Elección de la arquitectura de sistema adecuada: ahorro de costes manteniendo la flexibilidad

En la automatización industrial, elegir la arquitectura de sistema adecuada determina la eficiencia, los costes y su vigencia en el futuro. La comunicación inteligente entre el PLC y los componentes de automatización, como actuadores, sensores y terminales de válvulas, no solo puede reducir considerablemente los costes totales, sino también garantizar la flexibilidad y capacidad de ampliación de un sistema. Actualmente, los usuarios disponen de una amplia gama de opciones de diseño: desde cableado discreto y sistemas de bus de campo con E/S descentralizadas, hasta conexiones neumáticas centralizadas y descentralizadas. En esta entrada del blog analizamos los ámbitos de aplicación y las ventajas e inconvenientes de los distintos enfoques de la arquitectura, centrándonos en los costes y la flexibilidad.

Cableado discreto: Solución rentable para máquinas pequeñas

Con el cableado discreto, cada componente individual, como sensores y actuadores, se conecta directamente a la unidad de control central del armario de maniobra. Cada entrada y salida requiere su propio cable. Aunque esto elimina la necesidad de protocolos de comunicación y nodos de bus caros y complejos, la arquitectura alcanza rápidamente sus límites y, con el aumento de tamaño, conlleva elevados costes de cableado y grandes necesidades de espacio en el armario de maniobra. Con las ampliaciones, el sistema se vuelve rápida y extremadamente complejo y propenso a errores. Sin embargo, este sistema es suficiente para máquinas pequeñas o sistemas con entradas y salidas manejables, siempre que los costes y las necesidades de espacio se mantengan dentro de unos límites.

Sistemas de bus de campo: Para tareas de automatización más complejas

Los sistemas de bus de campo son redes digitales que conectan varios equipos a la unidad de control a través de una única línea de comunicación. Algunos ejemplos son ProfiNET, EtherNET/IP o EtherCAT. Se trata de sistemas medianos y grandes con un gran número de entradas y salidas. Esto se debe a que un bus de campo aumenta considerablemente la flexibilidad y escalabilidad de un sistema: se necesitan menos líneas de cable, ya que una sola línea de datos sustituye ahora un gran número de conexiones discretas. Los nuevos equipos pueden integrarse fácilmente en la red y los distintos componentes pueden comunicarse a través del mismo bus. La diagnosis también se simplifica, ya que ahora los fallos pueden identificarse más fácilmente.

Al mismo tiempo, los nodos de bus de campo necesarios son muy costosos y la compatibilidad se está convirtiendo en un problema importante: Porque no todos los equipos pueden comunicarse con todos los buses de campo. La arquitectura depende del protocolo de bus de campo utilizado en el PLC.

E/S descentralizadas: Fuera del armario de maniobra

Con las E/S descentralizadas se reubican los módulos E/S, a partir del grado de protección IP65, en ubicaciones remotas cercanas a los sensores y actuadores. Estos módulos se comunican con el sistema de control central a través de sistemas de bus de campo. Las E/S descentralizadas son indispensables para sistemas grandes y extensos si los módulos deben colocarse fuera del armario de maniobra y cerca de los componentes. Las necesidades de cableado se reducen aún más, las velocidades de transmisión de datos aumentan y el tamaño del armario de maniobra se reduce significativamente. La instalación en campo también simplifica considerablemente la escalabilidad de la máquina y hace que sea mucho más rentable, además de simplificar el mantenimiento, ya que los fallos se pueden diagnosticar y rectificar directamente in situ.

El uso de E/S descentralizadas se ha convertido en parte integrante de la arquitectura de automatización moderna y representa una gran ventaja para la automatización. Sin embargo, esta tecnología es, inicialmente, la más cara en el momento de la compra. El sistema se vuelve mucho más dependiente de una conexión de red estable y requiere conocimientos en planificación e integración.

Neumática y automatización eléctrica perfectamente combinadas

La integración de terminales de válvulas y componentes neumáticos en un sistema de automatización ofrece un gran potencial, pero también alberga el riesgo de sobredimensionamiento debido a la longitud y complejidad de los tubos flexibles, así como costes elevados por las interfaces adicionales necesarias. Sin embargo, una integración descentralizada o mixta (modular y descentralizada) puede implantarse con los componentes adecuados y con un lenguaje de comunicación lo más normalizado posible. Esto reduce el número de nodos de bus y direcciones IP y simplifica la diagnosis.

Controladores de interfaz de red y soluciones de E/S remotas para la automatización industrial

El flujo de datos confiable es la base de la automatización moderna. Los controladores de interfaz de red y las soluciones de E/S remotas aseguran una comunicación fluida entre máquinas, sensores y actuadores, transformando componentes aislados en un sistema integrado y receptivo. Esta conectividad, clave en los sistemas de control industrial, permite la toma de decisiones en tiempo real, una mejor visibilidad de procesos y arquitecturas de control escalables adaptadas a entornos exigentes de automatización.

