19.40 Comunicaciones
Redes en general. Las redes de comunicaciones se han utilizado durante muchos años para transmitir instrucciones y datos para la supervisión y el control de procesos. Las redes de control de procesos han utilizado diversas tecnologías y topologías, al igual que las redes empresariales e informáticas en situaciones menos críticas. Las redes de control de procesos requieren robustez, determinación y compatibilidad.
La robustez es una medida de la fiabilidad de la red para realizar su función durante toda la vida útil de la instalación. El diseñador de una red debe evaluar la necesidad de redundancia de los componentes de la red y el cableado, así como las instalaciones de prueba y corrección de errores, para proporcionar una red que satisfaga las necesidades del sistema al que sirve. La determinación es una garantía específica de que los mensajes ingresan a la red y llegan a su destino en tiempos conocidos. Las redes no deterministas no pueden garantizar la entrega de mensajes en un tiempo específico, pero las tecnologías recientes han permitido que algunas redes no deterministas (como Ethernet) funcionen satisfactoriamente en la industria del control de procesos. La compatibilidad describe la capacidad de la red para comunicarse entre equipos de varios fabricantes o proveedores sin conflictos de protocolo.
La ventaja obvia de usar una red en lugar del cableado tradicional es que todos los datos se pasan a lo largo de un solo cable, lo que reduce significativamente el número de cables a instalar.
Ethernet. El rendimiento de CSMA / CD (detección de múltiples accesos/colisiones con detección de portadores) ha evolucionado a un nivel muy alto desde su introducción en 1973. Aunque no es determinista, CSMA / CD permite que cada dispositivo en una red verifique si cualquier otro dispositivo está transmitiendo antes de intentar transmitir y, si varios dispositivos transmiten simultáneamente, la detección de colisiones descarta mensajes dañados (paquetes) e indica a los dispositivos que reenvíen sus mensajes después de tiempos de espera aleatorios. La red no es determinista porque no hay garantía de que un mensaje llegue a su destino en un momento específico. Sin embargo, las redes Ethernet industrializadas se han vuelto tan confiables que son el estándar en la industria para vincular sistemas de control de procesos en todo el sitio. Se debe seguir la especificación de diseño Ethernet con respecto a la conectividad y las longitudes de cable, por ejemplo, utilizando un máximo de 100 m de cable de cobre de un conmutador de red.
Las redes Ethernet pueden formar parte de redes de área local (LAN) o redes de área extendida (WAN). Aunque no hay definiciones específicas, un sistema SCADA de todo el sitio para una planta de procesos generalmente se denominaría LAN y una red regional que enlaza varios sitios se consideraría una WAN.
Aunque Ethernet es cada vez más frecuente, es poco probable que reemplace por completo a otros protocolos de red en la industria del agua. Una de las desventajas de Ethernet es que no es un sistema de múltiples caídas, por lo que cada dispositivo separado necesita su propio cable individual para volver al dispositivo de conmutación de comunicaciones locales. Si bien esto puede no ser un problema en una fábrica o un edificio pequeño, puede ser un problema importante con grandes bancos de filtros o tanques. La longitud máxima del cable del conmutador Ethernet también es más limitada que otras técnicas (generalmente 100 m). Las velocidades de comunicación Ethernet suelen ser de 10 a 100 Mbps (Megabits por segundo) y algunas redes funcionan actualmente a 1000 Mbps.
Una red de bus es una disposición en una LAN donde un solo cable de cobre multiconductor conecta múltiples dispositivos. El cable es el ‘ bus ‘al que se conectan los’ nodos’. Cada nodo generalmente corresponde a un elemento específico de equipo. Las redes de bus son sencillas, fiables y razonables a prueba de fallos. Si un dispositivo de nodo falla, el bus continúa funcionando con los dispositivos funcionales restantes. Solo si el cable del bus está roto, habría serios problemas de comunicación en la red. Las redes de bus proporcionan un medio simple de expansión porque generalmente permiten agregar nodos con bastante facilidad.
Las limitaciones de las redes de bus son principalmente las propiedades físicas del propio cable de bus. A medida que aumenta la longitud del cable, las pérdidas afectan la fiabilidad de los datos que se transmiten. Por lo tanto, la topología de la red de autobuses necesita un buen diseño. Otras topologías de red como «anillo» o «estrella» a veces pueden proporcionar una mejor flexibilidad y pueden ser más baratas.
Cuando se requiere un enlace punto a punto, se puede usar un enlace de fibra óptica para extender la distancia alcanzable y proporcionar protección contra rayos, pero esto no es adecuado para múltiples conexiones sin dispositivos de conmutación adicionales.
