{"id":34795,"date":"2019-10-31T22:00:25","date_gmt":"2019-10-31T19:00:25","guid":{"rendered":"https:\/\/prohoster.info\/blog\/shiny-i-protokoly-v-promyshlennoj-avtomatike-kak-vsyo-eto-rabotaet\/"},"modified":"2019-10-31T22:00:25","modified_gmt":"2019-10-31T19:00:25","slug":"shiny-i-protokoly-v-promyshlennoj-avtomatike-kak-vsyo-eto-rabotaet","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/prohoster.info\/es\/blog\/news\/shiny-i-protokoly-v-promyshlennoj-avtomatike-kak-vsyo-eto-rabotaet","title":{"rendered":"Buses y protocolos en automatizaci\u00f3n industrial: c\u00f3mo funciona todo esto","gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"text"}]},"content":{"rendered":"<p><img decoding=\"async\" alt=\"Buses y protocolos en automatizaci\u00f3n industrial: c\u00f3mo funciona todo esto\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2019\/05\/2072847391a081d49270ac70ee1fef88.png\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\n<br \/>\nSeguramente muchos de ustedes saben o incluso han visto c\u00f3mo se gestionan grandes objetos automatizados, como una planta nuclear o una f\u00e1brica con m\u00faltiples l\u00edneas tecnol\u00f3gicas: la acci\u00f3n principal a menudo ocurre en una gran sala, con una multitud de pantallas, luces y controles. Este complejo de gesti\u00f3n se llama normalmente G\u0421\u0423 \u2014 el panel de control principal para supervisar el objeto de producci\u00f3n. <\/p>\n<p>Seguramente se han preguntado c\u00f3mo funciona todo esto desde el punto de vista del hardware y del software, y en qu\u00e9 se diferencian estos sistemas de las computadoras personales habituales. En este art\u00edculo, analizaremos c\u00f3mo llegan diferentes datos al G\u0421\u0423, c\u00f3mo se env\u00edan comandos al equipo y qu\u00e9 se necesita para gestionar una estaci\u00f3n de compresores, una instalaci\u00f3n de producci\u00f3n de propano, una l\u00ednea de ensamblaje de autom\u00f3viles o incluso una estaci\u00f3n de bombas de alcantarillado.<br \/>\n<noindex><a rel=\"nofollow\" name=\"habracut\"><\/a><\/noindex><\/p>\n<h2>El nivel inferior o la bus de campo \u2014 es de donde todo comienza. <\/h2>\n<p>\nEste conjunto de palabras poco claro para los no iniciados se utiliza cuando se necesita describir los medios de comunicaci\u00f3n entre microcontroladores y el equipo subordinado, como m\u00f3dulos de entrada-salida o dispositivos de medici\u00f3n. Generalmente, este canal de comunicaci\u00f3n se llama \"bus de campo\", porque es responsable de transmitir al controlador los datos que provienen del \"campo\". <\/p>\n<p>\"Campo\" es un t\u00e9rmino profesional profundo que denota el hecho de que alg\u00fan equipo (por ejemplo, sensores o actuadores) con el que interact\u00faa el controlador est\u00e1 ubicado lejos, en el exterior, en los campos, bajo el manto de la noche. Y no importa que el sensor pueda estar ubicado a medio metro del controlador y medir, por ejemplo, la temperatura en un armario de automatizaci\u00f3n, todav\u00eda se considera que est\u00e1 \"en el campo\". Con mayor frecuencia, las se\u00f1ales de los sensores que llegan a los m\u00f3dulos de entrada-salida superan distancias de decenas a cientos de metros (y a veces m\u00e1s), recolectando informaci\u00f3n de sitios o equipos lejanos. Por eso, el bus de intercambio, por el cual el controlador recibe los valores de estos sensores, se suele llamar bus de campo o menos frecuentemente bus de nivel inferior o bus industrial.