Buses de campo, redes corporativas y su topología


Introducción
Marco Teórico
1. Buses de campo
2. Redes Corporativas
3. Topologias
Referencias

En la actualidad, las empresas con el fin de mantener en alto sus estándares de calidad, productividad y competitividad, integran tecnologías que permiten optimizar los sistemas de producción y gestión. El control y la automatización industrial han reducido la intervención humana en las labores de producción, reemplazando su fuerza, capacidades sensoriales y mentales, con el empleo de máquinas, sensores y controladores que facilitan la realización de procesos complejos. No obstante, las tecnologías evolucionan a diario, llegando a la creación de redes inteligentes que optimizan la labor de los sistemas de control, pues permiten la intercomunicación entre las distintas facultades de una empresa (Redes Corporativas) y cada uno de los equipos en el área de producción, facilitando y protegiendo el intercambio de información, reduciendo así el número de controladores requeridos. Este documento está basado en el estudio de redes corporativas y su topología.

 Introducción

 

Mejorar los sistemas de gestión y producción en una empresa permite elevar sus estándares de productividad y competitividad,  lo cual abre grandes puertas en el mercado e incrementa las ganancias que se obtienen al reducirse los costos en los procesos que se realizan. La implementación de los Buses de Campo permite comunicar sensores y actuadores con sistemas inteligentes, de tal forma que la información puede recorrer bidireccionalmente el sistema de información de la planta; por su parte, el intercambio rápido y seguro de información en una Red Corporativa, mejora la reacción de una empresa ante eventualidades que puedan presentarse; e identificar qué tipo de Topología es el que requiere nuestra red a implementar, es esencial para saber qué caracteriza a nuestra Red. Aspectos como los anteriores y otros más se encuentran en el presente documento, el cual provee información relacionada con los Buses de Campo, Redes Corporativas y Topología de Redes, y destaca la importancia de los mismos en la optimización del control y la automatización industrial. 

 Marco Teórico

La información a presentarse se encuentra dividida en 3 partes:

 1. Buses de Campo

FIELDBUS o bus de campo, se refiere a tecnologías de comunicación y protocolos usados en automatización y control de procesos industriales. La tarea del bus de campo es comunicar los sensores y actuadores con sistemas inteligentes como los PLC y las computadoras, de manera que la información que ellos puedan brindar pueda recorrer el sistema de información de toda la planta.

El bus de campo debe cumplir estrictamente con los requerimientos de modularidad, seguridad, flexibilidad, resistencia a interferencias, facilidad de instalación, mantenimiento y programación. Además, un bus de campo debe cubrir principalmente dos aplicaciones diferentes:

El control secuencial de las maquinarias o fábricas; donde la protección contra el peligro de explosión no es un factor crítico. Se caracteriza por tiempos de reacción cortos, elevada velocidad de transmisión y longitud de bus de hasta 300 metros.

El control de procesos; donde la protección contra los peligros de explosión debe ser intrínsecamente segura. Es posible tener ciclos de tiempo de 100 ms para control y se puede cubrir distancias mayores a 1 500 metros.

Existen dos tipos de Buses:

 BUS DE CAMPO PROPIETARIO

Son aquellos sistemas que se caracterizan por su restricción de componentes a los productos de un solo fabricante, por lo tanto, no existe compatibilidad con productos de otros fabricantes.

 BUS DE CAMPO ABIERTO

Los buses de campo abiertos son todo lo contrario. Son sistemas que facilitan la comunicación entre dispositivos de diferentes fabricantes sin necesidad de adaptaciones adicionales. 

Un bus de campo debe permitir por lo menos tres cosas:

 Interconectividad: los equipos de diversos fabricantes pueden ser conectados en forma segura al bus.

 Interoperabilidad: es la habilidad para la conexión de diversos elementos de diversos fabricantes.

 Intercambio: los equipos de un fabricante pueden ser reemplazados con una funcionalidad equivalente por equipos de otros fabricantes.

Si se selecciona correctamente un bus de campo para una determinada aplicación se puede ofrecer al usuario muchas ventajas tangibles e intangibles.

Reduce la complejidad del sistema de control en términos de hardware. Permite reducir la cantidad de equipos de control, tales como: PLC, DCS, hardware, etc. Esto a su vez, reduce la necesidad de instalar grandes cabinas de control para tales equipos. Como el cableado es drásticamente reducido en el campo, la cantidad de accesorios de montaje también se reduce drásticamente. Todo esto implica un ahorro directo y muy significativo de costos.