Profibus es una tecnología de bus que la industria ha adoptado generalmente. Profibus es un sistema de comunicación digital de alta velocidad que utiliza un solo cable (bus) para conectar dispositivos. Muchos fabricantes de equipos eléctricos, electromecánicos y de instrumentación ahora ofrecen productos compatibles con Profibus. Es común vincular una serie de elementos de planta relacionados por una red Profibus, mientras que luego enlaza esta área de planta con otras áreas de planta por una red diferente, como Ethernet. Al igual que con las redes Ethernet, es importante que el diseño de una red Profibus cumpla con las especificaciones Profibus.
Hay tres tipos de Profibus, a saber, Protocolo Distribuido (DP), Automatización de procesos (PA) y ProfiNET. La especificación Profibus consta de dos partes: el lenguaje utilizado, que es común en los tres tipos de Profibus (llamado comunicaciones de capa de aplicación), y el medio físico, que es diferente en cada caso. ProfiNET no es una tecnología de bus única, ya que funciona a través de Ethernet, pero permite las comunicaciones Profibus a través de redes Ethernet.
La elección del tipo de red Profibus depende de una revisión de todos los requisitos funcionales de la red. Profibus DP y Profibus PA se comparan en la Tabla 19.5. Ambos se comunican a través de cables de par trenzado de dos hilos, pero hay diferencias significativas.
Cuadro 19.5. Comparación de Profibus DP y Profibus PA
| Profibus DP | Profibus PA | |
|---|---|---|
| Señal de comunicación | Basada en voltaje, utilizando tecnología de bucle de corriente estándar RS-485 | |
| Cables | Cobre o fibra óptica | Cobre |
| Soluciones intrínsecamente seguras | No disponibles | Ofrecidas |
| Longitud máxima de red | 100-1200 m dependiendo de la velocidad de red | 1900 m |
| Configuración de red | Punto a punto a menos que se incluyan repetidores | Estrella |
| Medios de segregación de segmentos | Uso de repetidores | Uso de múltiples redes Profibus PA |
En el Reino Unido, WIMES 3.02 (2014) sugiere una velocidad Profibus DP de 1,5 Mbit/s (lo que limita la longitud del cable del segmento a 200 m), pero la mayoría de las obras pueden funcionar con éxito con velocidades de red de 500 Kbit/s (500 m de longitud del cable) o incluso 187,5 Kbit/s (1000 m de longitud del cable). Las redes de menor velocidad son más capaces de soportar el ruido y la interferencia, pero los datos tardan un poco más (probablemente 0,5 segundos adicionales) en viajar a través de la red. Esto no se considera un problema en una planta de tratamiento de agua donde los tiempos de muestreo del instrumento pueden ser muchos más grandes que esto.
Mientras que el cableado de red es relativamente simple (par trenzado en ambos casos), vale la pena invertir en un conjunto de pruebas de diagnóstico que verificará el estado de la red en tiempo real. Varias versiones están disponibles: Profitrace2 de Procentec y el módulo de diagnóstico de Bus de campo de Pepperl & Fuchs son dos unidades.
Es importante actualizar rápidamente las pantallas SCADA de los datos almacenados en el PC local, de lo contrario, los operadores no podrán usar el sistema si la pantalla no se actualiza rápidamente al cambiar de una pantalla a otra. Sin embargo, no es un problema que los datos de campo tarden entre 1 y 2 segundos en viajar desde el instrumento de campo al PC (una velocidad de red Profibus DP de solo 93,75 Kbit/s lo logrará fácilmente). Este «retraso» no afectará a la mayoría de los procesos de tratamiento de agua y puede reducir el costo de instalación y hacer que la red sea más resistente al ruido y las interferencias.
Las redes inalámbricas de comunicación de datos se han vuelto muy populares para uso comercial y doméstico y para algunas aplicaciones de monitoreo de procesos, pero su uso para el control de la planta sigue planteando muchos problemas de seguridad. Por estas razones, las redes inalámbricas deben utilizarse para el control de la planta solo después de una cuidadosa consideración y cuando los sistemas conectados directamente no sean prácticos o imposibles de instalar.
Se han utilizado tecnologías inalámbricas, como radio de baja potencia y microondas, para controlar algunos equipos, pero siempre deben utilizarse con precaución, ya que siempre deben tenerse en cuenta los riesgos asociados con la protección de las plantas y la seguridad del personal. Por lo general, estas tecnologías se utilizan en áreas relativamente pequeñas y principalmente para transmitir señales de monitoreo de estado.
Configuración remota. Las últimas implementaciones de Profibus y Ethernet permiten al ingeniero configurar todos los dispositivos de la red desde una ubicación central. Los dos paquetes principales utilizan FDT / DTM (Field Device Type/Device Type Manager) o EDDL (Extended Device Description Language) para comunicarse con los instrumentos.
