ese también es un anexo que puede quedar en el nuevoboceto de la metodología que tendría como entrada el proceso y el bloque estaría dentro de lametodología.

Otra mejora a la metodología seria tomar en cuenta el alcance del proyecto. El alcance delproyecto hace referencia a lo que los dueños del proceso quieren que haga el proyecto. Esto es degran importancia ya que define todas las expectativas que el cliente quiere en la implementación delproyecto. Como niveles de redundancia para asegurar la operación, la exactitud necesaria paracontrolar el proceso, el tipo de monitoreo que se realizara al proceso.

43

La siguiente mejora seria hacer que la selección de la tecnología dependa más del alcancedel proyecto que del tipo de proceso a automatizar. El proceso a automatizar solo marca el margeninferior, son los requerimientos mínimos que la tecnología debe de cubrir para poder controlar elproceso, el margen superior seria el alcance del proyecto que es cumplir con todas las expectativasdel dueño del proceso.

Los objetivos de la investigación fueron totalmente concluidos, se recopilaron los datosnecesarios para realizar evaluaciones los diferentes estándares de buses de campo, se investigaronlas variables importantes que se tienen que tomar en cuenta en los procesos para realizar suautomatización, se propuso la metodología y por último se valido con el estudio de campo, Aparte devalidarla quise agregar las mejoras a la metodología pero solo en el diagrama ya que estas no fueronun objetivo de esta investigación.

En la figura 5-1 quedan plasmadas las mejoras a la metodología gracias a las encuestas, losrecuadros en gris son los cambios realizados a la propuesta. No obstante no se detallan en formaescrita solo en el nuevo boceto del diagrama, por lo tanto si continuo en el área de automatización megustará proseguir con este trabajo y detallar a fondo los cambios que surgieron gracias a lasencuestas, la entrevista.

44

- i

Monítoreo deldesempeño

ProcesoIndustrial

Requerimientos mínimospara el control

Implementación oincorporación de la

tecnología h1

Análisis de la informaciónrecopilada hi

Factor de Regularízación

Análisis yconsideracionesespecificas por elproceso industrial

a comunicar

Evaluaciónde opcionesdisponibles

Seleccióndéla

tecnología

Metodología de Selección de Tecnología

t Factor Económico

¡ Comparación entre"~> tecnologías de buses de

i campoValidación de la

metodología mediante laaplicación a un caso real

(«._--•

• Definición de variables !

, * x

¡ Recopilación de la ¡> información sobre •! estándares utilizados !V ,

Figura 5-1 Mejoras del Modelo Particular

45

Anexo AA continuación se muestra la encuesta general que se realizo de manera general a los

ingenieros con experiencia en el área de automatización de procesos y que han tenido que

tomar la decisión de que tecnología utilizar en redes industriales.

Mi nombre es Gilberto Aranda de la Garza soy estudiante de la Maestría de Administración de

las Telecomunicaciones del ITESM. Estoy elaborando la tesis "Una Metodología para la

Selección de Tecnología en el Diseño de Redes Industriales" y para realizar el estudio de

campo necesito información de como las grandes empresas automatizadoras hacen su

selección de tecnología en los diferentes proyectos. Los fines de este estudio son

estrictamente académicos por lo que los resultados son confidenciales y anónimos. Agradezco

de antemano su colaboración y su tiempo.

Personales

Edad: Ocupación:

1. Años de Experiencia en Automatización:

2. ¿Su empresa provee de servicios de automatización de procesos a sus clientes?

Si No

3. De 10 trabajos de automatización, ¿cuántos son nuevas instalaciones industriales en los

cuales tiene que implementar un bus de campo?

Conocimiento de Tecnología en Redes Industriales

4. ¿Cuáles son los estándares de redes industriales que más utiliza en el trabajo?

(Marque todos los que apliquen)

Bitbus CAN Lon Works MACRO Profibus

SERCOS World FIP Otros:

5. ¿Por qué utiliza más esos estándares?Convenio entre compañías Expertos o Certificados en ese tipoOtras:

IV

6. Utiliza métodos para tener redundancia en sus instalaciones?

Si No

7. En caso de ser afirmativa su respuesta anterior que métodos utiliza?

8. Para usted que tan importante es contar con redundancia en sus instalaciones?

Muy Importante 1 2 3 4 5 6 Irrelevante

9. ¿Ha utilizado el medio de comunicación inalámbrico para alguna de sus instalaciones?

