¿Qué es la comunicación industrial?
El término comunicación industrial hace referencia a la comunicación entre dispositivos utilizados en la tecnología de automatización industrial. Se transfieren e intercambian datos e información para controlar máquinas e instalaciones, principalmente en la automatización de procesos y producción. La comunicación industrial es, por tanto, la base del éxito de la automatización.
La interconexión se lleva a cabo mediante redes industriales estandarizadas, las cuales pueden ser cableadas o inalámbricas. La creciente digitalización muestra que los sistemas de comunicación de alto rendimiento se están convirtiendo cada vez más en el sistema nervioso central de campos de aplicación como Industry 4.0 o el Internet Industrial de las Cosas (IIoT).
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Conector
Componentes de red y distribución
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Comunicación de datos realizada por LAPP: su conexión con el futuro.
¿Qué es la automatización?
La norma DIN 19233 define la automatización de la siguiente manera "El equipamiento de un dispositivo para que funcione total o parcialmente según lo previsto sin la intervención de seres humanos".
Pero, ¿qué significa esto en concreto? Echemos un vistazo a una planta de producción. En la producción automatizada, todas las operaciones que antes realizaban los humanos las llevan a cabo las máquinas de forma independiente. Esto incluye el procesamiento, el control, la manipulación de herramientas y piezas de trabajo y la supervisión mecánica o electrónica de la calidad.
La automatización puede dividirse básicamente en 3 formas diferentes: la automatización de procedimientos de trabajo individuales (automatización de procedimientos), la automatización de un proceso de producción específico (automatización de procesos) o la automatización de todo un proceso de fabricación (automatización de sistemas).
Se necesitan instalaciones técnicas para poner en marcha procesos de producción autónomos. El equipamiento técnico procede de las áreas de sensores/actuadores, regulación, control, información, comunicación, control de procesos y/o tecnología robótica.
Ventajas de la automatización
En estas condiciones, la automatización ofrece numerosas ventajas. Entre ellas figuran:
- Liberar a las personas de trabajos mentalmente exigentes, monótonos, extenuantes, peligrosos o perjudiciales
- Aumentar la productividad
- Aumentar la calidad de los productos
- Tiempos de producción más cortos
- Reducción del impacto ambiental mediante una operación más eficiente en el uso de recursos en las plantas
- Producción más flexible
- Mayor precisión y prevención de errores
Pirámide de automatización
La pirámide de automatización representa la estructura general de comunicación en la producción automatizada y clasifica los distintos niveles de TI en la producción industrial.
Cada nivel asume su propia tarea en la producción automatizada y consta de diferentes sistemas, como los sensores a nivel de campo. El número de niveles varía en función del proceso de automatización. Los niveles individuales pueden omitirse o agruparse.
Los sistemas individuales de cada nivel y los propios niveles intercambian información entre sí. El intercambio de información dentro de un nivel se denomina comunicación horizontal; el intercambio entre los distintos niveles, comunicación vertical.
| Número | Nivel | Sistemas utilizados | Tareas típicas |
|---|---|---|---|
| 1 | Nivel de campo | Sensores y actuadores | Recopilación de datos de producción / ejecución de comandos |
| 2 | Nivel de control | Computadora de control / PLC | Regulación del proceso de producción |
| 3 | Nivel de empresa | Sistemas ERP | Planificación de la producción y tramitación de pedidos |
Los sensores o actuadores del nivel de campo se comunican exclusivamente con el nivel de control superior. A su vez, los autómatas programables (PLC) del nivel de control intercambian sus datos con el sistema de planificación de recursos empresariales (ERP) de la empresa.
Dentro de la pirámide de la automatización, cuanto más alto es un nivel, mayor es la latencia, es decir, el retraso en la transmisión de datos entre el emisor y el receptor. Al mismo tiempo, la cantidad de datos que hay que transmitir aumenta constantemente.
| Nivel | Horizonte de planificación | Cantidad de datos | Latencia |
|---|---|---|---|
| Nivel de empresa | Mes a año | Mbytes - Gbytes | 2-20 s |
| Nivel de control | Degundos a horas | Bytes - Kbytes | 0,2 s |
| Nivel de campo | Milisegundos | Bytes | 0,002 s |
Industry 4.0 y el Internet Industrial de las Cosas (IIoT) impactan la pirámide clásica de automatización y requieren mayor interconectividad y flexibilidad. Para ello habría que adaptar y aplanar mucho la pirámide.
