Cpi tema4

C. P. I. CONTROL DISTRIBUIDO 4.1
TEMA 4: CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES.
CONTROL DISTRIBUIDO.
4.1.- INTRODUCCIÓN AL CONTROL DE PROCESOS
La medición y el control en la industria son muy importantes, tanto desde el punto de
vista del funcionamiento correcto del proceso como de la consideración del balance adecuado
entre costes y producto final (relación calidad/precio).
El control automático de procesos industriales es hoy en día una actividad
multidisciplinar, en la que hay que tener en cuenta aspectos técnicos (electrónica, informática
de sistemas, etc.), científicos (investigación de nuevos criterios y materiales, etc.) y económicos
(mejora de los márgenes comerciales sin perder calidad y competitividad).
Los sistemas de control sofisticados del tipo de los instalados mediante complejos
elementos de instrumentación, no se han creado de la noche a la mañana, aunque el auge que
viven actualmente así lo pueda parecer. Son el resultado de más de cien años de trabajo de
fabricantes y usuarios, quienes no han de dejado de buscar las mejores soluciones al control
industrial automatizado.
Estos esfuerzos aportaron algunos tipos de control, de acuerdo a la tecnología disponible
en cada época. Las soluciones que se mostraron efectivas, han sobrevivido y, por tanto,
evolucionado, proporcionando de este modo a los usuarios de hoy un abanico de posibilidades
donde elegir las necesidades que se plantean al control automatizado de procesos y todo lo que
significa su implantación.
En la figura 4.1 podemos ver las diferentes soluciones tecnológicas a un problema de
control automatizado, pudiéndose distinguir en ellas, de izquierda a derecha, la evolución que
han ido teniendo de acuerdo al desarrollo de las tecnologías en los diferentes instantes. Este
esquema no debe interpretarse como que la tecnología eléctrica haya reemplazado totalmente
a la fluídica, ni que la primera haya sido desbancada por la solución programada, tan sólo como
que se está produciendo un complemento entre todas, que poco a poco irá situando a cada una
de ellas en el papel que le corresponde.
Lo que no cabe duda es que el papel “dirigente” en cualquier solución a un problema de
automatización correrá a cargo de la informática industrial y que el microprocesador, en
cualquiera de sus formas o versiones, irá copando posiciones relevantes hasta estar presente en
todos los niveles que constituyen un control distribuido.

Fig. 4.1.- Principales soluciones tecnológicas a un problema de control automatizado.
En todo caso, independientemente del tipo de control utilizado, los objetivos del control
de procesos pueden resumirse en:
a) Operar el proceso en forma segura y estable.
b) Diseñar sistemas de control que el operador pueda vigilar, comprender y, cuando sea
necesario, manipular en forma selectiva.
c) Evitar desviaciones importantes respecto a las especificaciones de productos durante
las perturbaciones.
d) Permitir que el operador cambie un valor deseado o punto de consigna (valor de
referencia) sin perturbar indebidamente otras variables controladas.
e) Evitar cambios considerables y rápidos en variables manipuladas que podrían
incumplir restricciones de operación, o perturbar unidades integradas o situadas en
escalafones inferiores.
f) Operar el proceso en forma congruente con los objetivos de calidad de cada producto.
Así, las desviaciones en la calidad podrían ser menos permisivas (mucho más costosas)
en un producto que en otro.
g) Controlar las cualidades del producto en valores que maximicen su utilidad cuando
se consideren índices y valores de productos y además, minimicen el consumo de
energía.

Estos objetivos se han ido incorporando al control de procesos paulatinamente, conforme
la técnica y el conocimiento lo han ido permitiendo.
Para ayudar a comprender estas posibilidades, las siguientes páginas proporcionan un
breve comentario de los diferentes tipos de control de procesos desarrollados, comparando los
tipos de control disponibles hoy. Se analizan con más profundidad los componentes de un
sistemas de control distribuido típico (DCS) por ser la estructura que más futuro ofrece en este
campo interdisciplinar.
4.1.1.- DEFINICIÓN DE CONTROL AUTOMÁTICO
El control automático de procesos es un caso particular del término automatización y
engloba al control electrónico, por ser esta la rama técnica que ha permitido una evolución
continua de la automatización industrial. En la figura 4.2. podemos ver la estructura jerárquica
comentada.
Fig. 4.2.- Jerarquización del Control Automático. El Lazo de Control puede estar presente en varios niveles.

Podemos definir el control automático de procesos como: La elaboración o captación de
un proceso industrial a través de varias etapas, con el uso libre de los equipos necesarios para
ahorrar tiempo manual y esfuerzo mental.
Tal como se ha dicho, el control automático de procesos hace un uso exhaustivo del
control electrónico, valiéndose de éste para completar su esquema clásico, basado en el concepto
de lazo o bucle de control de realimentación, cuya presencia en los distintos niveles del control
automático es normal, tal como aparece reflejado también en la figura 4.2. y cuya estructura
típica se muestra en la figura 4.3.
Fig. 4.3.- Estructura típica de un lazo de control en un proceso.
El significado de los bloques dibujados en esta última figura es:
- CAPTACIÓN: En control de procesos, esto equivale a captar la variable a través de un
elementodemedida(sensor/transductor,instrumentodemedida).Lacaptaciónestánormalmente
formada por componentes locales, es decir, próximos al lugar físico donde se producen los datos
de interés.
- EVALUACIÓN: Consiste en atribuir la importancia adecuada a la captación hecha, de
acuerdo con el algoritmo de control del proceso, es decir, por comparación entre la variable de
proceso captada y el valor deseado o punto de consigna. A partir de aquí, se obtendrá una señal
de corrección.
- ACTUACIÓN: Va dirigida al elemento final de control, siempre y cuando dicha
actuación sea requerida. El elemento final o actuador estará en consonancia con el tipo de
proceso a controlar: motor, válvula, calefactor, etc.
Tanto la evaluación como la actuación, suelen llevarse a cabo mediante los componentes
de panel del sistema de control y que actualmente vienen integrados en un equipo informático,
sirviendo la pantalla como elemento de presentación (evaluación) y el teclado/puntero como
introductor de órdenes de actuación. En muchas ocasiones la actuación como consecuencia de
una evaluación es proporcionada automáticamente por el ordenador situado en el nivel
correspondiente dentro de la jerarquía del control automático del proceso (control distribuido,
DCS).

4.1.2.- HISTORIA DEL CONTROL DE PROCESOS
El control de procesos ha evolucionado históricamente hacia la consecución de un grado
de automatización lo más elevado posible. Así, todo lo comentado en el punto anterior, ha estado
presente a lo largo de la historia del control de procesos, siendo implementado en cada época de
acuerdo a las tecnologías existentes. Hagamos un repaso a esta evolución histórica.
4.1.2.1.- Control Manual
Al principio, los procesos industriales fueron controlados manualmente por un operador.
El operador observaba lo que sucedía (una bajada de temperatura, por ejemplo) y hacía ajustes
(manipular una válvula) basados en las instrucciones de operación y en el propio conocimiento
que el operador tenía del proceso (figura 4.4). Este “lazo de control” (proceso v sensor v
operador v válvula v proceso) ilustra un concepto básico en el control de procesos.
Fig. 4.4.- Control manual: un lazo de control que incluye el proceso, un sensor, el operador y un elemento final de
control (válvula).
Con el control manual, por tanto, sólo la adecuada reacción de un operador
experimentado mediaba entre una evolución normal del proceso y otra errática. Además, un
operador sólo podrá observar y ajustar unas pocas variables del proceso, limitando la
complejidad de las estrategias de control que puedan ser usadas bajo control manual.
A todo lo anterior, habría que añadir el hecho de que la recolección de datos para un
proceso controlado manualmente puede requerir una ardua labor, ya que el operador está,
normalmente, demasiado ocupado para escribir “tiras de números”. Por todo ello, los datos
recogidos manualmente pueden ser inexactos, incompletos y difíciles de usar.
4.1.2.2.- Controladores Locales
Un controlador local permite a un operador llevar el control de varios “lazos” del
proceso. Como un regulador de la presión del gas doméstico, un controlador local usa la energía
del proceso o el aire comprimido de la planta para ajustar la posición de una válvula de control
o cualquier otro elemento final de control. Los controladores locales eran muy utilizados como