Si No

10. ¿Ha tenido problemas con la tecnología inalámbrica?

Si No

11. Si los ha tenido, ¿cuáles son los problemas más comunes de esta tecnología?

12. En alguna de sus implementaciones de red industrial, ¿ha mezclado la red ethernet deoficina con la ethernet industrial?

Si No

13. Si lo ha hecho, ¿Por qué lo hizo en esa ocasión?

Selección de Tecnología

14. Cuando tiene que seleccionar los componentes para una red industrial, ¿cuáles son losfactores en los que basa su decisión? (Marque todos los que apliquen)Costo Evitar interferencias del Ambiente Estandarización en la PlantaReducir gastos de instalación Otros:

V

15. Acomode los siguientes factores en orden de importancia 1 al 4 al realizar la selección de

tecnología:

Costo

AmbienteInstalación

Estandarización

16. ¿Utiliza algún método o proceso para seleccionar los componentes en el diseño de redesindustriales?

Si No

17. Si lo utiliza mencione ¿cuál es? (si no es un método documentado, descríbalo brevemente)

18. ¿Le parecería útil una metodología para la selección de tecnología en redes industriales?

Si No

19. En caso de ser afirmativa su respuesta anterior ¿Por qué le parecería útil?

20. Seria posible saber algunos datos sobre algún proyecto de automatización que haya realizadopara poder implementar una nueva metodología de selección de tecnología en redes industriales?Si No

21. De ser positiva su última respuesta por favor escriba su correo electrónico para contactarlo.

VI

Anexo BA continuación se muestra la entrevista específica realizada al ingeniero que nos apoyo en la

investigación de campo aportando su experiencia y los datos de un caso real.

1. ¿Cuando es necesario hacer una selección de bus de campo aparte de en las nuevas

instalaciones?

2. ¿Cómo toman las decisiones para seleccionar la tecnología de red en los buses de campo que

implementan? ¿Utilizan alguna metodología?

3. ¿Qué tanto es la dependencia del tipo de proceso con la tecnología a usar?

4. Un bus de campo está integrado por varios aspectos importantes que tienen que ser tomados en

cuenta a la hora de su selección. ¿Cuales consideraría usted que son los más importantes y qué

importancia en porcentaje les daría?

5. Cuando tienen interacción con sus clientes, ¿Es común que tengan conocimiento sobre las

tecnologías actuales para automatización?

6. Nos puede dar una descripción de algún proceso en el cual haya tenido que seleccionar el bus de

campo, su forma en la que tomo la decisión y la decisión final.

Vil

Glosario de Términos, Abreviaturas y AcrónimosANSÍ, (Instituto de Estándares Nacionales Americanos)

CNC, (Computer Numerical Control)

CA, (Colusión Avoidance)CD, (Colusión Detection)

CDMA, (Code División Múltiple Access)

CSMA, (Carrier Sense Múltiple Access)E/S, Entrada/SalidaIEA, (Asociación de Industrias Eléctricas)

IEC, (International Electrotechnical Commission)

IEEE, (Institute of Electrical and Electronics Engineers)

ISA, (Instrument Society of America)

PLC, (Programmable Logic Controller)Polling, Muestreo consecutivo con un lapso de tiempo definido entre muestras.Protocolo, Conjunto de reglas y o estándares acordados previamente

QoS, (Quality of Service) ServicioThroughput, Tasa de transferencia en bits/segundo efectivaToken, Forma de controlar el acceso al medio, estableciendo comunicación solo cuando se tenga la

moneda simbólica que significa el turno de transmitirUTP, (Unshielded Twisted Pair) Tipo de cable utlizado normalmente en instalaciones de red de datos.VLAN, (Virtual Logic Área Network) Segmento lógico en la redWifi, (Wireless Fidelity) Estándar comercial que identifica los dispositivos compatibles con la

tecnología 802.11a/b/gWLAN, (Wireless Local Área Network)

VIII

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IX

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