Adquisición DAQ

Adquisición de datos

Control de Calidad: Universidad nacional De Piura. Ing. calderón.

Pdf. http://www.listamusical.com/mecatronica-clavijo/adquisicionDeDatosDAQQ.pdf

La adquisición de datos o adquisición de señales, consiste en la toma de muestras del mundo real (sistema analógico) para generar datos que puedan ser manipulados por un ordenador u otras electrónicas (sistema digital). Consiste, en tomar un conjunto de señales físicas, convertirlas en tensiones eléctricas y digitalizarlas de manera que se puedan procesar en una computadora o PAC. Se requiere una etapa de acondicionamiento, que adecua la señal a niveles compatibles con el elemento que hace la transformación a señal digital. El elemento que hace dicha transformación es el módulo de digitalización o tarjeta de Adquisición de Datos (DAQ).

Motores Paso A Paso

Tutorial sobre Motores Paso a Paso (Stepper motors)

Los motores paso a paso son ideales para la construcción de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos.
La característica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique. Este paso puede variar desde 90° hasta pequeños movimientos de tan solo 1.8°, es decir, que se necesitarán 4 pasos en el primer caso (90°) y 200 para el segundo caso (1.8°), para completar un giro completo de 360°.
Estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posición o bien totalmente libres. Si una o más de sus bobinas está energizada, el motor estará enclavado en la posición correspondiente y por el contrario quedará completamente libre si no circula corriente por ninguna de sus bobinas.
En este capítulo trataremos solamente los motores P-P del tipo de imán permanente, ya que estos son los mas usados en robótica.

Principio de funcionamiento

Básicamente estos motores están constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto número de bobinas excitadoras bobinadas en su estator.

Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imán permanente. Toda la conmutación (o excitación de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador.

Imagen del rotor 

Imagen de un estator de 4 bobinas

Existen dos tipos de motores paso a paso de imán permanente:

               

• Bipolar: Estos tiene generalmente cuatro cables de salida (ver figura 1). Necesitan ciertos trucos para ser controlados, debido a que requieren del cambio de dirección del flujo de corriente a través de las bobinas en la secuencia apropiada para realizar un movimiento.          En figura 3 podemos apreciar un ejemplo de control de estos motores mediante el uso de un puente en H (H-Bridge). Como se aprecia, será necesario un H-Bridge por cada bobina del motor, es decir que para controlar un motor Paso a Paso de 4 cables (dos bobinas), necesitaremos usar dos H-Bridges iguales al de la figura 3 . El circuito de la figura 3 es a modo ilustrativo y no corresponde con exactitud a un H-Bridge. En general es recomendable el uso de H-Bridge integrados como son los casos del L293 (ver figura 3 bis).

  

 

• Unipolar: Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida, dependiendo de su conexionado interno (ver figura 2). Este tipo se caracteriza por ser más simple de controlar. En la figura 4 podemos apreciar un ejemplo de conexionado para controlar un motor paso a paso unipolar mediante el uso de un ULN2803, el cual es una array de 8 transistores tipo Darlington capaces de manejar cargas de hasta 500mA. Las entradas de activación (Activa A, B , C y D) pueden ser directamente activadas por un microcontrolador.

Secuencias para manejar motores paso a paso Bipolares

Como se dijo anteriormente, estos motores necesitan la inversión de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada. Cada inversión de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso, cuyo sentido de giro está determinado por la secuencia seguida.

A continuación se puede ver la tabla con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares:

PASO	TERMINALES
	A	B	C	D
1	+V	-V	+V	-V
2	+V	-V	-V	+V
3	-V	+V	-V	+V
4	-V	+V	+V	-V

Secuencias para manejar motores paso a paso Unipolares

Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores, las cuales se detallan a continuación. Todas las secuencias comienzan nuevamente por el paso 1 una vez alcanzado el paso final (4 u 8). Para revertir el sentido de giro, simplemente se deben ejecutar las secuencias en modo inverso.

Secuencia Normal: Esta es la secuencia más usada y la que generalmente recomienda el fabricante. Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas, se obtiene un alto torque de paso y de retención.

PASO	Bobina A	Bobina B	Bobina C	Bobina D
1	ON	ON	OFF	OFF
2	OFF	ON	ON	OFF
3	OFF	OFF	ON	ON
4	ON	OFF	OFF	ON

A continuación se puede apreciar la secuencia animada en modo normal:

Secuencia del tipo wave drive: En esta secuencia se activa solo una bobina a la vez. En algunos motores esto brinda un funcionamiento mas suave. La contrapartida es que al estar solo una bobina activada, el torque de paso y retención es menor.

PASO	Bobina A	Bobina B	Bobina C	Bobina D
1	ON	OFF	OFF	OFF
2	OFF	ON	OFF	OFF
3	OFF	OFF	ON	OFF
4	OFF	OFF	OFF	ON

A continuación se puede apreciar la secuencia animada en modo wave drive:

Secuencia del tipo medio paso: En esta secuencia se activan las bobinas de tal forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real. Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y así sucesivamente. Como vemos en la tabla la secuencia completa consta de 8 movimientos en lugar de 4.