Al reducir los requerimientos de hardware, también se reducen los tiempos de instalación y requerimientos de mano de obra. La implementación física de las instalaciones es mucho más rápida. Además, las funciones de diagnóstico de Fieldbus identifican cualquier error en las conexiones.

Debido a que se reduce la complejidad del sistema de control, la etapa de diseño (Ingeniería) se desarrolla en menor tiempo y por tanto el costo es menor. La necesidad de diseñar complicados esquemas de control y de cableado se simplifica significativamente.

Las modificaciones futuras,  actualizaciones o ampliaciones son fácilmente implementadas y a un costo menor.

Al seleccionar un sistema reconocido, abierto y bien establecido, el equipo de campo de su planta puede ser intercambiable con equipos de otros fabricantes sin preocuparse por problemas de incompatibilidad.

Los tiempos de parada y pérdidas de producción son reducidos porque los procedimientos de diagnóstico y corrección de fallas del sistema fieldbus permiten tomar acciones rápidamente.

En la actualidad existen muchas opciones de Buses de Campo. Los siguientes buses de campo son considerados obsoletos; con un buen pasado, pero sin mucho futuro:

  •  Modbus.
  •  HART.
  •  Data Highway.
  •  Data Highway Plus.

Algunos sistemas con mejor rendimiento:

  •  Profibus DP. 
  •  Modbus Plus..
  •  Omron Sysmac.
  •  Profibus FMS.
  •  Allen-Bradley Remote I/O.
  •  DeviceNet.
  •  AS-I.
  •  FIP.
  •  Smart Distribuited System. *[1]

 2. Redes Corporativas

Una red corporativa es aquella que permite conectar todas las localizaciones de la empresa de una forma permanente, privada, segura y fiable a través de la fibra óptica de R y mediante la tecnología MPLS. Una red corporativa permite a la empresa cursar todas sus comunicaciones, ya sean datos, voz, vídeo o imágenes, de un modo rápido, seguro y totalmente gestionado para dar “calidad de servicio”. De esta forma se asegura el correcto tratamiento a los distintos tipos de tráfico (por ejemplo, la voz o el vídeo interactivo).y se permite a través de un panel de control conocer en cualquier momento el estado de la red. Disponiendo de un acceso a internet, es posible entrar a una Red Corporativa privada desde varios puntos.

 CARACTERISTICAS

Una red corporativa típica tiene las siguientes características:

  • Muchos segmentos de LAN con una red troncal (por ejemplo, un segmento en cada piso o ala de varios edificios).
  • Más de un protocolo de red.
  • Áreas configuradas con Abrir la ruta de acceso más corta primero (OSPF, Open Shortest Path First).
  • Conexiones de acceso telefónico para usuarios que establezcan una conexión desde su casa o mientras viajan.
  • Conexiones de línea concedida con sucursales.
  • Conexiones de marcado a petición con sucursales.
  • Conexiones con Internet. *[2]

 3. Topologías

 La topología de red es la representación geométrica de la relación entre todos los enlaces y los dispositivos que los enlazan entre sí (habitualmente denominados nodos).Es la forma en que está diseñada la red. La topología puede ser:

 Topología física: Diseño de red del cableado (medio)

 Topología lógica: Define como los hosts acceden a los medios. [3]

 Tipos de Topología

Para el día de hoy, existen al menos cinco posibles topologías de red básicas: malla, estrella, árbol, bus y anillo.


Topología de red

Fig. 1. Tipos de Topología de Red

 Topología en Malla

En una topología en malla, cada dispositivo tiene un enlace punto a punto y dedicado con cualquier otro dispositivo. El término dedicado significa que el enlace conduce el tráfico únicamente entre los dos dispositivos que conecta.

Topología en Malla

Fig. 2. Topología en Malla

Por tanto, una red en malla completamente conectada necesita n(n-1)/2 canales físicos para enlazar n dispositivos. Para acomodar tantos enlaces, cada dispositivo de la red debe tener sus puertos de entrada/salida (E/S).

Una malla ofrece varias ventajas sobre otras topologías de red. En primer lugar, el uso de los enlaces dedicados garantiza que cada conexión sólo debe transportar la carga de datos propia de los dispositivos conectados, eliminando el problema que surge cuando los enlaces son compartidos por varios dispositivos. En Segundo lugar, una topología en malla es robusta. Si un enlace falla, no inhabilita todo el sistema.

Otra ventaja es la privacidad o la seguridad. Cuando un mensaje viaja a través de una línea dedicada, solamente lo ve el receptor adecuado. Las fronteras físicas evitan que otros usuarios puedan tener acceso a los mensajes.