<\/p>\n<p><img decoding=\"async\" alt=\"Buses y protocolos en automatizaci\u00f3n industrial: c\u00f3mo funciona todo esto\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2019\/05\/68e8ebd331592769a56acd1e121a2c9f.png\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\n<i>Diagrama general de la automatizaci\u00f3n de un objeto industrial.<\/i> <\/p>\n<p>As\u00ed, la se\u00f1al el\u00e9ctrica del sensor recorre cierta distancia a trav\u00e9s de las l\u00edneas de cableado (generalmente un cable de cobre com\u00fan con varios conductores), a las que se conectan varios sensores. Luego, la se\u00f1al llega al m\u00f3dulo de procesamiento (m\u00f3dulo de entrada\/salida), donde se convierte en un lenguaje digital comprensible para el controlador. Posteriormente, esta se\u00f1al se transmite directamente al controlador a trav\u00e9s de un bus de campo, donde se procesa definitivamente. La l\u00f3gica de funcionamiento del microcontrolador se basa en tales se\u00f1ales.<\/p>\n<h2>Nivel superior: desde la guirnalda hasta toda una estaci\u00f3n de trabajo<\/h2>\n<p>\nSe denomina nivel superior a todo aquello con lo que un operador mortal com\u00fan puede interactuar al gestionar un proceso tecnol\u00f3gico. En el caso m\u00e1s simple, el nivel superior consiste en un conjunto de bombillas y botones. Las bombillas informan al operador sobre ciertos eventos que ocurren en el sistema, y los botones se utilizan para enviar comandos al controlador. Este sistema a menudo se llama \"guirnalda\" o \"\u00e1rbol\", porque se asemeja mucho (como se puede ver en la fotograf\u00eda al inicio del art\u00edculo).<\/p>\n<p>Si el operador tiene m\u00e1s suerte, su nivel superior ser\u00e1 un panel de operador: una especie de computadora plana que, de una manera u otra, recibe datos del controlador para mostrarlos en la pantalla. Este panel generalmente se monta en el propio armario de automatizaci\u00f3n, por lo que hay que interactuar con \u00e9l en la mayor\u00eda de los casos de pie, lo que resulta inc\u00f3modo. Adem\u00e1s, la calidad y el tama\u00f1o de la imagen en los paneles de peque\u00f1o formato dejan mucho que desear.<\/p>\n<p><img decoding=\"async\" alt=\"Buses y protocolos en automatizaci\u00f3n industrial: c\u00f3mo funciona todo esto\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2019\/05\/b2be65a58e7e7d90a481ad91cf6ee2ed.png\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\n<br \/>\nY, por \u00faltimo, el atractivo espect\u00e1culo de generosidad: una estaci\u00f3n de trabajo (o incluso varias duplicadas), que es un ordenador personal com\u00fan.<\/p>\n<p>El equipo de nivel superior debe interactuar de alguna manera con el microcontrolador (de lo contrario, \u00bfpara qu\u00e9 sirve?). Para tal interacci\u00f3n, se utilizan protocolos de nivel superior y un medio de transmisi\u00f3n, como Ethernet o UART. En el caso de la \"guirnalda\", no se requieren tales sofisticaciones; las bombillas se encienden utilizando l\u00edneas f\u00edsicas comunes, sin interfaces ni protocolos complicados.<\/p>\n<p>En general, este nivel superior es menos interesante que el bus de campo, ya que este nivel superior puede no existir en absoluto (de la serie no hay nada que el operador deba ver, el controlador se encargar\u00e1 de lo que y c\u00f3mo debe hacerse).<\/p>\n<h2>Protocolos de transmisi\u00f3n de datos \"antiguos\": Modbus y HART<\/h2>\n<p>\nPoca gente lo sabe, pero en el s\u00e9ptimo d\u00eda de la creaci\u00f3n del mundo, Dios no descans\u00f3, sino que cre\u00f3 Modbus. Junto con el protocolo HART, Modbus es, sin duda, el protocolo industrial de transmisi\u00f3n de datos m\u00e1s antiguo; apareci\u00f3 nada menos que en 1979.