dispositivos de control robustos, aunque simples.
Con los controladores locales haciendo el control rutinario, un solo operador puede
manejar, como se dijo antes, varios lazos de control puesto que su función sería más supervisora,
ya que siempre tendrá una visión más amplia y menos exclusiva que el control manual. Por otro
lado, como los controladores locales atacaban directamente al proceso, debían estar repartidos
a través de la planta. Esta distribución de los controladores ocasionaba pérdidas de tiempo en
ajustes, que se hacían de forma aleatoria y con más frecuencia de la deseada. Además, los
controladores locales no hacían nada para eliminar la necesidad de la captación de datos
manualmente y las limitaciones que esto suponía.
Por todo lo anterior, podemos concluir diciendo que los controladores locales permitían
el control de un mayor número de variables del proceso, pero no solucionaban los problemas que
planteaba el hecho de la presencia física del operario en los lugares y momentos necesarios para
hacer muchas de las operaciones.
4.1.2.3.- Control Neumático Centralizado
El desarrollo de los dispositivos de control operados neumáticamente, permitieron un
notable avance en el control de procesos. Con ésta tecnología, las variables del proceso podían
ser convertidas a señales neumáticas y transmitidas hacia controladores remotos. Se entraba en
la confección de los denominados “circuitos neumáticos”.
Usando combinaciones de orificios, palancas, amortiguadores y otros dispositivos
mecánicos complejos, un controlador neumático puede hacer cálculos elementales basados en
el punto de consigna y el valor de la variable a controlar, ajustando el elemento final de control
consecuentemente.
Con controladores neumáticos analógicos, un solo operador puede controlar un grupo de
variables (múltiples lazos) desde una habitación de control remota. Los puntos de consigna son
fácilmente cambiados y un técnico en instrumentación puede ajustar cada controlador para que
aplique adecuadamente el algoritmo de control. Pero la integración de varios lazos de control
realimentados (cerrados) en un simple e interactivo sistema de control es difícil.
La interface operador-proceso mejora en el control neumático respecto del método de
controladores locales. Así, se introducen pantallas que ofrecen información relevante sobre el
proceso. Al tener que observar el operador varias pantallas, el número y complejidad de lazos
de control que uno solo puede controlar queda limitado.
Además, éste modelo de control ofrece demasiadas dificultades para permitir una
respuesta rápida ante un desajuste del proceso o para llevar a cabo frecuentes cambios en la
estrategia operativa. Cambios en el control o en el proceso, reajuste manual de los controladores
y actualización de los conocimientos del operador. Los errores de juicio y la mala interpretación
de las instrucciones son frecuentes.
Con variables de proceso convertidas a señales neumáticas, se pueden usar bandas
perforadas para automatizar la recolección de datos. Sin embargo, la recolección de datos en
grandes sistemas que proporcionaban información sobre muchas variables se ha de seguir

haciendo manualmente.
4.1.2.4.- Controladores Electrónicos de Lazo Simple
En los años 60, los dispositivos electrónicos ya estaban capacitados para ir reemplazando
a los controladores neumáticos. Los controladores electrónicos analógicos de lazo simple eran
precisos, rápidos y fáciles de integrar en pequeños lazos interactivos.
De este modo, la interface para su manejo y control ofrece mejoras respecto de los
controles neumáticos, además de permitir la captación electrónica de datos y un procesado de
éstos con un índice de errores considerablemente mejorado respecto de aquellos.
4.1.2.5.- Control Centralizado por Ordenador. (Control Digital Directo, DDC)
Poco después de la introducción de los sistemas de control electrónicos analógicos y
como consecuencia de la gran expansión que la electrónica estaba teniendo, fueron apareciendo
ordenadores digitales capaces de llevar a cabo el control de procesos, añadiendo a éstos toda la
flexibilidad que da una máquina programable.
Un sistema basado en este modo de control, estaba estructurado en torno a un ordenador
central que recibe todas las entradas del proceso (variables), ejecuta los cálculos apropiados y
produce salidas que se dirigen hacia los actuadores o dispositivos finales de control (figura 4.5).
Así, nació el llamado Control Digital Directo o DDC. El ordenador puede controlar un elevado
número de lazos y variables temporales, además de ejecutar estrategias de control. Un teclado
y un monitor acoplados directamente al ordenador proporcionan una interface del usuario
(operador) con el proceso.
Fig. 4.5.- Control centralizado por ordenador.

La introducción de un ordenador como elemento que lleva a cabo toda la supervisión,
adquisición y análisis de datos, permite a los sistemas de control avanzar más allá del lazo de
control del proceso; ahora pueden ejercer labores de administración, ya que el ordenador puede
también recibir y procesar datos, calcular y presentar operaciones financieras que optimicen la
estrategia de producción, y que junto a las consignas propuestas por el consejo de
administración, establezcan los criterios básicos para dirigir la producción en el sentido
adecuado.
Fig. 4.6.- Componentes de un Control Digital Directo (DDC).

Aunque el modelo DDC ofrece múltiples beneficios y significa un paso adelante muy
importante en los sistemas de control, la “aglomeración de responsabilidades” que se produce
alrededor de un solo elemento (ordenador) acarrea desventajas que habrán de tenerse en cuenta.
Un desglose de los componentes de un DDC es el mostrado en la figura 4.6, en la cual puede
verse que no existe una estructura jerárquica sino que se trata de una configuración en estrella,
en la cual el ordenador es el elemento principal y las “ramas” están constituidas principalmente
por elementos de conexión y acondicionadores de señal.
El manejo de todas las comunicaciones y de las funciones de control para cada uno de
los lazos del proceso, impone unas estrictas condiciones a la capacidad de procesamiento del
ordenador, así como a su velocidad. Si lo anterior fuese poco, el ordenador central también
deberá adquirir otros datos, visualizarlos en pantallas, ejecutar software que permita optimizar
los esquemas y otras tareas más. Como consecuencia de todo ello el control centralizado
mediante ordenador requiere un equipo grande que ofrezca el compromiso entre respuesta en
tiempo real (velocidad) y capacidad de almacenamiento (análisis off-line).
Si el ordenador central falla, la totalidad del proceso se viene abajo, de ahí que los DDC
tengan un ordenador redundante que opera simultáneamente (en paralelo) con el principal. De
este modo, si el principal falla el secundario toma el control. El costo adicional de este segundo
ordenador hace que el control centralizado sea excesivamente caro y no siempre sea la solución
óptima en la automatización de procesos.
Finalmente, la ampliación de un sistema de control DDC suele resultar costosa, de ahí
que inicialmente se debe instalar un equipo sobredimensionado, ya que de otro modo pronto
habría que adquirirse un ordenador mayor. Además, cada una de las entradas y salidas que se
añadan habrán de ser cableadas hasta el ordenador central, o como mínimo hasta un punto
próximo a él; a todo ello habría que unir el hecho de que el software deberá reescribirse para
incorporar estas ampliaciones/modificaciones.
4.1.2.6.- Control Supervisor
Para dotar a los sistemas con ordenador centralizado del nivel de seguridad adecuado y
evitar que una “caída” de éste paralice todo el sistema, se empezaron a utilizar muchas veces
controladores analógicos vinculados directamente al proceso, esto es, optimizados para la
variable que debían controlar. Estos controladores son ahora los que realmente controlan el
proceso, dejando al ordenador central la función de los cambios de puntos de consigna, es decir,
el valor de referencia con el que se ha de comparar la variable controlada para mantenerla
siempre optimizada.
Esta combinación de actuaciones recibe el nombre de control supervisor o control de
puntos de consigna (SPC, Set Point Control) y una estructura típica sería la ofrecida en la figura
4.7, en la cual puede observarse como es en la parte más próxima al proceso donde se materializa
la principal diferencia con el DDC.

Fig. 4.7.- Componentes de un Control de puntos de consigna (SPC).
El estado de la variable a controlar llega ahora tanto al ordenador como al controlador
analógico, que además recibe la consigna adecuada en cada instante y que será calculada por el
ordenador. Si se presenta cualquier avería (especialmente en el ordenador) el controlador regula
la variable del proceso con respecto al último punto de consigna que recibió del ordenador
central. Toda esta actuación local formaría el Lazo de Control, tal como se muestra en la figura
4.7, y proporciona un cierto grado de autonomía al proceso respecto del control centralizado.
Aunque el SPC permite que el control básico del proceso continúe a pesar del posible
fallo del ordenador central, sigue necesitando una ampliación del cableado y un software
adicional en caso de querer ampliar el número de entradas y/o salidas.