Esta comunicación normalmente ocurre a través de cables de bus eléctricos —a menudo simples cables de dos hilos— que conectan dispositivos de campo y otros componentes para formar redes industriales robustas. Estos dispositivos, también conocidos como participantes de red, pueden incluir desde sensores y actuadores hasta interruptores, lámparas de señalización o incluso pulsadores. Aunque son simples, cada participante se convierte en un nodo inteligente una vez conectado a la red.

Estos componentes de interfaz de red se alimentan a través del cable de bus y pueden transmitir y recibir paquetes de datos con información de direccionamiento y control. Este proceso puede compararse con el envío de cartas digitales, donde cada paquete es como un sobre dirigido a un dispositivo específico, lo que garantiza que el destinatario correcto reciba el comando o dato previsto.

¿Qué son los Dispositivos Fieldbus?

Los dispositivos Fieldbus son componentes industriales diseñados para comunicarse a través de una red digital conocida como fieldbus. Este tipo de protocolo de comunicación conecta sensores, actuadores, controladores y otros equipos dentro de un sistema automatizado, reemplazando el cableado tradicional punto a punto.

Al compartir una red común, estos dispositivos pueden intercambiar datos, comandos y actualizaciones de estado de manera eficiente. Esto no solo simplifica las instalaciones, sino que también aumenta la flexibilidad y escalabilidad del sistema.

Tipos comunes de dispositivos Fieldbus incluyen:

1. Sensores: Sensores habilitados para Fieldbus, como sensores de temperatura, sensores de presión, caudalímetros y sensores de proximidad, que proporcionan datos sobre las variables del proceso que están monitoreando. Transmiten estos datos a través de la red Fieldbus a los controladores u otros dispositivos para análisis y control.

2. Actuadores: Actuadores habilitados para Fieldbus, como válvulas, motores y variadores, que reciben señales de control a través de la red Fieldbus para realizar acciones específicas. Estas señales pueden incluir comandos para abrir o cerrar válvulas, arrancar o detener motores, o ajustar la velocidad y posición.

3. Controladores: Los controladores Fieldbus, también conocidos como controladores lógicos programables (PLCs), reciben datos de los sensores y emiten comandos a los actuadores para controlar y automatizar los procesos industriales. Sirven como la inteligencia central de la red Fieldbus, coordinando la comunicación y tomando decisiones basadas en los datos recibidos.

¿Qué es un Protocolo Fieldbus?

Un protocolo de comunicación industrial fieldbus (bus de campo) es un conjunto definido de reglas que rigen cómo los dispositivos se comunican dentro de una red de campo. Establece cómo se transmite, interpreta y actúa la información, garantizando una comunicación confiable y coherente en todo el sistema.

Los componentes centrales de un protocolo Fieldbus incluyen:

• Capa física: Define los aspectos eléctricos y mecánicos de la red (por ejemplo, cables, conectores, niveles de voltaje y velocidad de transmisión).
• Capa de enlace de datos: Administra la transferencia confiable de datos manejando la detección de errores, la estructura de tramas y el direccionamiento.
• Capa de red: Supervisa el direccionamiento de dispositivos y el enrutamiento de mensajes a través de la red.
• Capa de aplicación: Especifica la estructura y el contenido de los datos intercambiados, permitiendo que los dispositivos interpreten correctamente los comandos y valores.

Varios protocolos de comunicación industrial son ampliamente utilizados, cada uno con sus fortalezas y aplicaciones específicas:

• PROFIBUS: Popular tanto en entornos de automatización de procesos (PA) como de automatización discreta (DP).
• Modbus: Conocido por su simplicidad y compatibilidad, especialmente en comunicaciones seriales.
• Foundation Fieldbus: Un protocolo digital utilizado en automatización de procesos con soporte para comunicación bidireccional y multidrop.
• DeviceNet: Común en automatización de fábricas, especialmente para enlazar sensores y actuadores con PLCs.
• CANopen: Basado en el bus CAN, ampliamente utilizado para aplicaciones de control en maquinaria y sistemas industriales.

El protocolo adecuado depende de los requisitos del sistema, como velocidad, tipos de datos y compatibilidad de dispositivos.

El Rol de la E/S Remota en los Sistemas Industriales

Los módulos de E/S remotas son esenciales para los sistemas de control distribuidos, ya que actúan como intermediarios entre los dispositivos de campo y los controladores centrales, como los PLCs. Al permitir la adquisición de datos y el control de señales de forma localizada, más cerca de la fuente, reducen la complejidad del cableado y el tiempo de instalación.

Este enfoque también simplifica el mantenimiento y diagnóstico, respalda arquitecturas escalables para futuras expansiones e integra sin problemas con sistemas de la Industria 4.0. Este diseño mejora la flexibilidad y la visibilidad de datos, especialmente en entornos de automatización a gran escala, convirtiéndose en un elemento clave dentro de las redes industriales y los sistemas de control industrial modernos.