<\/p>\n<p>Inicialmente, se utilizaba un interfaz serie como medio de transmisi\u00f3n, luego Modbus se implement\u00f3 sobre TCP\/IP. Es un protocolo s\u00edncrono bajo el esquema \"maestro-esclavo\", donde se utiliza el principio de \"solicitud-respuesta\". El protocolo es bastante pesado y lento, la velocidad de intercambio depende de las caracter\u00edsticas del receptor y del transmisor, pero generalmente se cuenta en cientos de milisegundos, especialmente en la implementaci\u00f3n a trav\u00e9s de interfaz serie. <\/p>\n<p>Adem\u00e1s, el registro de transmisi\u00f3n de datos Modbus es de 16 bits, lo que impone de inmediato limitaciones en la transmisi\u00f3n de tipos real y doble. Se transmiten ya sea en partes o con p\u00e9rdida de precisi\u00f3n. Aunque Modbus todav\u00eda se utiliza ampliamente en situaciones donde no se necesita alta velocidad de intercambio y la p\u00e9rdida de datos transmitidos no es cr\u00edtica. Muchos fabricantes de diversos dispositivos disfrutan de ampliar el protocolo Modbus de manera excepcional y muy original, a\u00f1adiendo funciones no est\u00e1ndar. Por lo tanto, este protocolo tiene numerosas mutaciones y desviaciones de la norma, pero sigue viviendo con \u00e9xito en el mundo moderno.<br \/>\nEl protocolo HART tambi\u00e9n existe desde los a\u00f1os ochenta; es un protocolo de intercambio industrial sobre un par de hilos de lazo de corriente, al que se conectan directamente sensores de 4-20 mA y otros dispositivos compatibles con el protocolo HART. <\/p>\n<p>Para la conmutaci\u00f3n de l\u00edneas HART se utilizan dispositivos especiales, conocidos como m\u00f3dems HART. Tambi\u00e9n existen convertidores que proporcionan al usuario, por ejemplo, el protocolo Modbus en la salida. <\/p>\n<p>Lo notable del HART es, probablemente, que adem\u00e1s de las se\u00f1ales anal\u00f3gicas de los sensores de 4-20 mA, se transmite tambi\u00e9n una se\u00f1al digital del mismo protocolo, lo que permite conectar la parte digital y anal\u00f3gica en una misma l\u00ednea de cable. Los m\u00f3dems HART modernos pueden conectarse al puerto USB del controlador, conectarse por Bluetooth, o mediante el antiguo m\u00e9todo a trav\u00e9s de un puerto serie. Hace una d\u00e9cada, al igual que Wi-Fi, apareci\u00f3 el est\u00e1ndar inal\u00e1mbrico WirelessHART, que opera en el rango ISM.<\/p>\n<h2>La segunda generaci\u00f3n de protocolos o buses no completamente industriales como ISA, PCI(e) y VME <\/h2>\n<p>\nA los protocolos Modbus y HART les han seguido buses no del todo industriales, como ISA (MicroPC, PC\/104) o PCI\/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), as\u00ed como VME. <\/p>\n<p>Ha llegado la era de los computadoras que disponen de un bus de datos universal, al cual se pueden conectar diversas placas (m\u00f3dulos) para procesar una se\u00f1al unificada. Generalmente, en este caso, el m\u00f3dulo del procesador (computadora) se inserta en lo que se llama un marco, que asegura la interacci\u00f3n en el bus con otros dispositivos. El marco, o como le gusta llamar a los verdaderos automatizadores, 'crate', se complementa con las placas de entrada-salida necesarias: anal\u00f3gicas, discretas, de interfaz, etc., o todo esto se ensambla en forma de s\u00e1ndwich sin marco, una placa sobre otra. Despu\u00e9s, esta diversidad en el bus (ISA, PCI, etc.) intercambia datos con el m\u00f3dulo del procesador, que de esa manera recibe informaci\u00f3n de los sensores y realiza cierta l\u00f3gica.