4.2.- CARACTERÍSTICAS GENERALES Y ASPECTOS HISTÓRICOS DEL
CONTROL DISTRIBUIDO
El control distribuido es el paso siguiente en la evolución de los sistemas de control que
se han expuesto en el punto anterior. Así, en los sistemas centralizados, ya clásicos, su potencia
de tratamiento se concentra en un único elemento (el ordenador central), mientras que en el
control distribuido la potencia de tratamiento de la información se encuentra repartida en el
espacio. Podríamos decir que los sistemas de control distribuido fueron desarrollados para
proporcionar las ventajas del control por ordenador pero con más seguridad y flexibilidad.
En los años setenta, dentro de los esfuerzos de investigación dedicados a la resolución
del problema del control electrónico de fábricas con gran número de lazos (variables), y teniendo
en cuenta el estado de la técnica de los microprocesadores por un lado y la “fuerte inercia” de
la industria a los cambios por otro, se llegó a las siguientes conclusiones generales:
a) Descartar el empleo de un único ordenador (control DDC) por el serio inconveniente
de la seguridad y sustituirlo por varios controladores digitales capaces de controlar
individualmente un cierto número de variables, para así “distribuir” el riesgo del control
único.
b) Cada controlador digital debía ser “universal”, es decir, disponer de algoritmos de
control seleccionables por software, que permitieran resolver todas las situaciones de
control y dieran así versatilidad al sistema.
c) La velocidad en la adquisición de los datos y su salida hacia los actuadores debía ser
en “tiempo real”, lo que obligaba a utilizar la tecnología más avanzada en
microprocesadores.
d) Para comunicar entre si los transmisores electrónicos de campo (que suministran
datos), los controladores y las interfaces para la comunicación con el operador de planta,
se adoptó el empleo de una vía de comunicaciones, en forma de cable coaxial instalado
en la planta, con un recorrido paralelo a los edificios y a la sala de control.
e) El panel clásico requerido por el control tradicional, se sustituirá por uno o varios
monitores CRT, en los cuales, el operador con la ayuda del teclado/puntero deberá
examinar las variables de proceso, las características de control, las alarmas, etc., sin
perturbar el control de la planta y con la opción de cambiar cualquiera de las
características de control de las variables de proceso.
Como resultado de estos esfuerzos, el primer Control Distribuido para la industria
apareció en noviembre de 1975, bajo el nombre de TDC 2000 y pertenecía a la casa Honeywell.
Enesencia,la diferencia entre el control distribuidoyelcontrolclásicopuedecompararse
a la existente entre una máquina cuya configuración se hace mediante el cambio de cables y otra
donde cualquier modificación se hace por software. En este aspecto el ordenador personal es
un elemento fundamental, tanto a nivel de planta como en escalafones superiores y permite la
visualización de las señales de múltiples transmisores, el diagnóstico de cada lazo de control, el

acceso a los datos básicos de calibración y a los datos de configuración de los transmisores.
Asociando todas las ideas que se han expresado hasta ahora en este punto, podemos
obtener una primera aproximación de lo que sería un esquema básico que vincule los diferentes
elementos que forman un control distribuido. Tal esquema podría ser el mostrado en la figura
4.8 y cuya descripción de los componentes que lo forman pasamos a ver.
Fig. 4.8.- Estructura y componentes de un control distribuido básico.
- Controlador básico (Regulador digital)
Es un módulo estructurado en torno a un microprocesador que permite realizar controles
PID (Proporcional-Integral-Derivativo) y otros algoritmos de control basados en sumas,
multiplicaciones,divisiones,relaciones,raícescuadradas,contadores, etc. Un controlador básico
puede controlar varios lazos, es decir, puede estar “pendiente” de múltiples variables de forma
simultánea y proporcionar un control sobre ellas.
Estos algoritmos pueden configurarse, y en caso de avería en las unidades de control
superiores, el control que ejercerá el regulador digital será el correspondiente al último algoritmo
configurado: tipo de control (directo, inverso, etc.), tipo de señal de entrada (lineal, exponencial,
etc.), alarmas a generar, sensores a muestrear, etc. Como vemos, en este controlador básico se
establece ya el primer paso en la dotación de cierta autonomía a los diferentes elementos de un
control distribuido.
La red de comunicación externa suministra los datos necesarios que definen el
comportamiento del regulador. Estos datos externos junto a los propios del proceso se optimizan,
obteniéndose los parámetros que se introducen en el algoritmo de regulación y que unidos a la
consigna (referencia), permitirán enviar al proceso la actualización correspondiente.

Normalmente la optimización suele ser un acondicionamiento de señal más o menos
complejo: ADC/DAC, conversión V/F, variación de nivel, comparación, etc.
En la figura 4.9 podemos observar el diagrama de bloques que define la estructura interna
de un regulador digital y nos muestra su modo de funcionamiento.
Fig. 4.9.- Diagrama de bloques de un regulador digital o controlador básico.
- Controlador multifunción
Utiliza en su programación un lenguaje de alto nivel y permite controlar procesos
complejos en los que el regulador digital básico no puede:
* Control de procesos por lotes o discontinuos (batch). Un ejemplo puede ser una cadena
de dosificación en la que no se fabrica siempre el mismo producto y hay que estar
variando la consigna de los dosificadores de acuerdo al producto o receta que se esté
fabricando en el momento.
* Control en tiempo real. La complejidad de las ecuaciones y la dinámica del proceso no
pueden ser encomendadas a un controlador básico.
Elcontroladormultifunciónsueleestarconstituidoporunequipobasadoenunordenador
personal con elevada capacidad operativa y de comunicación.

- Estación de trabajo del operador
Proporciona la comunicación con todas las señales de la planta para el operador de
proceso, el ingeniero de proceso y el técnico de mantenimiento. La presentación de la
información a cada uno de ellos se realiza mediante programas de operación. De este modo:
a) El operador de proceso ve en la pantalla/s un gráfico/s del proceso (o parte de él) que
le interesa, y puede manipular las variables deseadas, las alarmas, las curvas de
tendencia, etc. Puede archivar datos históricos de la planta que crea interesantes, obtener
copias en impresora de las tendencias o de los estados de alarma, etc.
b) El ingeniero de proceso puede editar los programas de control del proceso, construir
las representaciones en pantalla de partes del proceso, etc. Tendrá un acceso al proceso
mucho más “crítico” que el operador y su actuación será más puntual que la de éste.
c) El técnico de mantenimiento se dedicará desde la estación de trabajo,
fundamentalmente, a diagnosticar y resolver problemas en los elementos de control
distribuido de la planta.
Todos los componentes del control distribuido están perfectamente comunicados entre
ellos, siendo ésta la clave para conseguir una elevada eficiencia global.
El control distribuido tiene una seguridad mejorada con relación a los sistemas de control
convencionales. El sistema es redundante y limita las consecuencias de un fallo, manteniendo
el control del sistema y mejorando la fiabilidad.
4.3.- SECCIONES Y NIVELES QUE FORMAN UN CONTROL
DISTRIBUIDO
Combinando los conceptos de lazo de control y comunicaciones industriales, un sistema
de control distribuido (DCS) consta de uno o más “niveles” de control, los cuales, están
vinculados con el fin de ejecutar conjuntamente tareas complejas con un máximo de efectividad
y una elevada optimización en el uso de los recursos.
En la figura 4.10 se muestra la relación existente entre los diferentes niveles de un DCS,
sobre los cuales sería interesante hacer la siguiente precisión: en su definición original (clásica)
eran los niveles 1, 2 y 3 los que realmente formaban el DCS, estando el restante (4) más
vinculado al sistema de gestión de la empresa. Sin embargo, hoy en día, cuando se habla de
control distribuido se está haciendo referencia a la totalidad de la figura 4.10, de ahí que se
tienda a utilizar cada vez más el nombre de sistemas de información total.
En los niveles inferiores de un control distribuido estarán aquellos elementos que están
en contacto con el proceso y, por tanto, ajustados a los parámetros y variables que el proceso
suministra y que el DCS debe controlar.

