Fundamentos de Automatización Industrial: Buses de Campo, Sensores y Sistemas SCADA

COMUNICACIONES INDUSTRIALES

Bus de Campo (Fieldbus)

Sistema de comunicación digital de conexión serie que transfiere datos entre elementos primarios de automatización (empleados en fabricación y procesos) y elementos de automatización y control de más alto nivel.

Ventajas del Bus de Campo

• Mejor calidad y cantidad de datos.
• Ahorro de peso y coste en el cableado.
• Reducción de errores.
• Reducción de terminales y cajas de conexión.
• Facilita la localización de averías.
• Menos costoso que el cableado tradicional.
• Mayor seguridad, fiabilidad y disponibilidad.
• Mejor mantenibilidad y evolutividad.
• Garantiza la interoperabilidad e intercambiabilidad.

Dispositivos de Campo

• Detectores Todo-Nada: Dispositivos con salida binaria o con relé.
• Dispositivos de Medida Continua: Utilizan señales estándar (ej. 4-20 mA).
• Dispositivos de Campo Inteligentes: Incorporan memoria y CPU.

Tipos de Buses de Campo

• Bus de Sensores: Sencillo, bajo coste, bus alimentado, mensajes cortos, no intrínsecamente seguro. Utiliza par trenzado con una distancia máxima de 500 m.
• Bus de Campo de Alta Velocidad (BC AV): Utilizado en PLC y DCS, coste medio, bus no alimentado, no intrínsecamente seguro. Utiliza par trenzado con una distancia máxima de 800 m.
• Bus de Campo de Velocidad Media (BC VM): Orientado a instrumentación de proceso y válvulas, coste medio, bus alimentado, intrínsecamente seguro. Utiliza par trenzado con una distancia máxima de 1200 m.
• Redes de Datos: Utilizado para estaciones de trabajo, robots y PC, coste alto, bus no alimentado, mensajes largos, no intrínsecamente seguro. Utiliza cable coaxial con distancias máximas de kilómetros.

Buses Específicos

AS-i (Actuator Sensor Interface)

Bus simple para señal binaria. Transmite potencia y datos en un único cable amarillo con una longitud máxima de 100 m (o 300 m con repetidores).

CAN (Controller Area Network)

Diseñado para reducir el cableado, concentrando múltiples señales en un solo bus.

PROFIBUS (Process Field Bus)

Estándar industrial con tres versiones principales:

• FMS (Fieldbus Message Specification): Intercambio de información entre PLC a nivel de célula.
• DP (Decentralized Periphery): Conexión de dispositivos de campo, orientado a datos de alta velocidad.
• PA (Process Automation): Versión segura, orientada al control de procesos.

ETHERNET Industrial

Utilizado para la comunicación entre PLC y de estos con el nivel supervisor y con herramientas de ingeniería.

SENSORES Y ACTUADORES

Transductores

Dispositivo que convierte la información del sensor en una señal digital.

Sensores

Dispositivo que mide a través de un transductor y convierte el estímulo físico en otra forma más útil (generalmente una señal eléctrica).

Categorías de Sensores

• Analógicos
• Discretos: Binarios o Digitales.

Otros Tipos de Sensores

Temperatura (Tª), RFID, Código de barras, Proximidad, Visión, Giroscopio.

Función de Transferencia

Relación matemática entre la señal de salida y el estímulo de entrada: $S = f(s)$.

• $S$: Señal de salida.
• $s$: Estímulo de entrada.
• Para sensores binarios: $S=1$ si $s>0$ y $S=0$ si $s\le0$.
• Para sensores lineales: $S = C + m \cdot s$.
• $C$: Valor de salida para estímulo cero.
• $m$: Constante de proporcionalidad.

Actuadores

Dispositivo de hardware que convierte la señal de comando del controlador en un parámetro físico o un cambio mecánico. Es también un transductor y puede necesitar un amplificador.

Tipos de Actuadores

• Eléctricos: Motores o solenoides.
• Hidráulicos: Amplifican la señal utilizando fluido.
• Neumáticos: Utilizan aire comprimido.

Motores Paso a Paso

Permiten un posicionado preciso y control mediante pulsos de tensión.