<\/p>\n<p><img decoding=\"async\" alt=\"Buses y protocolos en automatizaci\u00f3n industrial: c\u00f3mo funciona todo esto\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2019\/05\/a9bfb3d74f817a758a7e7cea2a75513c.png\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\n<i>Controlador y m\u00f3dulos de entrada-salida en el marco PXI sobre el bus PCI. Fuente: <noindex><a rel=\"nofollow\" href=\"http:\/\/www.ni.com\/ko-kr\/innovations\/white-papers\/14\/introduction-to-the-pxi-architecture.html\">National Instruments Corporation<\/a><\/noindex><\/i><\/p>\n<p>Todo estar\u00eda bien con estos buses ISA, PCI(e) y VME, especialmente para esos tiempos: tanto la velocidad de intercambio no decepciona, como los componentes del sistema est\u00e1n ubicados en un mismo marco, compacto y conveniente; puede que no haya reemplazo en caliente para las placas de entrada-salida, pero todav\u00eda no se siente mucha necesidad. <\/p>\n<p>Pero hay una cuchara de alquitr\u00e1n, y no una sola. Es bastante complicado construir un sistema distribuido en tal configuraci\u00f3n, el bus de intercambio es local, hay que idear algo para el intercambio de datos con otros nodos subordinados o iguales, el mismo Modbus sobre TCP\/IP o alg\u00fan otro protocolo; en general, hay pocas comodidades. Y la segunda cosa poco agradable: las placas de entrada-salida generalmente esperan una se\u00f1al unificada en la entrada y no tienen aislamiento galvanico con el equipo de campo, por lo que hay que crear un l\u00edo de diversos m\u00f3dulos de conversi\u00f3n y esquema intermedio, lo que complica seriamente la base elemental.<\/p>\n<p><img decoding=\"async\" alt=\"Buses y protocolos en automatizaci\u00f3n industrial: c\u00f3mo funciona todo esto\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2019\/05\/d30ec8cb4bfdf5de396c4cc9e8341e35.png\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\n<i>M\u00f3dulos intermedios de conversi\u00f3n de se\u00f1al con aislamiento galvanico. Fuente: <noindex><a rel=\"nofollow\" href=\"https:\/\/www.dataforth.com\/signal-conditioning.aspx\">DataForth Corporation<\/a><\/noindex><\/i><\/p>\n<p>\u00bfY qu\u00e9 hay del protocolo de intercambio por el bus industrial? \u2014preguntar\u00e1n ustedes. No hay nada. No existe en tal implementaci\u00f3n. A trav\u00e9s de las l\u00edneas de cable, la se\u00f1al llega de los sensores a los convertidores de se\u00f1al, los convertidores emiten voltaje a una placa de entrada-salida discreta o anal\u00f3gica, y los datos se leen de la placa a trav\u00e9s de los puertos de entrada\/salida, mediante el sistema operativo. Y no hay protocolos especializados.<\/p>\n<h2>C\u00f3mo funcionan los modernos buses industriales y protocolos<\/h2>\n<p>\n\u00bfY ahora qu\u00e9? Hasta hoy, la ideolog\u00eda cl\u00e1sica de construcci\u00f3n de sistemas automatizados ha cambiado un poco. Muchos factores han influido, desde el hecho de que la automatizaci\u00f3n tambi\u00e9n debe ser conveniente, hasta la tendencia hacia sistemas automatizados distribuidos con nodos alejados entre s\u00ed.<\/p>\n<p>Se puede decir que hoy en d\u00eda hay dos conceptos principales para construir sistemas de automatizaci\u00f3n: sistemas automatizados localizados y distribuidos.<\/p>\n<p>En el caso de los sistemas localizados, donde la recopilaci\u00f3n de datos y la gesti\u00f3n se centralizan en un lugar espec\u00edfico, se demanda el concepto de un conjunto de m\u00f3dulos de entrada\/salida interconectados a trav\u00e9s de un bus r\u00e1pido com\u00fan, incluyendo un controlador con su propio protocolo de intercambio. Por lo general, los m\u00f3dulos de entrada\/salida incluyen un convertidor de se\u00f1ales y un aislamiento galv\u00e1nico (aunque, por supuesto, no siempre). Es decir, al consumidor final solo le basta entender qu\u00e9 tipos de sensores y mecanismos estar\u00e1n presentes en el sistema automatizado, contar el n\u00famero de m\u00f3dulos de entrada\/salida necesarios para diferentes tipos de se\u00f1ales y conectarlos en una l\u00ednea com\u00fan con el controlador. En este caso, cada fabricante suele utilizar su protocolo favorito para el intercambio entre los m\u00f3dulos de entrada\/salida y el controlador, y puede haber muchas opciones.