Fig. 4.10.- Niveles, conexiones y elementos que intervienen en un sistema de control distribuido (DCS).
En los niveles superiores, los ordenadores, estaciones de trabajo e incluso los autómatas
pueden llevar a cabo funciones adicionales tales como: concentración de datos, análisis y
optimización de unidades (plantas o divisiones corporativas con cierto grado de autonomía) del
proceso. La adición de algún otro nivel al DCS puede también ayudar a integrar actividades
relacionadas con una división o una planta, tal como compras, recepción de material, control de
inventario, facturación, control de calidad y servicios al cliente o usuario.
Los sistemas de control distribuido multinivel poseen todas las posibilidades de un
sistemas de control centralizado, mientras conservan la flexibilidad, seguridad y rapidez de
respuesta de los controladores autónomos basados en microprocesadores. Por ejemplo, el fallo
de cualquier componente de un DCS afecta sólo a una pequeña parte del proceso, si acaso. Por
otro lado, si un elemento de un nivel superior falla, los controladores del NIVEL 1 continuarán
el control del proceso normalmente, entendiendo por normalidad la ejecución de la última labor
encomendada (programada).
A diferencia de un sistema centralizado, sólo el NIVEL 1 debe estar conectado a las
entradas y salidas del proceso. Un bus de datos sirve para la comunicación entre los
controladores y la interface del operador. Esta distribución física en varios niveles de control
puede reducir significativamente el coste del cableado y las modificaciones y mantenimiento
pueden llevarse a cabo sin interrumpir el proceso.
Inclusive,losDCSsonfácilmenteampliables. Cualquier dispositivo quehayadeañadirse
se comunica con otros dispositivos ya instalados en el mismo lugar. Esta modularidad
proporciona una significativa mejora de costes durante todas las fases de un plan de
automatización.

4.3.1.- ELEMENTOS QUE PARTICIPAN EN CADA NIVEL
Si bien hay una cierta difuminación en las fronteras que separan los distintos niveles de
un DCS, todavía se pueden enclavar ciertos elementos o componentes en determinados niveles,
pues son característicos de ellos. En todo caso, no se puede cerrar un nivel con los elementos que
se van a incluir en cada uno de ellos en los siguientes párrafos, dejando siempre abierta la
posibilidad de una nueva incorporación, reflejando de este modo el carácter abierto y flexible
que debe rodear a todo DCS.
NIVEL 1:
Este nivel es el denominado de planta o proceso y es el que físicamente se encuentra en
contacto con el entorno a controlar, tal como su nombre indica.
Para maximizar los beneficios de un DCS, en este nivel se utilizan sensores, actuadores
y módulos de E/S de los denominados “inteligentes” y que generalmente están basados en
microprocesadores (regulación digital). Este tipo de elementos son muy flexibles, permitiendo
modificar tanto el control como los cambios requeridos en el proceso, además de ofrecer una
fácil ampliación en caso necesario. Inclusive, los módulos de E/S pueden manejar varios lazos
de control, ejecutar algoritmos específicos, proporcionar alarmas, llevar a cabo secuencias
lógicas y algunos cálculos y estrategias de control altamente interactivas.
Los sensores, transductores, actuadores y demás instrumentos de análisis incluidos en el
NIVEL 1, se encargan de comunicar las condiciones del proceso al sistema de control por un
lado, y por otro, ajustan el proceso de acuerdo con las ordenes recibidas desde el sistema de
control, del mismo nivel o superior. En el primer caso tendríamos los sensores y transductores
e instrumental de campo y en el segundo los actuadores.
La coordinación de todos estos elementos se hace, bien mediante un bus de campo, bien
mediante un bus de dispositivos. La conexión de los actuadores y sensores al resto del DCS se
hará directamente al bus de comunicación o a los módulos de E/S, dependiendo de las
posibilidades de comunicación que posean. A su vez, los módulos de E/S pueden ser unidades
de pequeños autómatas, siendo estos los que integrarán las comunicaciones necesarias.
La instalación de todo lo relacionado con este nivel de control se lleva a cabo por
personal altamente especializado, ya que el mismo elemento (sobre todo transductores y
actuadores) unos centímetros adelante o atrás no mide o actúa con igual fidelidad. Estos
componentes, sobre todo los transductores, son muy sensibles y precisan unas condiciones de
trabajo muy definidas, por lo tanto es fundamental elegir el dispositivo adecuado para evitar
multitud de problemas “sin lógica aparente”.
NIVEL 2:
Suele denominarse generalmente de control y regulación. En este nivel se encuentra la
interface de operaciones de cada uno de los procesos controlados.
La interface de operaciones o consola será una estación tipo ordenador personal, ya que
constará de teclado, unidad de visualización y puntero. Esta interface permite al operador
observar el estado del proceso y programar los elementos vinculados a él, individualmente si
ello es necesario. Los autómatas (PLC’s) ubicados en este nivel suelen ser de prestaciones más

C.P.I. CONTROL DISTRIBUIDO 4.17
elevadas, dotados de módulos de comunicaciones industriales (buses de campo), además de sus
funcionalidadescaracterísticas.Por otro lado, los ordenadores iránequipadoscontarjetasamodo
de interface, que permitirán la relación adecuada con el entorno. Ambos equipos “extraen” los
datos más significativos del nivel inferior mediante los puentes de comunicaciones adecuados
(gateway o bridge) y los ponen a disposición de la interface de operaciones.
La interface de operaciones permite al operador ver datos del proceso en cualquier
formato. Los formatos pueden incluir una visión global del estado del proceso, representaciones
gráficas de los elementos o equipos de proceso, tendencias de las variables, estado de alarmas
y cualquier otro tipo de información. El operador usa el teclado/puntero para dirigir los
controladores, requerir información del proceso, ejecutar estrategias de control y generar
informes de operación. Esta interface se ubica físicamente cerca del proceso o procesos
controlados.
En este segundo nivel nos encontramos con las celdas o células, vinculadas a los
diferentes procesos (cada una a uno, normalmente) y en ellas se pueden producir los primeros
descartes de productos a raíz de las anomalías detectadas.
Los niveles 1 y 2 tienden a integrarse cada vez más en uno solo: control y regulación en
planta. Ello es debido, principalmente a que los elementos de campo (NIVEL 1) son cada vez
más sofisticados, arrebatando el campo a los controladores del NIVEL 2, ya que algunos de ellos
además de incluir varios elementos a la vez (transductor, acondicionador, regulación digital),
posee una interface lo suficientemente potente como para comunicar directamente con niveles
superiores. De hecho, la consola de operaciones del NIVEL 2 puede ser usada para interrogar
odirigiruncontroladorinteligentedelNIVEL1. Estacombinacióndeinteligencia,controladores
independientes e interface de operador, proporciona la seguridad, velocidad, potencia y
flexibilidad que es la esencia de un DCS.
NIVEL 3:
Este nivel es el conocido como de mando de grupos y en él se sitúa la denominada en su
día “interface del ingeniero” y que hoy en día suele conocerse como “interface para el control
de la linea de producción”.
Esta interface (con cualquiera de sus nombres) de un DCS facilita la coordinación de las
diferentes células existentes en el nivel inferior, a la vez que supervisa y controla toda una área,
permitiendo obtener una visón más amplia de lo que se está ejecutando en la planta. También
proporciona información importante a los ingenieros después de la instalación y puesta en
marcha del sistema.
Para mejorar la productividad, una “interface de ingeniero” deberá ser fácil de usar,
rápida y eficiente. Menús de operaciones y bases de datos ayudan a mejorar el uso y la
productividad. De ahí que en este nivel se incluyan, sobre todo, ordenadores con software muy
específico.
En este nivel se produce también un análisis pormenorizado de los datos generados en
niveles inferiores y se producen los descartes definitivos. Además se aplican los criterios más
exigentes de control de calidad y se planifica la producción a medio y corto plazo.