PASO	Bobina A	Bobina B	Bobina C	Bobina D
1	ON	OFF	OFF	OFF
2	ON	ON	OFF	OFF
3	OFF	ON	OFF	OFF
4	OFF	ON	ON	OFF
5	OFF	OFF	ON	OFF
6	OFF	OFF	ON	ON
7	OFF	OFF	OFF	ON
8	ON	OFF	OFF	ON

A continuación se puede apreciar la secuencia animada en modo medio paso:

Como comentario final, cabe destacar que debido a que los motores paso a paso son dispositivos mecánicos y como tal deben vencer ciertas inercias, el tiempo de duración y la frecuencia de los pulsos aplicados es un punto muy importante a tener en cuenta. En tal sentido el motor debe alcanzar el paso antes que la próxima secuencia de pulsos comience. Si la frecuencia de pulsos es muy elevada, el motor puede reaccionar en alguna de las siguientes formas:

• Puede que no realice ningún movimiento en absoluto.
• Puede comenzar a vibrar pero sin llegar a girar.
• Puede girar erráticamente.
• O puede llegar a girar en sentido opuesto.

Para obtener un arranque suave y preciso, es recomendable comenzar con una frecuencia de pulso baja y gradualmente ir aumentándola hasta la velocidad deseada sin superar la máxima tolerada. El giro en reversa debería también ser realizado previamente bajando la velocidad de giro y luego cambiar el sentido de rotación.

Una referencia importante:
Cuando se trabaja con motores P-P usados o bien nuevos, pero de los cuales no tenemos hojas de datos. Es posible averiguar la distribución de los cables a los bobinados y el cable común en un motor de paso unipolar de 5 o 6 cables siguiendo las instrucciones que se detallan a continuación:

      

1. Aislando el cable(s) común que va a la fuente de alimentación:Como se aprecia en las figuras anteriores, en el caso de motores con 6 cables, estos poseen dos cables comunes, pero generalmente poseen el mismo color, por lo que lo mejor es unirlos antes de comenzar las pruebas.

Usando un tester para chequear la resistencia entre pares de cables, el cable común será el único que tenga la mitad del valor de la resistencia entre ella y el resto de los cables.
Esto es debido a que el cable común tiene una bobina entre ella y cualquier otro cable, mientras que cada uno de los otros cables tienen dos bobinas entre ellos. De ahí la mitad de la resistencia medida en el cable común.
2.Identificando los cables de las bobinas (A, B, C y D): aplicar un voltaje al cable común  (generalmente 12 volts, pero puede ser más o menos) y manteniendo uno de los otros cables a masa (GND) mientras vamos poniendo a masa cada uno de los demás cables de forma alternada y observando los resultados.
El proceso se puede apreciar en el siguiente cuadro:

Seleccionar un cable y conectarlo a masa. Ese será llamado cable A.
Manteniendo el cable A conectado a masa, probar cuál de los tres cables restantes provoca un paso en sentido antihorario al ser conectado también a masa. Ese será el cable B.
Manteniendo el cable A conectado a masa, probar cuál de los dos cables restantes provoca un paso en sentido horario al ser conectado a masa. Ese será el cable D.
El último cable debería ser el cable C. Para comprobarlo, basta con conectarlo a masa, lo que no debería generar movimiento alguno debido a que es la bobina opuesta a la A.

Nota: La nomenclatura de los cables (A, B, C, D) es totalmente arbitraria.

Identificando los cables en Motores P-P Bipolares:


Para el caso de motores paso a paso bipolares (generalmente de 4 cables de salida), la identificación es más sencilla. Simplemente tomando un tester en modo ohmetro (para medir resistencias), podemos hallar los pares de cables que corresponden a cada bobina, debido a que entre ellos deberá haber continuidad (en realidad una resistencia muy baja). Luego solo deberemos averiguar la polaridad de la misma, la cual se obtiene fácilmente probando. Es decir, si conectado de una manera no funciona, simplemente damos vuelta los cables de una de las bobinas y entonces ya debería funcionar correctamente. Si el sentido de giro es inverso a lo esperado, simplemente se deben invertir las conexiones de ambas bobinas y el H-Bridge.

Para recordar

Un motor de paso con 5 cables es casi seguro de 4 fases y unipolar.

Un motor de paso con 6 cables también puede ser de 4 fases y unipolar, pero con 2 cables comunes para alimentación. pueden ser del mismo color.

Un motor de pasos con solo 4 cables es comúnmente bipolar.

Servo Motor - Calculos

"Servomotor"

Un servomotor (también llamado Servo) es un dispositivo similar a un motor de corriente continua, que tiene la capacidad de ubicarse en cualquier posición dentro de su rango de operación, y mantenerse estable en dicha posición. Está conformado por un motor, una caja reductora y un circuito decontrol. Los servos se utilizan frecuentemente en sistemas de radio control y en robótica, pero su uso no está limitado a estos. Es posible modificar un servomotor para obtener un motor de corriente continua que, si bien ya no tiene la capacidad de control del servo, conserva la fuerza, velocidad y baja inercia que caracteriza a estos dispositivos.