<\/p>\n<p>En el caso de sistemas distribuidos, se aplica todo lo comentado sobre los sistemas localizados, adem\u00e1s de que es importante que los componentes individuales, por ejemplo, un conjunto de m\u00f3dulos de entrada\/salida m\u00e1s un dispositivo de recopilaci\u00f3n y transmisi\u00f3n de informaci\u00f3n \u2014un microcontrolador no muy inteligente, que est\u00e1 en una caseta en el campo, cerca de la v\u00e1lvula que cierra el petr\u00f3leo\u2014 puedan interactuar con nodos similares y con el controlador principal a grandes distancias con una velocidad de intercambio efectiva. <\/p>\n<p>\u00bfC\u00f3mo eligen los desarrolladores un protocolo para su proyecto? Todos los protocolos de intercambio modernos ofrecen un rendimiento bastante alto, as\u00ed que a menudo la elecci\u00f3n de un fabricante u otro se basa no en la velocidad de intercambio a trav\u00e9s de este mismo bus industrial. No es tan importante la implementaci\u00f3n del protocolo en s\u00ed, porque, desde el punto de vista del desarrollador del sistema, seguir\u00e1 siendo una caja negra que proporciona una cierta estructura interna de intercambio y no est\u00e1 destinada a la intervenci\u00f3n externa. Con mayor frecuencia, se presta atenci\u00f3n a caracter\u00edsticas pr\u00e1cticas: el rendimiento del calculador, la facilidad de aplicaci\u00f3n del concepto del fabricante a la tarea planteada, la disponibilidad de los tipos de m\u00f3dulos de entrada\/salida necesarios, la posibilidad de reemplazo en caliente de los m\u00f3dulos sin interrumpir el bus, etc.<\/p>\n<p>Los proveedores de equipos m\u00e1s populares ofrecen sus propias implementaciones de protocolos industriales: por ejemplo, la conocida empresa Siemens desarrolla su propia serie de protocolos Profinet y Profibus, B&amp;R ofrece el protocolo Powerlink, y Rockwell Automation tiene el protocolo EtherNet\/IP. Una soluci\u00f3n nacional en esta lista de ejemplos es la versi\u00f3n del protocolo FBUS de la empresa rusa Fastwel. <\/p>\n<p>Tambi\u00e9n existen soluciones m\u00e1s universales, que no est\u00e1n atadas a un fabricante espec\u00edfico, como EtherCAT y CAN. Analizaremos en detalle estos protocolos a lo largo del art\u00edculo y veremos cu\u00e1les son m\u00e1s adecuados para aplicaciones concretas: la industria automotriz y aeroespacial, la fabricaci\u00f3n de electr\u00f3nica, sistemas de posicionamiento y rob\u00f3tica. \u00a1Mantente conectado!<br \/>\n<br \/>Fuente: <a content=\"nofollow\" rel=\"nofollow\" href=\"https:\/\/habr.com\/ru\/post\/454156\/\">habr.com<\/a><\/p>","protected":false,"gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"html"}]},"excerpt":{"rendered":"<p>\u041d\u0430\u0432\u0435\u0440\u043d\u044f\u043a\u0430 \u043c\u043d\u043e\u0433\u0438\u0435 \u0438 \u0432\u0430\u0441 \u0437\u043d\u0430\u044e\u0442 \u0438\u043b\u0438 \u0434\u0430\u0436\u0435 \u0432\u0438\u0434\u0435\u043b\u0438, \u043a\u0430\u043a\u0438\u043c \u043e\u0431\u0440\u0430\u0437\u043e\u043c \u0443\u043f\u0440\u0430\u0432\u043b\u044f\u044e\u0442\u0441\u044f \u0431\u043e\u043b\u044c\u0448\u0438\u0435 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