En el NIVEL 3 de un sistema de control distribuido se produce la primera centralización,
entendiendo por ello la concentración masiva de información, gracias a lo cual se pueden
planificar estrategias sofisticadas en lo que a la producción industrial se refiere. Así, en este nivel
se deciden aspectos productivos tan importantes como entrada y salida de materiales, es decir,
la logística de aprovisionamiento.
NIVEL 4:
Es el nivel de dirección de la producción. En este nivel se define la estrategia de la
producción en relación con el análisis de las necesidades del mercado y se formulan previsiones
de producción a largo plazo. Sobre estas previsiones, se planifica la producción en el NIVEL 3.
En este cuarto nivel se utilizan estaciones de trabajo, que permiten simular estrategias de
producción e intercambiar datos con otros departamentos vinculados (diseño, I+D, etc), además
de establecer posibles cambios en ingenierías de los procesos.
Es un nivel con enfoques más mercantiles, por lo que no profundizaremos más en él y
tan sólo añadiremos que los ordenadores en este nivel están especializados en gestión y
almacenamiento de datos, además de estar vinculados mediante la red de comunicación
correspondiente a sus respectivas aplicaciones.
4.3.2.- COMUNICACIÓN ENTRE LOS DIFERENTES NIVELES
Como se ha podido ver a lo largo de los puntos desarrollados hasta aquí, los sistemas de
control distribuido (DCS) dependen de la comunicación entre los diferentes equipos y
dispositivos, situados en muchos casos en varios niveles de control. Cualquier nivel debe ser
capaz de interrogar y dirigir dispositivos de niveles inferiores y comunicarse eficazmente con
dispositivos situados al mismo o superior nivel. Con todo ello, lo que se pretende es dar la
“sensación” de que todos los componentes de un DCS están conectados sobre una única vía de
comunicación (figura 4.11), aunque en la realidad se haga uso de gateways que comunican los
distintos niveles y elementos.
Fig. 4.11.- El DCS debe aparecer como un conjunto de elementos perfectamente comunicados.
Un sistema de control distribuido no tiene por qué constar siempre de la estructura de
cuatro niveles comentada anteriormente, ya que su complejidad dependerá, esencialmente, de
los procesos a controlar y de la complejidad de estos. El utilizar una o varias rutas de datos

(redes de comunicación industrial) va a estar condicionado por los aspectos comentados
anteriormente y cuestiones tan obvias como la antigüedad de los equipos que deben coexistir,
ámbito de cobertura del DCS, grado de automatización de la planta, etc.
En todo caso, no debemos olvidar las ventajas de enlazar todos estos equipos en lo que
constituye un DCS (o también denominado a veces CIM, sistema de fabricación integrada) y que
son, esencialmente, las siguientes:
A) Posibilidad de intercambio de información entre equipos y módulos electrónicos que
controlan fases sucesivas de un mismo proceso global.
B) Facilidad de comunicación hombre-máquina, a base de terminales inteligentes (PC’s)
que permiten programar u observar el proceso en términos de lenguaje muy próximo al
humano. El sistema admite la observación y la intervención del operador humano en
forma interactiva a través de un terminal con teclado y pantalla que sustituyen al ya
obsoleto sinóptico.
C) Adquisición de datos de sensores y procesamiento de los mismos con vistas al control
de calidad, gestión, estadística u otros propósitos.
D) Facilidad de cambios, o lo que es lo mismo, flexibilidad de las células de fabricación
para adaptarse a la evolución y a la diversificación de los productos. Como ejemplo
típico basta pensar en la industria del automóvil, sometida a una continua evolución de
modelos y variantes. La poca facilidad de cambios haría cuestionar el nombre de “células
flexibles” que se da a estas estructuras.
E) Posibilidad de utilizar lenguajes de alto nivel, que permitan tratar bajo un mismo
entorno todas y cada una de las islas automatizadas, desde la fase de diseño (CAD/CAE)
hasta la fase de explotación y gestión.
La clave para llegar a obtener todas estas ventajas está en un sistema de comunicación
potente y robusto, a la vez que flexible, que permita integrar en él productos de cualquier
fabricante, siempre que cumpla con alguno de los estándares abiertos. Aparte de los sistemas de
comunicación específicamente industriales, las redes de área local tienen mucho que decir en
éste sentido.
4.3.2.1.- Redes de Área Local en Aplicaciones Industriales
En cualquier sistema de automatización de la producción es imprescindible un
intercambio de datos. En muchos casos, dicha comunicación es preciso realizarla siempre entre
componentes de automatización con más o menos años a sus espaldas, y en la mayoría de los
casos de diferentes fabricantes.
La tendencia actual se encamina hacia una integración de la automatización de forma
que, en ningún momento, los equipos que la componen sean considerados como islas de
automatización, sino que estén dotados de un poder de comunicación que revierta en la
posibilidad de realizar análisis estadísticos de producción, horas de funcionamiento de cada una

de las máquinas, realización de mantenimientos preventivos, etc. Dicho de otra forma, hoy en
día ya no se concibe un automatismo, por pequeño que sea, que no tenga como elemento
adicional un PC o una pequeña pantalla en la cual se puedan visualizar los datos antes
mencionados.
Si el número de elementos que forman la planta automatizada no es muy elevado,
probablemente no sea aconsejable recurrir a una estructura de niveles como la correspondiente
a un sistema de control distribuido y, simplemente, con una sola vía de comunicación entre ellos
baste para conseguir óptimos resultados.
Pero, si hablamos de automatismos un poco más complejos y por tanto de plantas
extensas y con elevado control electrónico, la tendencia vendrá dada por la famosa estructura de
niveles de control distribuido (figura 4.10). En dicha estructura tenemos que los niveles
superiores eran ocupados por los ordenadores y equipos de producción y dirección y los más
bajos por los elementos de campo y aquellos módulos de E/S que realizarían los trabajos más
simples.
Pues bien,las LAN(LocalAreaNetwork)industrialesintentanquelacomunicaciónentre
todos los niveles sea completa, es decir, que los puntos más altos puedan saber en todo momento
qué es lo que se está realizando en los puntos más bajos y, en caso necesario, poder dar ordenes
hacia ellos, al ser posible sin la intervención de los “gateways”, en lo cual cada vez se avanza
más. Para ello es necesario una red única que recorra todos los niveles implicados.
En la figura 4.12 se muestra la solución aportada en éste sentido por la firma alemana
Siemens mediante su red Ethernet TCP/IP desarrollada para facilitar la interconexión tanto de
equipos propios como de otros fabricantes dentro de los niveles superiores de un DCS.
Aunque importante, la solución para las comunicaciones de Siemens no es la única,
existiendo otras que, aunque más localizadas, están funcionando en plantas con mucha entidad,
tanto desde el punto de vista productivo como tecnológico, por lo que tienen su sitio propio en
las comunicaciones industriales. Tal es el caso del protocolo MAP (Manufacturing Automation
Protocol). Este protocolo para la automatización de la fabricación persigue, como Ethernet
Industrial, la uniformidad de las comunicaciones en el máximo número de niveles posibles.
El MAP fue un primer intento de estandarización a nivel global impulsado por General
Motors, y que a la larga se convirtió en un modelo que han ido adoptando múltiples fabricantes
de equipos de automatización. Las razones de esta iniciativa fueron que G.M. preveía (en los
años 80) que para finales de los 90 debía integrar en red unos 400.000 sistemas automáticos, más
o menos dedicados, y que el coste de los gateways/bridge necesarios era, en muchos casos, del
mismo orden de magnitud o superior al de los propios equipos o niveles que se deseaba unir.
Dada la entidad y el poder de compra de la firma americana y de otras del sector que le
siguieron, muchos fabricantes de PLC, CNC y robots incorporaron el protocolo MAP a sus
productos de gama alta, alcanzando rápidamente altos niveles de estandarización.