Un servo normal o Standard tiene 3kg por cm. de torque que es bastante fuerte para su tamaño. También potencia proporcional para cargas mecánicas. Un servo, por consiguiente, no consume mucha energía.

La corriente que requiere depende del tamaño del servo. Normalmente el fabricante indica cual es la corriente que consume. Eso no significa mucho si todos los servos van a estar moviéndose todo el tiempo. La corriente depende principalmente del par, y puede exceder un amperio si el servo está enclavado.

TIPOS DE SERVOMOTORES

Hay tres tipos de servomotores:

-Servomotores de CC

-Servomotores de AC

-Servomotores de imanes permanentes o Brushless.

PARTES DE UN SERVOMOTOR

Figura 2: "Estructura típica"

• Motor de corriente continua

Es el elemento que le brinda movilidad al servo. Cuando se aplica un potencial a sus dos terminales, este motor gira en un sentido a su velocidad máxima. Si el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso, el sentido de giro también se invierte.

• Engranajes reductores

Se encargan de convertir gran parte de la velocidad de giro del motor de corriente continua en torque.

• Circuito de control

Este circuito es el encargado del control de la posición del motor. Recibe los pulsos de entrada y ubica al motor en su nueva posición dependiendo de los pulsos recibidos.

Figura 3: "Circuito de control"

Tiene además de los circuitos de control un potenciómetro conectado al eje central del motor. Este potenciómetro permite a la circuitería de control, supervisar el ángulo actual del servo motor. Si el eje está en el ángulo correcto, entonces el motor está apagado. Si el circuito chequea que el ángulo no es correcto, el motor volverá a la dirección correcta, hasta llegar al ángulo que es correcto. El eje del servo es capaz de llegar alrededor de los 180 grados. Normalmente, en algunos llega a los 210 grados, pero varía según el fabricante. 

Un servo normal se usa para controlar un movimiento angular de entre 0 y 180 grados. Un servo normal no es mecánicamente capaz de retornar a su lugar, si hay un mayor peso que el sugerido por las especificaciones del fabricante.

Los servomotores tienen 3 terminales:

• Terminal positivo: Recibe la alimentación del motor (4 a 8 voltios)
• Terminal negativo: Referencia tierra del motor (0 voltios)
• Entrada de señal: Recibe la señal de control del motor

Los colores del cable de cada terminal varían con cada fabricante: el cable del terminal positivo siempre es rojo; el del terminal negativo puede ser marrón o negro; y el del terminal de entrada de señal suele ser de color blanco, naranja o amarillo.

Figura 4: "Conexión externa del servo"

CÁLCULOS

Dependiendo del modelo del servo, la tensión de alimentación puede estar comprendida entre los 4 y 8 voltios. El control de un servo se reduce a indicar su posición mediante una señal cuadrada de voltaje. El ángulo de ubicación del motor depende de la duración del nivel alto de la señal. Cada servo motor, dependiendo de la marca y modelo utilizado, tiene sus propios márgenes de operación. Para el servomotor Futaba S3003, los valoresposibles de la señal en alto están entre 0,3 y 2,1 ms, que posicionan al motor en ambos extremos de giro (0° y 180°, respectivamente). El valor 1,2 ms indica la posición central, y otros valores de duración del pulso dejarían al motor en la posición proporcional a dicha duración.

Es sencillo notar que, para el caso del motor anteriormente mencionado, la duración del pulso alto para conseguir un ángulo de posición θ estará dada por la fórmula

t = 0,3 + θ/100

Donde t está dado en milisegundos y θ en grados.

Duración del nivel alto [ms]	Ángulo [grados]
0,3	0
1,2	90
2,1	180
0,75	45

Tabla1.:" Ejemplos de algunos valores usados en un servomotor"

Para bloquear el servomotor en una posición, es necesario enviarle continuamente una señal con la posición deseada. De esta forma el servo conservará su posición y se resistirá a fuerzas externas que intenten cambiarlo de posición. Si los pulsos no se envían, el servomotor queda liberado, y cualquier fuerza externa puede cambiarlo de posición fácilmente.

Tabla 2:" Características técnicas de algunas marcas de servo"

FUNCIONAMIENTO DEL SERVO

La modulación por anchura de pulso, PWM (Pulse Width Modulation), es una de los sistemas más empleados para el control de servos. Este sistemaconsiste en generar una onda cuadrada en la que se varía el tiempo que el pulso está a nivel alto, manteniendo el mismo período (normalmente), con elobjetivo de modificar la posición del servo según se desee.

Figura 5: "PWM para recorrer todo el rango de operación del servo"

El sistema de control de un servo se limita a indicar en que posición se debe situar. Esto se lleva a cabo mediante una serie de pulsos tal que la duración del pulso indica el ángulo de giro del motor. Cada servo tiene sus márgenes de operación, que se corresponden con el ancho del pulso máximo y mínimo que el servo entiende. Los valores más generales se corresponden con pulsos de entre 1 ms y 2 ms de anchura, que dejarían al motor en ambos extremos (0º y 180º). El valor 1.5 ms indicaría la posición central o neutra (90º), mientras que otros valores del pulso lo dejan en posiciones intermedias. Estos valores suelen ser los recomendados, sin embargo, es posible emplear pulsos menores de 1 ms o mayores de 2 ms, pudiéndose conseguir ángulos mayores de 180°. Si se sobrepasan los límites de movimiento del servo, éste comenzará a emitir un zumbido, indicando que se debe cambiar la longitud del pulso. El factor limitante es el tope del potenciómetro y los límites mecánicos constructivos.