Topología en Estrella

En la topología en estrella cada dispositivo solamente tiene un enlace punto a punto dedicado con el controlador central, habitualmente llamado concentrador. Los dispositivos no están directamente enlazados entre sí.

A diferencia de la topología en malla, la topología en estrella no permite el tráfico directo de dispositivos. El controlador actúa como un intercambiador: si un dispositivo quiere enviar datos a otro, envía los datos al controlador, que los retransmite al dispositivo final.

Topología en Estrella

 Fig. 3. Topología en Estrella

Una topología en estrella es más barata que una topología en malla. En una red de estrella, cada dispositivo necesita solamente un enlace y un puerto de entrada/salida para conectarse a cualquier número de dispositivos.

Este factor hace que también sea más fácil de instalar y reconfigurar. Además, es necesario instalar menos cables, y la conexión, desconexión y traslado de dispositivos afecta solamente a una conexión: la que existe entre el dispositivo y el concentrador. 

Topología en Árbol

La topología en árbol es una variante de la de estrella. Como en la estrella, los nodos del árbol están conectados a un concentrador central que controla el tráfico de la red. Sin embargo, no todos los dispositivos se conectan directamente al concentrador central. La mayoría de los dispositivos se conectan a un concentrador secundario que, a su vez, se conecta al concentrador central. 

Topología en Árbol

 Fig. 4. Topología en Árbol

 El controlador central del árbol es un concentrador activo. Un concentrador activo contiene un repetidor, es decir, un dispositivo hardware que regenera los patrones de bits recibidos antes de retransmitidos.

Retransmitir las señales de esta forma amplifica su potencia e incrementa la distancia a la que puede viajar la señal. Los concentradores secundarios pueden ser activos o pasivos. Un concentrador pasivo proporciona solamente una conexión fisica entre los dispositivos conectados.

Topología en Bus

Una topología de bus es multipunto. Un cable largo actúa como una red troncal que conecta todos los dispositivos en la red.

Topología en Bus

 Fig. 5. Topología en Bus

Los nodos se conectan al bus mediante cables de conexión (latiguillos) y sondas. Un cable de conexión es una conexión que va desde el dispositivo al cable principal. Una sonda es un conector que, o bien se conecta al cable principal, o se pincha en el cable para crear un contacto con el núcleo metálico.

Entre las ventajas de la topología de bus se incluye la sencillez de instalación. El cable troncal puede tenderse por el camino más eficiente y, después, los nodos se pueden conectar al mismo mediante líneas de conexión de longitud variable. De esta forma se puede conseguir que un bus use menos cable que una malla, una estrella o una topología en árbol.

Topología en Anillo

En una topología en anillo cada dispositivo tiene una línea de conexión dedicada y punto a punto solamente con los dos dispositivos que están a sus lados. La señal pasa a lo largo del anillo en una dirección, o de dispositivo a dispositivo, hasta que alcanza su destino. Cada dispositivo del anillo incorpora un repetidor.

 Topología en Anillo

 Fig. 6. Topología en Anillo

Un anillo es relativamente fácil de instalar y reconfigurar.    Cada dispositivo está enlazado solamente a sus vecinos inmediatos (bien físicos o lógicos). Para añadir o quitar dispositivos, solamente hay que mover dos conexiones.

 Las únicas restricciones están relacionadas con aspectos del medio físico y el tráfico (máxima longitud del anillo y número de dispositivos). Además, los fallos se pueden aislar de forma sencilla. Generalmente, en un anillo hay una señal en circulación continuamente.*[4]

Referencias 

  1. J. C. Villajulca, "Los Buses de Campo: Directo al Grano," Automatización, Instrumentación y Control.net, Visto 1 de Julio, Disponible en: http://www.instrumentacionycontrol.net/cursos-libres/automatizacion/curso-supervision-procesos-por-computadora/item/271-los-buses-de-campo-directo-al-grano.html
  2. S. Vázquez, “¿Qué es una Red Corporativa?,” (2009, Apr.), Visto 1 de Julio, Disponible en: http://girlcris.blogspot.com/2009/11/que-es-una-red-corporativa.html
  3. A. Alvaréz, “Topologías de Red,” (2009, Apr.), Visto 1 de Julio, Disponible en: http://alexalvarez0310.wordpress.com/topologias-de-red/
  4. Blog Informático, “Topología de Red” (2008, Apr), Venezuela, Visto 1 de Julio, Disponible en:  http://www.bloginformatico.com/topologia-de-red.php