CNC
PC/VME
VME/PC
PLC DCS
Controlador
Area
Ethernet/TCP/IP TCP/IP/Ethernet
PROFIBUS-FMS
PROFIBUS-DP PROFIBUS-PA
Nivel de
fábrica
Tiempos de
ciclo bus
< 1000 ms
Nivel del
celda
Tiempos de
ciclo bus
< 100 ms
Nivel de
campo
Tiempos de
ciclo bus
< 10 ms
CNCCNC
PC/VMEPC/VME
VME/PCVME/PC
PLCPLC DCSDCS
Controlador
Area
Controlador
Area
Ethernet/TCP/IP TCP/IP/Ethernet
PROFIBUS-FMS
PROFIBUS-DP PROFIBUS-PA
Nivel de
fábrica
Tiempos de
ciclo bus
< 1000 ms
Nivel del
celda
Tiempos de
ciclo bus
< 100 ms
Nivel de
campo
Tiempos de
ciclo bus
< 10 ms
Fig. 4.12.- Estructura de comunicaciones entre los niveles de un DCS propuesta por SIEMENS.
Las características básicas de una red basada en el protocolo MAP son:
Enlace físico: Cable coaxial/UTP-STP/FO
Codificación: Modulación banda ancha
Estructura: Bus físico IEEE 802.4
Velocidad: 10 - 50 - 100 Mbits/s
Protocolo acceso: Paso de testigo (Token Passing Bus)
El MAP es un protocolo pensado para redes más o menos grandes, pero sobre todo
LAN's, resultando excesivamente caro y complejo para aplicaciones de pequeña y mediana
envergadura, sobre todo para la interconexión de los pequeños controladores. En vista de esto
se creó un subjuego del protocolo totalmente compatible denominado MINIMAP pensado para
la interconexión de elementos en losniveles inferiores, abaratando costes, ganando en “agilidad”
y sin perder robustez y fiabilidad.
4.3.2.2.- Entradas y Salidas en el Nivel Inferior: Buses de Campo
Aunque existan protocolos como el MINIMAP que pretenden bajar el uso de la red local
hasta los niveles inferiores de un sistema de control distribuido, no dejan de ser (sobre todo el
MAP) protocolos que manejan grandes volúmenes de datos para la transmisión de ficheros y no
resultan apropiados para trabajar en tiempo real, como lo exige el nivel de mando de las
máquinas con tiempos de reacción muy cortos o en la utilización de transductores y actuadores.
Efectivamente, la LAN (MAP o MINIMAP, Ethernet, etc.) resulta un sistema
excesivamente complejo y caro para los elementos de los niveles inferiores, cuyas exigencias de
comunicación se centran, en la mayoría de los casos, en pequeñas tramas o incluso a nivel de bit

(cerrado/abierto, activo/no activo). Por tanto, para este tipo de elementos se requiere una red de
nivel inferior, con protocolo ágil, cableado fácil y barato y que permita enlazar periféricos de
bajo nivel a un control maestro. Este, a su vez, puede disponer de un interfaz de enlace con una
LAN y a través de ésta a redes WAN. Esta red local de nivel inferior se denomina bus de campo
(fieldbus).
El bus de campo constituye el nivel más simple y próximo al proceso dentro de la
estructura de comunicaciones industriales. Está basado en procesadores simples y utiliza un
protocolo mínimo para gestionar el enlace entre ellos. Comoveremos a continuación, este último
hecho no le resta la fiabilidad y posibilidades de expansión necesarias a este nivel, pues de
hecho, los buses propuestos más recientemente contemplan la posible integración del bus a una
estructura de comunicaciones jerárquicamente superior y más potente, tal como se requiere, por
ejemplo, en los sistemas de control distribuido.
Antes de que apareciesen los buses de campo, la comunicación tradicional en este ámbito
se basaba casi exclusivamente en tecnología de señal analógica de lazo de corriente 4-20mA con
conexiones punto a punto, es decir cada elemento de campo se conectaba directamente a su
controlador o terminal específico de éste. Así, una topología tradicional a nivel de campo podría
presentar un aspecto como el mostrado en la figura 4.13.
Fig. 4.13.- Topología de un sistema tradicional en el nivel de planta o proceso.
Sin embargo, la automatización del control de procesos ha generado unas necesidades
de comunicación entre equipos y sistemas que no pueden ser cubiertas satisfactoriamente por
comunicaciones del tipo 4-20mA o similares. Así, en un primer paso aparecen las uniones punto
a punto entre determinados equipos: autómatas, controladores, centrales de medida, etc. Esta
forma de comunicación no se considera basada en bus de campo, ya que muchas de estas uniones
carecen de protocolo y se basan simplemente en compartir ciertas áreas de memoria de los
citados equipos a través de lo que se denominan variables comunes. Así pues, la característica
básica para que una red de comunicación pueda denominarse propiamente bus de campo es que
permita intercambiar órdenes y datos entre productos de un mismo o de distintos fabricantes a

través de un protocolo reconocido por cada uno de los nodos.
Con la aparición de los buses de campo el esquema se simplifica considerablemente y
el añadir un nuevo elemento de campo tan sólo supone efectuar una simple conexión a dicho bus,
que normalmente estará próximo al citado elemento. Esto puede observarse en la figura 4.14.
Fig. 4.14.- Topología de un bus de campo (nivel de planta o proceso).
El bus de campo aporta a la estructura de comunicaciones de cualquier sistema de control
un amplio conjunto de ventajas:
* Reparto de la capacidad de proceso a nivel de planta, facilitando la comunicación de
datos entre dispositivos de elevada funcionalidad (autómatas, controladores, etc.)
* Un sistema digital de transmisión de señal que incrementa la seguridad y fiabilidad ante
pequeñas señales procedentes de transductores y que están sometidas al ruido eléctrico
típico de los ambientes industriales.
* Una interface que unifica la heterogeneidad de dispositivos, bien por su naturaleza,
bien por su procedencia. Una especificación de bus soportada por distintos fabricantes,
permitirá la interconexión de sus equipos.
A las ventajas anteriores se pueden añadir otras que resultarán más o menos tangibles
para el usuario, pero que si el bus de campo es seleccionado correctamente para adecuarse a la
aplicación, se manifestarán siempre de forma positiva, tanto en términos productivos como de
costes:
* Reducción de la complejidad del sistema de control en términos de necesidades de
hardware, ya que el número de controladores lógicos, autómatas, módulos de E/S, etc.
se verá reducido, arrastrando ello una disminución de cuadros y montajes de
interconexión.

* Instalación y mantenimiento. Al reducirse los requerimientos de hardware también se
reducen los costes y tiempos de instalación, mantenimiento y mano de obra. Afrontar
nuevas instalaciones es mucho más rápido, sencillo y seguro, así como las tareas de
diagnóstico y verificación de errores de conexión.
* Proyecto y diseño.Comoconsecuencia de la disminución de la complejidad del sistema
de control, el proyecto y diseño resulta mucho más sencillo, rápido y barato,
reduciéndose drásticamente el número de elementos que aparecen en los diagramas y
esquemas: instrumentos, cajas de conexión y terminales, cableados, etc.
* Posteriores modificaciones, ampliaciones y rediseños se llevan a cabo con mayor
facilidad y economía.
* La selección de un bus de extendido reconocimiento y aceptación, permite
intercambiar equipos de planta entre catálogos de distintos suministradores, sin
necesidad de conocer cuestiones técnicas de bajo nivel, sobre todo referentes a conexión
y compatibilidad.
* Los tiempos de mantenimiento y pérdidas de producción son reducidos, debido a la
existencia de procedimientos y herramientas de alto nivel para diagnóstico y búsqueda
de errores.
Bus de campo: definición y características generales
El bus de campo (fieldbus, en inglés) es la suma de un protocolo y una tecnología de
comunicación cuyo resultado es una red industrial de carácter digital y que transporta
información, generalmente, en banda base. El protocolo, la corta longitud de los datos y la
velocidad de transmisión que alcanza (1 Mbit/s), le hace ideal para comunicar dispositivos y
equipos de campo en tiempo real. Así, inicialmente era utilizado como medio de comunicación
entre sensores, actuadores, controladoresdigitalesbásicosyautómatas de clase baja; pero debido
a la mejora en la velocidad de transmisión y la ínfima tasa de errores, el bus de campo ha pasado
a ser considerado como una red local en los entornos de planta, por lo que suele verse haciendo
funciones que antes correspondían exclusivamente a las LAN (Local Area Network).
Dando por hecho que un bus de campo aporta a las comunicaciones industriales todo lo
anteriormente citado, se le debe exigir, además:
- Interconectividad: equipos de diferentes fabricantes pueden ser conectados físicamente
a un mismo bus.
- Interoperabilidad: posibilidad de intercambiar con éxito información entre equipos de
diferentes suministradores.
- Intercambiabilidad: equipos de cualquier procedencia pueden ser reemplazados por
equipos funcionalmente equivalentes de otras procedencias.
El mínimo común denominador de estos tres requisitos será la interconectividad, pero