Figura 6: "Ejemplos de posicionamiento de un servo"

El período entre pulso y pulso (tiempo de OFF) no es crítico, e incluso puede ser distinto entre uno y otro pulso. Se suelen emplear valores ~ 20 ms (entre 10 ms y 30 ms). Si el intervalo entre pulso y pulso es inferior al mínimo, puede interferir con la temporización interna del servo, causando un zumbido, y la vibración del eje de salida. Si es mayor que el máximo, entonces el servo pasará a estado dormido entre pulsos. Esto provoca que se mueva con intervalos pequeños.

Figura 7: "Periodos entre pulsos"

A continuación se puede observar la posición del eje de un servomotor según la anchura del pulso aplicada:

Figura 8: "Otra posibilidad de pulsos de control"

PRUEBA DEL SERVOMOTOR

Para comprobar el funcionamiento de un servomotor se lo puede hacer mediante un circuito oscilador en este caso un 555, logrando así determinar los tiempos necesarios para el funcionamiento de este para que luego puede ser programado en un microcontrolador.

Figura 9: "Circuito de prueba del servo"

MODIFICACIÓN DE LOS SERVOS

Es posible modificar un servo motor para eliminar su restricción de giro y permitirle dar giros completos. Esto, sin embargo, convierte al servo motor en un motor de corriente continua normal, pues es necesario eliminar el circuito de control. Debido que los engranajes reductores se conservan luego de la modificación, el motor obtenido mantiene la fuerza y velocidad que tenían servo inicial. Además, poseen la ventaja de que tienen menos inercia que los motores de corriente continua comerciales, lo que los hace útiles para ciertas aplicaciones.

APLICACIONES

En la práctica, se usan servos para posicionar superficies de control como el movimiento de palancas, pequeños ascensores y timones. Ellos también se usan en radio control, títeres, y por supuesto, en robots.

Figura 10: "Aplicaciones en robotica"

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

• Mucha atención en las tierras. La tierra del servo debe concordar con la tierra de la fuetes y del sistema que envía las ordenes al servo
• Si usas cables demasiado largos para controlar tus servos, es probable que tengas ruido en los servos, esto ocurre porque mientras más largo es el cable resulta más vulnerable a ruido electromagnético e incluso es perturbado por señales de otros servos. Esto se soluciona utilizando cable blindado, solo recuerda aterrizar el blindaje.
• Un servo en operación normal no se debe de calentar.
  Siempre que sea posible utiliza fuentes de voltaje separadas para tus servomotores y para tu electrónica digital. los servomotores generan bastante ruido hacia su línea de alimentación. Los servos también envejecen con el uso.

REFERENTES BIBLIOGRÁFICAS

• RASHID M. H, Electrónica de Potencia, Prentice Hall.
• Electrónica y Automática Industriales, Marcombo.
• http://es.wikipedia.org/wiki/Servomotor
• http://www.ime.eb.br/~pinho/micro/trabalhos/Robot_Bioins_I.pdf

Autor:

Yamid Ramirez

Marco Lema

Marlon Idrovo

PRESENTADO A: ING. OMAR ÁLVAREZ

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA

FACULTAD DE INGENIERÍAS

CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

MAQUINAS ELÉCTRICAS II

CUENCA - ECUADOR

Redes Industriales

REDES DE COMUNICACIONES INDUSTRIALES

Edwuis Romero

Tecnoconsult Ingenieros Consultores. Apartado 50861. Caracas 1050A. Venezuela

Resumen

En la búsqueda de la integración de las comunicaciones industriales, fueron desarrolladas las Redes de Comunicaciones Industriales (RCI). Las R.C.I, tienen su origen en los estudios efectuados por la fundación FielBus, que buscaba la creación y desarrollo de esquemas de comunicaciones universales y de arquitectura abierta.

La red Profibus esta basada en los estándares de FielBus, realiza el proceso de adquisición de datos y los transmite a niveles gerenciales, pudiendo comunicarse a través de Ethernet y realizar aplicaciones en Novell Net o TCP/IP en paralelo y sin producir interferencia entre ellas.

El medio físico que soporta a Profibus esta integrado por una Red Eléctrica (cable bifilar trenzado), Red óptica (cable de fibra óptica) o una combinación de ambas.

Abstract

Industrial Communications Networks (RCI) were developed in the search of integration of industrial communications. R.C.I has its origin in the studies made by the FielBus foundation that looked for the creation and development of outlines of universal communications and of open architecture.

The Profibus network is based on the standards of FielBus. It carries out the process of data acquisition and transmits them to managerial levels, being able to communicate through Ethernet and to carry out applications in Novell Net or TCP/IP in parallel and without producing interference among them.

The physical media that supports Profibus includes an Electrical Network (two-conductor braided cable), optical Network (fiber optic cable) or a combination of both.