• Tipos: Bipolares (dos sentidos de giro) y Unipolares (un sentido de giro, dos bobinas).
• Modos Unipolares: Paso completo (2 bobinas activas) y Medio Paso (1 bobina activa).

Cálculos Fundamentales

• Ángulo de Paso ($\alpha$): $\alpha = 360 / n_s$ ($n_s$: número de pasos).
• Ángulo Total ($A_m$): $A_m = n_p \cdot \alpha$ ($n_p$: número de pulsos recibidos).
• Velocidad Angular ($\omega$): $\omega = 2\pi f_p / n_s$ ($f_p$: frecuencia de pulsos).
• Velocidad de Rotación ($N$): $N = 60 f_p / n_s$.

CONVERSIÓN ANALÓGICA/DIGITAL (A/D) Y DIGITAL/ANALÓGICA (D/A)

Conversión A/D

Proceso de transformar una señal analógica en una señal digital.

Etapas de la Conversión A/D

1. Muestreo: Convierte la señal de tiempo continuo en una señal analógica discreta.
2. Cuantificación: La señal analógica de tiempo discreto se convierte en un valor concreto. El número de niveles de cuantificación es $N_q = 2^n$ ($n$: número de bits).
3. Codificación: Los niveles discretos de amplitud se convierten a código digital.

Características del Conversor A/D

• Frecuencia de muestreo.
• Cuantificación.
• Resolución ($R_{adc}$): $R_{adc} = L / (N_q - 1) = L / (2^n - 1)$ ($L$: rango de escala).
• Tiempo de conversión.
• Método de conversión.

Error de Cuantificación

El error máximo de cuantificación es $Quan_{err} = \pm 1/2 \cdot R_{adc}$.

Conversión D/A

Proceso de transformar una señal digital en una señal analógica.

Etapas de la Conversión D/A

1. Decodificación: La conversión D/A se realiza en instantes discretos en el tiempo, basada en el valor almacenado. La tensión de salida ($E_o$) se calcula como: $E_o = E_{ref} (0.5 B_1 + 0.25 B_2 + \dots + (2^n)^{-1} B_n)$, donde $E_{ref}$ es la tensión de referencia y $B_n$ es el estado de los bits.
2. Mantenimiento (Hold): Mantiene la señal de salida entre los instantes de decodificación.

SENSORES Y ACTUADORES INDUSTRIALES ESPECÍFICOS

Medida de Posición Binaria

• Micro-switch.
• Sensor óptico.
• Sensor magnético.

Medida de Posición Analógica

• Potenciómetro.
• Sensor capacitivo.
• Transformador Diferencial de Variación Lineal (LVDT): Cuando la bobina se mueve, aparece una tensión proporcional al desplazamiento.
• Galgas Extensiométricas: Basadas en la variación de resistencia ($R = \rho \cdot l / A \approx l^2$).
• Piezoeléctrico: Materiales que cambian de forma con un campo eléctrico y viceversa.

Capacitancia

La capacitancia se calcula como $C = \epsilon \cdot A / d \approx \alpha$ (donde $\epsilon$ es la permitividad, $A$ el área y $d$ la distancia).

Medida Analógica de Velocidad

• Tacómetro: Un imán permanente en rotación induce voltaje en la bobina del estator, generando una tensión analógica que puede ser digitalizada.

Medición de Temperatura (Tª)

• Termorresistencia (RTD): Metal cuya resistencia depende de la temperatura.
• Termistor: Semiconductor cuya resistencia depende de la temperatura.
• Termopar: Par de metales diferentes que generan una tensión proporcional a la diferencia de temperatura.
• Espectrómetro: Mide la radiación infrarroja con semiconductores.
• Bimetal: Indicador mecánico basado en la dilatación de dos metales distintos.

Medidas Hidráulicas y de Proceso

• Caudal.
• Nivel: Medido mediante láser pulsado, pulsos de microondas, ultrasonidos o célula de carga.
• Presión.
• Conductividad.
• Sensor de pH.
• Viscosidad.
• Humedad.

SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)

Aplicación de software de control de producción que se comunica con dispositivos de campo y supervisa el proceso de forma automática desde una pantalla de ordenador.

Funciones del SCADA

• Adquisición de datos.
• Supervisión.
• Control.