1
El conjunto de todas estas tareas es lo que muchas veces se conoce en las redes locales como
“protocolo”, aunque hay quien prefiere decir que el protocolo es esto más algunas funciones desarrolladas a
nivel de hardware.
por si sola no ofrecerá beneficios significativos. Si la interoperabilidad no puede ser lograda,
la implementación del bus de campo carece de valor y es inútil. Aunque no debemos prescindir
de la intercambiabilidad, ésta se establece más como una última meta y solo podrá ser lograda
si las especificaciones del bus son completas, además de arbitrarse los pertinentes sistemas de
comprobación y validación de los criterios anteriores.
El mejor aval para que un bus de campo cumpla con los requisitos anteriores será el
respeto a la estructura de niveles OSI (Open Systems Interconnection), que aunque pensada para
otros tipos de redes de más entidad, es perfectamente asumible por los protocolos de este tipo
de redes industriales.
Hasta el momento han sido varios los intentos de crear un estándar para el bus de campo,
pretendiendo siempre conseguir un enlace multipunto entre elementos cuya principal finalidad
son las tareas de control y que suelen tener una capacidad de comunicación limitada, por lo cual
no permiten implementar un protocolo al estilo de las grandes redes. Todo ello no debe suponer
una perdida importante de velocidad, ni tampoco un incremento de precio y complejidad no
justificables.
Las característica generales más comunes de los buses de campo son las siguientes:
- Los estándares de comunicación a nivel de bus de campo suelen cubrir sólo una parte
del modelo OSI, concretamente los niveles 1 (físico), 2 (enlace) y en algunos casos el 7
(aplicación). El resto de niveles no son imprescindibles para una red de tipo muy local,
donde los medios de conexión son de uso exclusivo y la estructura lógica es única. Sólo
algunas funciones que se podrían considerar propias de los niveles 3 (red) y 5 (sesión)
se añaden a los niveles 2 y 7 para enlazarlos entre sí. (Figura 4.15)
- En general, las especificaciones de un determinado bus admiten más de un tipo de
conexión física de entre las normalizadas. Sin embargo, la más común es un bus
semiduplex, comunicación en bada base, tipo RS-485. Se encuentran también opciones
que trabajan con RS-422 y conexiones en bucle de corriente.
- Lo que realmente define el tipo de bus y le da nombre, son los dos grupos en que se
dividen las tareas asignadas al nivel de enlace de datos1
del modelo OSI (nivel 2): MAC
(Control de Acceso al Medio) y LLC (Control de Enlace Lógico). Dicho protocolo suele
incluir también un soporte, más o menos rudimentario, para la capa o nivel de aplicación
(7), que consiste en la definición de una serie de funciones y servicios de la red mediante
códigos de operación estándar.
- El nivel de aplicación (7), dirigido al usuario, suele ser propio de cada fabricante,
apoyándoseenlasfuncionesestándarantesmencionadasparacrearprogramasdegestión
y presentación casi siempre dedicados a una gama específica de productos. A lo sumo,
el software de aplicación es abierto y permite la programación en un lenguaje estándar

para que cada usuario pueda configurar el nivel de presentación a su conveniencia,
basándose en librerías estándar.
- Salvo rara excepción (BITBUS, por ejemplo), todos los buses de campo suelen utilizar
comunicación serie asíncrona, con un rango definido de velocidades que permitan acotar
los tiempos de repuesta (funcionalidades determinísticas).
- En la mayor parte de los buses de campo, el protocolo está previsto para gestionar una
red con estructura lógica de tipo maestro-esclavo, donde el control de la red lo tiene
siempre el maestro. Existen, sin embargo, algunos buses más recientes que proponen una
estructura con la posibilidad de maestro flotante o multimáster.
- Aunque la mayor parte del tráfico es periódico, gestionan el tráfico aperiódico de forma
muy eficiente y su capacidad para gestionar mensajes está orientada a mensajes cortos
o de pequeño tamaño.
- Poseen mecanismos de control de errores muy optimizados y redundancia para evitar
fallos que dejen al bus fuera de servicio.
NIVEL 7
APLICACIÓN
Funciones y Librerías estándar.
Microprocesador / Microcontrolador.
NIVELES 3-6
NIVEL 2
ENLACE DE DATOS
LLC: Control de Enlace Lógico.
MAC: Control de Acceso al Medio
NIVEL 1
FÍSICO
Tipos de conectores, Niveles de tensión,
Medios de transmisión, etc.
Fig.4.15.- El bus de campo según el modelo de niveles o capas ISO/OSI.
4.3.2.3.- Clasificación de los buses de campo
Al ser el control de procesos industriales un mercado que genera unas grandes
expectativas económicas, todos los fabricantes de equipos para este sector intentan acaparar un
trozo de dicho mercado para, posteriormente, intentar mantenerlo e incrementarlo por (casi)
cualquier medio. Precisamente una de las formas de evitar la pérdida de clientes es creando un
sistema de comunicaciones propio en el entorno industrial, optimizado perfectamente para sus

equipos y prestando unos servicios excelentes: fiabilidad, rendimiento, etc. Todo lo anterior nos
sitúa ante un mercado con más de cien buses de campo, prácticamente incompatibles unos con
otros, lo cual ha llevado a plantear la necesidad de crear un bus de campo estándar o
normalizado. Para ello, un primer paso importante es clasificar los buses de campo en
propietarios y abiertos.
Los buses de campo propietarios reciben este nombre por ser propiedad intelectual de
una compañía particular, por lo cual no se puede hacer mucho con ellos a no ser que se adquiera
una licencia, las cuales son controladas a discreción del propietario, sometidas a restricciones
de uso y a elevados pagos de derechos.
Losbuses de campo abiertos se caracterizanpor seguir criteriosopuestos a los anteriores:
- Sus especificaciones completas deben estar publicadas y disponibles a precios
razonables para cualquiera que desee adquirirlas.
- Sus componentes críticos deben estar disponibles en las mismas condiciones.
- Los procedimientos de validación y homologación deben estar bien definidos y abiertos
a cualquiera.
Todo ello se traduce en un bus de campo que cualquiera puede utilizarlo o desarrollar
productos basados en él, a un coste y esfuerzo razonables.
Esta primera clasificación de los buses de campo ha sido tenida en cuenta por todos
aquellos organismos que han realizado alguna vez el intento de crear un estándar. El más serio
de estos intentos de normalización, por parte de un organismo internacional de reconocido
prestigio, ha sido el emprendido por el IEC (Comité Electrotécnico Internacional), cuyo comité
TC65C-WG6 ha definido unas reglas marco bastante genéricas, constituyendo esto un punto de
partida importante para acercarse al tan deseado estándar. Las condiciones fijadas como marco
por el IEC son las siguientes:
1.- Nivel físico. Bus serie controlado por un maestro, comunicación semiduplex
trabajando en banda base.
2.- Velocidades. Dos alternativas: 1 Mbit/s para distancias cortas o valores inferiores,
entre 250 Kbits/s a 64 Kbits/s, para distancias largas.
3.- Longitudes. Dos alternativas: 40 m para la máxima velocidad y 350 m para
velocidades más bajas.
4.- Número de periféricos. Máximo de 30 nodos, con posibles ramificaciones hasta un
máximo de 60 elementos.
5.- Tipo de cable. Pares de cables trenzados y pantalla (STP).
6.- Conectores. Bornes de tipo industrial o conectores tipo D9 o D25.