INTRODUCCION

Las redes de comunicaciones industriales deben su origen a la fundación FielBus (Redes de campo). La fundación FielBus, desarrollo un nuevo protocolo de comunicación, para la medición y control de procesos donde todos los instrumentos puedan comunicarse en una misma plataforma. FielBus permite disponer de una nueva tecnología para una nueva generación de sistemas de control y automatización, físicamente más simple, donde toda la rutina de control regulatorio y control lógico, es efectuado por dispositivos de campos, posibilitando además una arquitectura abierta donde cualquier fabricante de equipos de instrumentación pueda integrarse a la red de campo existen en una fabrica o empresa (Marcos Peluso, 1994).

La gran mayoría de los fabricantes de instrumentos han anunciado la posibilidad de desarrollar productos basados en las especificaciones de la fundación FielBus (Henrry Caro, 1997). En este momento existen los desarrollos liderizados por organizaciones que agrupan a ciertos fabricantes, que en algunos casos tuvieron como punto de partida estándares establecidos en algunos países. Entre estos tenemos a Profibus, WorldFip y LonWorks que poseen como principal ventaja su amplia base instalada. Este trabajo estudiara el estándar Profibus, ya que esta siendo usado en el proyecto "Minera Loma de Níquel" desarrollado conjuntamente las empresas MINORCA y TECNOCOSULT.

PROFIBUS : Totalmente normalizado y con proyección a futuro.

En las fabricas muchos componentes como (válvulas, actuadores, accionamiento, transmisores etc..), por lo general operan muy distante de las computadoras o autómatas. Por ello, hoy en día en el área de campo (espacio físico donde se efectúa el proceso de la fabrica) se instalan unidades periféricas descentralizadas (estaciones remotas de entradas y salidas); estas constituyen por así decir, la avanzada inteligente in situ.

Estas estaciones remotas deben comunicarse a través de un bus de comunicación con los computadoras ubicados en las diferentes salas de control, para así conocer como esta funcionando la planta.

Los usuarios (industrias o fabricas) requieren un sistema de bus de campo con las siguientes características:

1. Aptitud universal para los mas distintos equipos, sectores y aplicaciones.


2. Normalización en ISO, DIN u organismo de normalización semejante.

La aptitud universal del bus de campo reduce los costos de ingeniería en los sistemas de control, ya que los usuarios no deben ampliar su propio know-how para distintos sistemas.

El primer bus de campo que cumple este requisitos es el PROFIBUS. Normalizado con EN 50 170, tomo 2, norma PROFIBUS, este bus ofrece interfaces de usuario tanto para comunicaciones rapidas con dispositivos de campo, por ejemplo estaciones perifericas o descentralizadas o accionamientos, como para un amplio intercambio de dato entre equipos maestros.

La rápida difusión del PROFIBUS pone de manifiesto la elevada aceptación entre los usuarios.

El PROFIBUS esta optimizado para el nivel de campo, lo cual pone de manifiesto también sus distintas interfaces de usuario (ver tabla No.1):

1. PROFIBUS-FMS:ofrece servicio de usuario estructurados (semejantes al MMS) para la comunicación abierta en pequeñas células (valores caracteristicos de 10-15 equipos de automatización como autómatas SIMATIC o PCs). En estas configuraciones, lo principal es el voluminoso intercambio de información y no el tiempo de respuesta de los mismos.




2. PROFIBUS-DP: Es la interfaz de usuario para el acoplamiento de dispositivos de campo(por ejemplo, accionamiento, estaciones periféricas descentralizadas ET200, isletas de válvulas).




3. PROFIBUS-PA: Se utiliza para la automatización de procesos en recintos expuestos al peligros de explosiones (áreas clasificadas).El proceso de transmisión cumple la norma internacional IEC 1158-2, el perfil de protocolo es PROFIBUS FMS(Siemens, Catálogo IK 10, 1997).

El PROFIBUS ofrece, además de ello el interfaz optimizado SEND/RECEIVE para permitir una sencilla comunicación entre sistemas SIMATIC(equipos autómatas (fabricados por SIEMENS).

Al igual que en el industrial Ethernet, también PROFIBUS, permite la creación de una red con cable bifilar o cables de fibra óptica.

Tabla No.1. Resumen del campo de aplicación de protocolos Profibus

Protocolo	Aplicable Para	Interfaces de usuario
FMS	SIMATIC S5/S7,PG / PC, HMI	Funcionalidad elevada
DP	Dispositivo de campo binario y analógicos inteligentes.	Optimizada para comunicaciones con disp. de campo
SEND/RECEIVE	SIMATIC S5/S7,PG / PC, HMI	Funcionalidad elemental
Funciones S7	SIMATIC S7,PG/PC, HMI	Funcionalidad elevada para com. Con SIMATIC S7

FUNCIONES DEL PROFIBUS

El método de acceso a PROFIBUS funciona por el procedimiento "Token Passing con maestro-esclavo subyacente" según EN 50 170, tomo 2. En este método se distingue entre aparatos (estaciones) de red activos y pasivos. El "Token" lo reciben únicamente los aparatos activos acoplados al bus. Este Token es el derecho a emisión que un aparato activo acoplado al bus transmite al siguiente dentro de un período de tiempo predefinido.

