Mechanical Engineering ,

El inicio de la tercera revoluci´on industrial, que seg´un [35] empez´o en el 2006, tiene como uno de sus cimientos los sistemas de comunicaciones. Una de las posibles razones de esto es que hoy d´ıa los sistemas de comunicaciones, en especial las redes, han alcanzado un nivel de ubicuidad. Hoy d´ıa en una gran cantidad de dispositivos hay tarjetas y adaptadores los cuales permiten la conexi´on de los mismos a distintos tipos de redes. Los equipos utilizados en los sistemas de control no se quedan atr´as a la hora de seguir esta tendencia. En la actualidad la gran mayor´ıa de equipos de medici´on y control se conectan entre s´ı formando redes de equipos. A las tecnolog´ıas de red que se utilizan para conectar dispositivos en un sistema de control y automatizaci´on (ver Figura 1.12 para entender c´omo est´an estructurados) se les llama buses de campo.Antes de continuar, es necesario contar brevemente la historia de como los dispositivos de control llegaron a ese enfoque de conectividad.

En la d´ecada de los 70, aparecieron las primeras implementaciones de sistemas de con- trol que utilizaban redes de comunicaciones los cuales no fueron muy populares en un principio. Sin embargo, en la d´ecada de los 80 las implementaciones que utilizaban redes de comunicaciones ganaron aceptaci´on y se utilizaban principalmente para comunicar los PLC, los computadores del cuarto de control y las interfaces de usuario (HMI) re- motas. Esto permiti´o descentralizar los equipos de control que antes se ubicaban en su totalidad dentro de los cuartos de control. Ahora, esos dispositivos pod´ıan distribuirse en toda el sitio (ver Figura1.12) y comunicarse utilizando una red; a estos sistemas se les denomina sistemas de control distribuido (DCS). Pese a la aceptaci´on de las redes locales en los sistemas de control durante esta d´ecada, aun los instrumentos de medici´on y control se conectaban directamente a los PLC [3]. Tecnolog´ıas de conexi´on punto a punto an´alogas como 4-20 mA eran muy populares. Por ´ultimo, en la d´ecada de los 90, se empezaron a utilizar de forma masiva los buses de campo que contemplan el uso de redes a nivel de dispositivos, no solo a nivel de PLCs, computadores e interfaces de usuario (nivel de host, ver secci´on 1.5) [3].

• Los dispositivos, antes de la aparici´on de los buses de campo, no eran capaces de transmitir una cantidad de informaci´on significativa. Por ejemplo, la salida de los instrumentos de medici´on, por lo general, era una se˜nal an´aloga de corriente o de Voltaje que entraba directamente a un PLC o a una tarjeta de medici´on. Con la integraci´on de los dispositivos de medici´on y de control en una red de comunicaciones, hoy en d´ıa es posible obtener informaci´on de diagn´ostico de los equipos. Adem´as es posible configurarlos remotamente por medio utilizando el canal de comunicaci´on establecido por el bus de campo.

• El cableado y la complejidad dificultaban la implementaci´on y el mantenimiento de sistemas complejos de control. Las plantas de proceso modernas pueden tener cientos o miles de dispositivos conectados haciendo que el cableado se vuelve com- plejo e indescifrable. Por esta raz´on surgieron estructuras basadas en buses de campo (fieldbus) ya que reducen el cableado y optimizan los recursos de la red. En la Figura1.14 se muestra un gabinete de control que implementa una soluci´on utilizando buses de campo y un gabinete que implementa la misma soluci´on sin utilizar buses de campo.

Figura 1.14: Implementaci´on de un sistema sin buses de campo (izquierda) y con buses de campo (derecha)

Se puede observar con claridad que el sistema que utiliza buses de campo posee un cableado mucho m´as sencillo y estructurado. Esto reduce los costos de imple- mentaci´on, el tiempo de implementaci´on, el tiempo de mantenimiento y la posi- bilidad de fallas humanas o fallas sistem´aticas.

• La transmisi´on de mediciones an´alogas no es confiable ya que las se˜nales pueden presentar alg´un tipo de interferencia. Las se˜nales digitales tienen un nivel mayor de inmunidad al ruido. En el est´andar IEEE 512 se clasifican las se˜nales seg´un su nivel de susceptibilidad al ruido [36].