Creación de un sistema de automatización
Antes de dedicarnos a la configuración de un sistema de automatización, primero analicemos el modelo de entrada-salida que subyace en cada tarea de automatización.
Una variable física es registrada por un sensor y transmitida a la computadora de control (función) como una señal de entrada. Procesa la señal y transmite una señal de salida a un actuador, que actúa como elemento de accionamiento. Los distintos componentes están conectados por un sistema de comunicación.
Un sistema de automatización está compuesto, por lo tanto, por sensores (1), actuadores (2), una computadora de control (4) y un sistema de comunicación (3).
Resumen de los componentes de un sistema de automatización
Un sensor es una sonda de medición que captura valores físicos analógicos (mecánicos, químicos, térmicos, magnéticos u ópticos) y los convierte en señales eléctricas analógicas o digitales.
Los sensores "simples" solo generan señales analógicas, las cuales deben ser convertidas en señales digitales mediante un convertidor separado espacialmente (por ejemplo, un sistema de E/S) antes de poder comunicarse con la computadora de control.
Los sensores inteligentes, también conocidos como "sensores inteligentes", se encargan de la preparación y procesamiento completo de la señal y emiten señales digitales. Esto les permite comunicarse directamente con la computadora de control.
Los sensores pueden diferenciarse según el tipo de señal (sensor analógico, sensor digital), el principio de medición (sensor óptico, sensor capacitivo, etc.), el uso previsto (sensores en ingeniería de automatización, sensores en la industria aeroespacial, etc.) y el valor medido (sensor de fuerza, sensor de temperatura, etc.).
El principio de funcionamiento de un actuador es inverso al de los sensores: un actuador convierte las señales eléctricas de la computadora de control en variables física.
Un actuador convierte impulsos eléctricos en presión, sonido, temperatura, movimiento u otras variables físicas.
Según el proceso de conversión, los actuadores se dividen en electromecánicos, electromagnéticos, neumáticos, hidráulicos y otros.
La computadora de control o el controlador lógico programable (PLC) controlan un proceso o subprocesos en un sistema de automatización. Los sensores y actuadores necesarios para el control pueden conectarse directamente al PLC del proceso o a través de un sistema de bus. En plantas más grandes con varios subprocesos, se utiliza un PLC independiente para cada subproceso, que están conectados en red entre sí.
Para coordinar los recursos, es decir, qué máquina está procesando actualmente qué pedido y es probable que vuelva a estar disponible, el PLC se coordina con el nivel de empresa y el nivel de gestión de operaciones.
Un PLC funciona de forma cíclica, es decir, lee los valores de todas las entradas al inicio de un ciclo, luego ejecuta los programas almacenados y establece las salidas al final. El ciclo vuelve a empezar: el programa no tiene fin.
Un sistema de automatización funcional requiere una red de comunicación que conecte sensores, actuadores y el PLC entre sí.
Una red de comunicación industrial consta de varios componentes. La selección de los componentes depende del uso previsto y de otros factores:
¿Necesito bus de campo o Ethernet como tecnología de transmisión? ¿Qué topología de red es la adecuada para mi aplicación? Además, deben tenerse en cuenta aspectos como las funciones de protección de los empleados que utilizan los sensores para evitar lesiones personales. Los distintos modos de funcionamiento de la máquina, como el funcionamiento normal, la limpieza y la reparación, también influyen en la selección de los componentes.
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Control y regulación en la tecnología de automatización
En la tecnología de la automatización, los conceptos de control y regulación son de vital importancia.
Cuando se trata de tecnología de control o regulación, el objetivo es influir en los valores de salida de los sistemas técnicos de acuerdo con los valores de entrada especificados. Aquí no hay retroalimentación, es decir, el curso de acción no es autónomo.
Un ejemplo de sistema de control es el de la calefacción de un edificio. El sensor de temperatura exterior activa la calefacción de una habitación según la temperatura exterior. Las influencias externas, como una ventana abierta en la habitación, no se tienen en cuenta.
Cuando se trata de regulación o tecnología de regulación, el objetivo es mantener constantes las variables físicas (variables reguladas) en sistemas técnicos, a pesar de la influencia de interferencias externas (variables de perturbación), o seguir el progreso temporal de variables específicas (variables de referencia) con la mayor precisión posible. El circuito de regulación es autónomo, es decir, cuenta con retroalimentación.
Un ejemplo de regulación en tecnología de automatización es un sistema automático de aire acondicionado en un vehículo. Mantiene la temperatura interior del vehículo siempre al nivel requerido a pesar de las influencias externas (por ejemplo, la luz solar).