Se identifica automáticamente si ha fallado un aparato acoplado al bus o si se ha incorporado un aparato más. Todos los aparatos que integran la red deben estar configurados a idéntica velocidad de transmisión.

CONSTRUCCION

Profibus ofrece un amplio espectro de componentes de red para sistemas de transmisión eléctricos y ópticos.

1. Red eléctrica: La red eléctrica utiliza un cable bifilar trenzado apantallado como medio de transmisión. La Interfaz RS 485 funciona con diferencia de tensión. Por este motivo, es más inmune a las interferencias que una interfaz de tensión o de corriente. En PROFIBUS los aparatos pertenecientes al bus están conectados a éste a través de un terminal de bus o un conectador de conexión a bus (máximo 32 equipos acoplados por segmento). Los distintos segmentos se conectan a través de repetidores.


La velocidad de transmisión puede configurarse por nivel desde 9.6 Kbits/seg hasta 1.5 Mbits/seg según PROFIBUS para aplicaciones en DFP.


2. Red óptica: La red óptica de PROFIBUS, utiliza un cable de fibra óptica como medio de transmisión. La variante del cable de fibra óptica es inmune a las interferencias electromagnéticas, es apta para grandes distancias de transmisión (cables de fibra opcionalmente de plástico o vidrio).


La velocidad de transmisión puede configurarse por niveles desde 9.6 Kbits/seg hasta 1.5 Mbits/seg. (según EN 50 170, tomo 2, PROFIBUS).
La longitud máxima de segmento en la variante óptica del PROFIBUS es independiente de la velocidad de transmisión (excepción anillos ópticos redundantes.)
La configuración de las redes de fibra óptica se realiza mediante OLMs (Optical Link Module) con cable de fibra óptica de vidrio o de plástico.
Con OLMs es posible crear una red óptica con topología lineal, en anillo o en estrella.
Con la ayuda de OLPs (Optical Link Plugs) se puede realizar anillos monofásicos sencillos de plástico.
El aparato terminal se conecta directamente a OLM u OLP. La conexión de aparatos terminales a OLP se realiza únicamente con estaciones pasivas PROFIBUS (esclavos DP/FMS).
Los anillos ópticos pueden configurase como anillos monofásicos (económicos) o como anillos bifásicos (superior disponibilidad de la red).
3. Red combinada: Son posibles estructuras mixtas de red PROFIBUS eléctrica y óptica.

La transición entre ambos soportes se realiza a través del OLM.

En la comunicación entre los aparatos acoplados al bus no existe ninguna diferencia entre los que están interconectados a través de un sistema eléctrico y lo que están a través de fibra óptica. Como máximo pueden conectarse 127 aparatos a una red PROFIBUS (Siemens, Catálogo, IK 10, 1997).

PROFIBUS CON INDUSTRIAL ETHERNET:

Industrial Ethernet es un sistema de bus, basado en IEEE 802.3, apto para la industria. Diseñada para la industria, esta red se caracteriza por:

1. Conexión de sistemas de automatización entre si y con PC y Workstations para lograr una comunicación homogénea y heterogénea.


2. Posibilidad de realizar amplias soluciones mediante redes abiertas.


3. Elevado rendimiento de transmisión


4. Diferentes soportes de transmisión (cable triaxial, par trenzado industrial, cable de fibra óptica)

FUNCIONES

La red Industrial Ethernet funciona por el método de acceso normalizado CSMA/CD (carrier sense multiple access with collision detection) en la norma IEEE 802.3. Industrial ofrece una amplia gama de componentes de red para sistema de transmisión eléctricos y ópticos.

CONSTRUCCION

1. Red Eléctrica: La red eléctrica emplea como soporte de transmisión la clásica estructura de bus con un cable triaxial. Con electrical link modules (ELM) o industrial twisted Pair (ITP), ofrece una ampliación y alternativa al cableado convencional al bus para conexiones de terminales. Con la ayuda de acopladores en estrella activos pueden crearse redes radiales (en estrella) de bajo costo y según la IEEE802.3.


2. Red Optica: La variante óptica de la red industrial puede configurarse con topología lineal, radial o en estrella, realizada con optical link modules (OLM) o acopladores activos en estrella. Utiliza cable de fibra óptica como soporte de transmisión.Es posible realizar configuraciones de red con un alcance de hasta 4.5Km.


3. Red Combinada: Las redes eléctricas y ópticas pueden combinarse. Con ello es posible aprovechar las ventajas y posibilidades de configuración de ambos tipos de red a través de switches MultiLan MR 8-03, también es posible un acoplamiento tipo WAN a la red ISDN(RDSI).

Industrial Ethernet, puede realizar en paralelo aplicaciones para Novell Network o TCP/IP sin que se produzcan interferencias mutuas.

Con las interfaces industriales Ethernet, existe la posibilidad de utilizar simultáneamente en la red varios protocolos distintos. De esta manera resulta facil la transmisión entre las comunicaciones de producción y la de oficina(http://www.ad.siemens.com.simatic-cs).