• Los dispositivos se comunican utilizando est´andares de comunicaci´on o tecnolog´ıas de buses de campo abiertas; una tecnolog´ıa abierta es aquella que puede ser uti- lizada por cualquier fabricante, esto no significa que los archivos de desarrollo de la

misma sean gratuitos. De esta forma, en un sistema de control se pueden utilizar equipos de cualquier fabricante que cumpla con los est´andares.El est´andar IEC 61518 define las condiciones para que una tecnolog´ıa sea considerada un bus de campo.

1.4.1 Dispositivos inteligentes

La capacidad de comunicaci´on de los dispositivos concuerda y facilita la implementaci´on de dispositivos inteligentes. Cuando se habla de instrumentos inteligentes se hace a cualquier equipo de medici´on o de control que cumple con las siguientes condiciones[10]: • Posee elementos primarios y elementos de medici´on (ver Figura1.13) que incluyen

los ´ultimos avances tecnol´ogicos.

• Permite mostrar e integrar varias mediciones.

• Permite compensar efectos no deseados producidos por la aplicaci´on y con la . • Env´ıan diagn´osticos y alertas relacionados con su funcionamiento.

• Se pueden configurar y calibrar remotamente.

• Permiten al usuario seleccionar qu´e informaci´on desea ver.

Es necesario mencionar que no solo los dispositivos que utilizan buses de campo se clasifican como dispositivos inteligentes. Como alternativa a los buses de campo se encuentran protocolos como Hart que tambi´en permiten realizar una comunicaci´on con los equipos de un sistema de control.

1.4.2 Los buses de campo y el modelo OSI

En el a˜no de 1980 la IEC en conjunto con la ISO, emiti´o el est´andar ISO/IEC 7498- 1 el cual define el modelo OSI (Open System Interconnection). El objetivo de este modelo constituido por 7 capas es establecer una estructura que puede ser utilizada por cualquier red de comunicaciones. El ejemplo m´as famoso son las redes de computadores que implementan las 7 capas y que poseen protocolos para la comunicaci´on entre capas. En la Tabla 1.1se presenta una descripci´on general de cada una de las capas.

Los buses de campo solo implementan 3 capas del modelo a nivel de campo (ver secci´on

1.5). Las capas 3, 4, 5 y 6 se omiten porque no se requieren muchos de sus servicios, como la comunicaci´on entre redes utilizando direcciones, y porque los pocos servicios

N´umero Nombre de la capa Descripci´on

1 Capa f´ısica Hace referencia al Hardware.

2 Capa de enlace de datos En esta capa se establece la

conexi´on entre dispositivos.

3 Capa de red En esta capa se establecen las reglas

y los medios para comunicar varias redes entre s´ı.

4 Capa de transporte En esta capa se establecen reglas y

protocolos para el transporte de in- formaci´on. Aqu´ı se divide la infor- maci´on en paquetes, si se requiere, y se puede o no establecer conexiones que utilizan mensajes de Acknowl- edges para lograr una comunicai´on confiable.

5 Capa de sesi´on En esta capa se establecen las re-

glas y los medios para repartir la informaci´on que llega o que sale de varias aplicaciones que comparten el mismo stack de comunicaci´on.

6 Capa de presentaci´on En esta capa se prepara la infor-

maci´on que se va a pasar a las apli- caciones. Por ejemplo, a este nivel se puede encriptar o desencripatar informaci´on.

7 Capa de aplicaci´on Es la capa que sirve de interfaz entre

la red y las aplicaciones.

Tabla 1.1: Descripci´on de las capas que conforman el modelo OSI

que se necesitan pueden ser prestados en otras capas. En ocasiones implementan una capa adicional que est´a por encima de la capa de aplicaci´on conocida como la capa de usuario. Esta capa presta servicios que mejoran la interacci´on de los usuarios con las redes de dispositivos.

Como se ver´a en la siguiente secci´on, a nivel de host es com´un encontrar implementa- ciones de las 7 capas en los buses de campo.