Red Industrial Ethernet (jerarquía)

EL MODELO OSI DE 7 NIVELES. BASE FUNDAMENTAL DE LAS COMUICACIONES ABIERTAS.

Si el intercambio de datos entre sistemas de automatización se produce a través de un bus, es importante definir el sistema de transmisión y el procedimiento de acceso. Además, deben definirse informaciones, por ejemplo, sobre el establecimiento de las comunicaciones. Por este motivo, la Organización de Normalización Internacional (ISO), definió un modelo de siete niveles o capas (ver tabla No.2). Este modelo se subdivide en dos secciones(Siemens, Catálogo, IK 10, 1997):

1. Orientados al transporte (niveles 1-4)


2. Orientados al usuario(niveles 5-7)

TablaN.2 Resumen del modelo ISO

7	Nivel de aplicación.	Funciones de aplicaciones	Lectura, escritura Transferencia de archivos.
6	Nivel de presentación	Visualización de datos.	Lenguaje Común.
5	Nivel de sesión	Sincronización control de comunicaciones	Coordinación de la comunicación.
4	Nivel de transporte.	Establecimiento, terminación comunicación., confirmaciones	Transmisión asegurada de información bruta.
3	Nivel de red.	Direccionamiento de otras redes/interconexión de redes.	Comunicaciones entre redes.
2	Nivel de enlace de datos.	Procedimiento de acceso Transmisión asegurada	Comprobación, CRC, Token
1	Nivel físico.	Características físicas de la autorización de transmisión.	Cable coaxial, triaxial, fibra óptica
Niveles	Designación	Función	Característi-cas

CONCLUSIONES

Las redes de comunicación industrial, permiten conocer todo lo referente a un proceso industrial a través de las variables fundamentales medidas por instrumentos instalados en campo, permitiendo a la gerencia saber como está funcionando su empresa.

Además otro aspecto fundamental es que permite controlar a grandes distancia la planta. Para realizar el control y poder integrar cada uno de los instrumentos de campo es necesario tener un estándar para que puedan ellos comunicarse.

Profibus, basada en el estándar de la FielBus, permite acoplar diferentes equipos de marcas distintas. Puede formar diferente topología (estrella, bus lineal o token) y siempre con arquitectura abierta.

REFERENCIA

CARO. H, 1997. Sistemas basados en FielBus.

PELUSO, Marcos,1995,Conociendo FielBus.

SIEMENS, Simatic Net. Comunicaciones Industriales (Catálogo IK 10, 1998).

SIEMENS, Simatic Net. Redes de Comunicaciones Industriales (Catálogo IK 10, 1997).

SIEMENS, Simatic. Sistemas de Automatización Simatic, (Catálogo ST 70, 1996).

SIEMENS, PROFIBUS & AS-INTERFAZ Filbus componests (Catalog ST PI, 1996).

BIOGRAFIA

Edwuis Romero, Ingeniero de Sistemas, graduado el 21/07/97 en la UNEXPO, V-R "Luis Caballero Mejias".

TSU. en Eléctricidad en el año de 1991 en la UNEXPO, V-R "Luis Caballero Mejias".

Trabajo en Tecnoconsult Ingenieros, para el Proyecto "Minera Loma de Niquel".

Red Modbus/TCP con un ordenador y CUATRP PLC"S

MODICON 499 NES 181 00

Connexiun 8TX 10/100 SWITCH (Switch no gestionables)

La oferta ConneXium Industrial Ethernet comprende una familia completa de productos y herramientas necesaria para construir la infraestructura deuna red industrial Ethernet. Los switch de ConneXium permiten trabajar con las siguientes topologías:

A continuación se detallan algunas características de este modulo:

Tecnología	Ethernet 10/100 Mbit/s
Interfaces	8 puertos 10BASE-T/ 100BASE-TX con conectores RJ45 blindados
Tipos de conexión	Cable de par trenzado
Indicador de fallos	Una de las dos fuentes de alimentación ha fallado, fallo permanente en el switch, estado de conexión defectuosa de al menos un puerto TP, o al menos un puerto tiene partición automática.
Indicadores LED	P1, P2: alimentación, DA/ STAT 1 a DA/STAT 8: datos, colisión, segmentación y estado de conexión por puerto

• d. ORDENADOR

Este elemento servirá como maestro y principalmente para comprobar que la red esta operativa y funcionando correctamente. Se conecta a la red a través de su tarjeta de Red. Este contendrá el software requerido para la carga de programas al PLC así como la aplicación correspondiente a visualizar. No se precisa mayor información para este elemento debido que es de uso común.

Arquitectura de la red

• PROTOCOLO: MODBUS/TCP

Dado a las diversas prestaciones y beneficios que ofrece el Protocolo Modbus/TCP en las redes industriales es que se ha optado por él.

Modbus/TCP es un protocolo de comunicación diseñado para permitir a equipos industriales tales como PLCs, computadores, drivers para motores y otros tipos de dispositivos físicos de entrada/salida comunicarse sobre una red. Fue introducido por Schneider Automation como una variante de la familia de protocolos MODBUS, ampliamente usada para la supervisión y el control de equipo de automatización. Específicamente el protocolo define el uso de mensajes MODBUS en un entorno intranet o internet usando los protocolos TCP/IP.

La especificación Modbus/TCP define un estándar interoperable en el campo de la automatización industrial, el cual es simple de implementar para cualquier dispositivo que soporte sockets TCP/IP. Todas las solicitudes son enviadas vía TCP sobre el puerto registrado 502 y normalmente usando comunicación half-duplex sobre una conexión dada. Es decir, no hay beneficio en enviar solicitudes adicionales sobre una conexión única mientras una respuesta está pendiente.

Modbus/TCP básicamente encapsula una trama MODBUS dentro de una trama TCP en una manera simple como se muestra en la figura a continuación.

A continuación se citan sus principales características:

• Mecanismo de conexión:

MODBUS es un protocolo maestro/esclavo en el que cada solicitud del maestro es tratada de forma independiente por el esclavo, sin relación con las anteriores. Esto facilita proveer transacciones de datos resistentes a rupturas, requiriendo mínima información de recuperación para mantener una transacción en cualquiera de los dos terminales.

De otro lado, las operaciones de programación esperan una comunicación orientada a la conexión, es decir, las máquinas de origen y de destino deben establecer un canal de comunicaciones antes de transferir datos.

En Modbus/TCP una conexión se establece inicialmente en la capa de aplicación y esta única conexión puede llevar múltiples transacciones independientes. En Modbus/TCP se usa el protocolo orientado a la conexión TCP en lugar del protocolo orientado a datagramas UDP.

• Modelo de datos:

MODBUS basa su modelo de datos sobre una serie de tablas las cuales tienen características distintivas. Las cuatro principales son:

• Entradas discretas: bit único; suministradas por un sistema I/O (entrada/salida); de sólo lectura.
• Salidas discretas: bit único; alterable por un programa de aplicación; de lectura-escritura.
• Registros de entrada: 16 bits suministrados por un sistema I/O; de sólo lectura.
• Registros de salida: 16 bits, alterables por un programa de aplicación; de lectura-escritura.
• Filosofía de longitud:

Todas las solicitudes y respuestas MODBUS están diseñadas en tal forma que el receptor pueda verificar que un mensaje está completo. Cuando MODBUS es transportado sobre TCP, se adiciona información de longitud en el prefijo (o encabezado) para permitir al receptor reconocer los límitesdel mensaje, así el mensaje haya sido dividido en múltiples paquetes para la transmisión.

• Estructura del protocolo

Aquí se describe la forma general de encapsulación de una solicitud o respuesta MODBUS cuando es llevada sobre una red Modbus/TCP. Es importante anotar que la estructura del cuerpo de la solicitud y respuesta, desde el código de función hasta el fin de la porción de datos, tiene exactamente la misma disposición y significado como en las otras variantes MODBUS.

Todas las solicitudes son enviadas vía TCP sobre el puerto registrado 502. Las solicitudes normalmente son enviadas en forma half-duplex sobre una conexión dada. Es decir, no hay beneficio en enviar solicitudes adicionales sobre una única conexión mientras una respuesta está pendiente. Sin embargo, los dispositivos que desean obtener altas ratas de transferencia pueden establecer múltiples conexiones TCP al mismo destino.

El campo .dirección esclavo. de MODBUS es reemplazado por un byte .identificador de unidad. el cual puede ser usado para comunicar a través dedispositivos tales como puentes y gateways, los cuales usan una dirección IP única para soportar múltiples unidades terminales independientes.

Los mensajes de solicitud y respuesta en Modbus/TCP poseen un prefijo ó encabezado compuesto por seis bytes como se aprecia en la tabla.

Ref.

Ref.

00

00

00

Len.

"Estructura del prefijo de Modbus/TCP"

El ref. ref. anterior son los dos bytes del campo .referencia de transacción., un número que no tiene valor en el servidor pero son copiados literalmente desde la solicitud a la respuesta a conveniencia del cliente. Este campo se utiliza para que un cliente Modbus/TCP pueda establecer simultáneamente múltiples conexiones con diferentes servidores y pueda identificar cada una de las transacciones.

El tercer y cuarto campo del prefijo representan el identificador de protocolo, un número el cual debe ser establecido a cero.

El .len. especifica el número de bytes que siguen. La longitud es una cantidad de dos bytes, pero el byte alto se establece a cero ya que los mensajes son más pequeños que 256.

De esta forma, un mensaje Modbus/TCP completo posee una estructura como se muestra en la tabla:

Posición de Byte	Significado
Byte 0	Identificador de transacción. Copiado por el servidor- normalmente 0.
Byte 1	Identificador de transacción. Copiado por el servidor -normalmente 0.
Byte 2	Identificador de protocolo = 0.
Byte 3	Identificador de protocolo = 0.
Byte 4	Campo de longitud (byte alto) = 0.Ya que los mensajes son menores a 256.
Byte 5	Campo de longitud (byte bajo). Número de bytes siguientes.
Byte 6	Identificador de unidad (previamente *dirección esclavo*).
Byte 7	Código de función MODBUS.
Byte 8 a más	Los datos necesarios.

"Estructura de mensajes en Modbus/TCP"