7.- Conexión/desconexión “on line”. La conexión y/o desconexión de algún nodo o
derivación no debe interferir el tráfico de datos.
8.- Topología. Bus físico con posibles derivaciones hacia los nodos o periféricos.
9.- Longitud de ramificaciones. Máxima longitud de las derivaciones de 10 m.
10.- Aislamientos. 500 Vc.a. permanentes entre elementos de campo y bus. Tensión de
prueba 1500 Vc.a./1 min.
11.- Seguridad intrínseca. Opción a conectar elementos de campo con tensiones
reducidas para atmósferas explosivas.
12.- Alimentación. Opción de alimentar los elementos de campo a través del bus.
13.- Longitud de mensajes. Mínimo 16 bytes por mensaje
14.- Transmisión de mensajes. Posibilidad de dialogo entre cualquier par de nodos sin
repetidor. Esto no excluye, sin embargo, la posibilidad de que la comunicación se haga
a través de un maestro ni tampoco excluye el empleo de repetidores “transparentes” para
incrementar las distancias de transmisión.
15.- Maestro flotante. Posibilidad de maestro flotante entre diversos nodos.
16.- Implementación de protocolo. Los circuitos integrados que implementen el
protocolo deben estar disponibles comercialmente y ser de dominio público (no
protegidos por patentes de exclusividad).
Obsérvese que las especificaciones son bastante detallistas a nivel físico, pero deja muy
abierto los niveles de enlace y aplicación (no se especifica la trama del mensaje ni las funciones
disponibles), con lo cual y desde el punto de vista del usuario, es probable que dos nodos que
cumplan las recomendaciones marco del IEC no puedan siquiera intercambiar caracteres entre
sí y casi seguro que no serán capaces de intercambiar información, a menos que la estación
“maestra” ejerza las funciones de pasarela. Esto es algo parecido a lo que ocurre con dos
dispositivos con sendos canales RS-232 que se intercambian bits a nivel físico, pero que son
incapaces cada uno de interpretar los mensajes del otro.
Las condiciones marco propuestas por el IEC admiten varios posibles candidatos a bus
de campo estándar. Hay que tener en cuenta además, que muchos buses comerciales disponibles
en la actualidad nacieron antes de la normativa IEC y, por tanto, no cumplen algunos de los
requisitos. Con estas consideraciones, el comité SP50 de ISA/IEC comenzó a elaborar lo que se
pretendía que fuera el bus de campo estándar y que fuese siendo adoptado poco a poco por los
principales fabricantes de equipos, sistemas y demás componentes orientados al control de
procesos, el Fieldbus. Sin embargo, aunque el número de equipos y usuarios de este pretendido
estándar ha aumentado en los últimos años, los resultados obtenidos están muy lejos de lo
pretendido, pues ninguno de los fabricantes de entidad ha evolucionado desde su propio bus de
campo hacia el Fielbus, y lo que han hecho ha sido rediseñar parte de la línea de productos que
ya poseía para ofertarla con este nuevo bus de campo. El resultado es que se sigue estando ante

una auténtica “torre de Babel” en lo que se refiere a compatibilidad de productos a este nivel.
Atendiendo a esta última afirmación y para no quedarnos en una descripción vaga de los
buses de campo, hemos creído conveniente analizar aspectos variados de algunos de los que
actualmente están más extendidos, procurando que no sean exclusivos de una sola marca. El
estudio lo hemos concretado en los siguientes: PROFIBUS, FIP, HART, Y FIELDBUS.
4.3.2.4.- Buses de Campo en el Mercado
Vamos a ofrecer en éste apartado una breve visión de los buses de campo más
representativos, bien por su volumen de implantación, bien por sus características y usos
particulares. Cada uno de ellos lo vamos a describir desde los aspectos que más le caracteriza
frente a los demás: modos de trabajo, tipos de conexión, tratamiento de la información, etc.
4.3.2.4.1.- Profibus
Profibus (PROcess FIeld BUS) fue un proyecto conjunto financiado por el Ministerio
Federal de Investigación y Tecnología de Alemaniaen el que participaron 18 empresas alemanas
para especificar, desarrollar y probar un nuevo bus de campo digital para instrumentos y
dispositivos de control en el nivel más bajo de la jerarquía de automatización y control.
Sin embargo, hoy en día Profibus es un modelo de comunicación industrial de carácter
internacional, estando presente en multitud de plantas distribuidas por todo el mundo. Por ello
se hace necesario una gestión eficaz y rigurosa de todo lo referente a este bus de campo. Sin duda
alguna, la entidad que más peso tiene para el desarrollo de éste estándar de comunicación es
Profibus Internacional, que reúne a todas las asociaciones de usuarios de Profibus y ha
establecido una certificación cualificada de los sistemas y equipos mediante un test de
interoperatividad. (interconectividad + interoperabilidad + intercambiabilidad). Todo producto
certificado aparece en la guía de productos Profibus con su número de certificado.
Veamos a continuación los aspectos más destacados de Profibus repartidos en dos
bloques: datos técnicos y perfiles de Profibus.
En el primero de ellos veremos de forma esquemática un resumen de los aspectos más
tangibles del bus, los métodos de acceso y las técnicas de transmisión que se utilizan. En el
segundo bloque nos dedicaremos a conocer los diferentes perfiles que éste sistema de
comunicación ha desarrollado con la finalidad de dar cobertura a todas las necesidades que el
control en planta exige: Profibus FMS, Profibus DP y Profibus PA.
Datos técnicos, métodos de acceso y técnicas de transmisión en Profibus.
En los datos técnicos podemos observar la versatilidad de Profibus y el abanico de
posibilidades que cubre para adaptarse a las necesidades de la comunicación industrial.

Estándar PROFIBUS según EN 50 170
Método de acceso Paso por testigo con maestro-esclavo
Velocidad de transmisión 9.6 kbit/s - 12 Mbit/s
Medio de transmisión eléctrico: cable de dos hilos apantallado
óptico: cables de FO (cristal y plástico)
sin hilos: infrarrojos
Máx. nº de nodos 127
Tamaño de la red eléctrica: máx. 9.6 km (depende de velocidad)
óptica: 150 km (depende de velocidad)
Topologías Bus, árbol, estrella, anillo, anillo redundante
Aplicaciones Comunicación de proceso, campo o datos
Datos técnicos de PROFIBUS
Método de acceso al bus
PROFIBUS
Estaciones activas, equi.maestros
Estaciones pasivas, los esclavos son consultados
PLCPLC
PC
Fig.4.16.- Esquema que muestra los dos métodos de acceso al medio de Profibus.
En el método de acceso podemos distinguir entre dos casos: en el primero, mediante
tramas especiales (testigos) en el bus, las estaciones tipo master se van pasando el turno de
ocupación de éste, por lo que entre ellas se forma un anillo lógico, ya que físicamente la
topología es siempre en bus. El segundo caso es cuando una estación principal o master se hace
con el bus. Durante este tiempo, se encargará de consultar a sus estaciones esclavas a la máxima
velocidad posible.

Técnicas de transmisión
PROFIBUS, RS 485
Transmisión asíncrona NRZ según RS 485
Velocidad desde 9.6 kBit/s hasta 12 MBit/s seleccionable en escalones
Cable de par trenzado y apantallado (9,6 Km) o FO (aprox. 150 Km)
32 estaciones por segmento, máx. 127 estaciones permitidas
Distancia: 12 MBit/s = 100 m; 1.5 MBit/s = 400m; < 187.5 kBit/s = 1000 m
Distancia ampliable mediante repetidores hasta 10 km (caso de cable)
Conectores sub-D de 9 pines
PROFIBUS PA, IEC 1158-2
Codificación síncrona Manchester, 31.25 kBit/s en corriente
Cable de par trenzado apantallado o sin apantallar
Distancia hasta 1.900 m por segmento, ampliable mediante repetidores
máx. 127 estaciones (sin Enlace DP/PA), 10-32 por segmento (dependiendo de
que sean zonas clasificadas y el consumo)
Perfiles de Profibus
Profibus nos ofrece tres perfiles, cada uno de ellos adaptado a unas necesidades concretas
de comunicación en la planta. Así, tenemos:
‘ Para tareas universales de comunicación: Profibus-FMS
< Comunicaciones Multimaster
< Amplia gama de comunicaciones
‘ Para intercambio de datos rápido y cíclico: Profibus-DP
< Plug & Play
< Eficiente y rentable
‘ Para automatización de procesos en áreas con riesgo de explosión: Profibus-PA
< Alimentación vía bus
< Seguridad intrínseca
Cada uno de los perfiles anteriores se estructura según la pila de protocolos OSI y están
soportados en el estándar EN 50170, excepto el nivel (no OSI) de usuario, el cual es específico
del protocolo, con el fin de aprovechar al máximo sus prestaciones. La arquitectura de cada uno
de los perfiles se muestra en la siguiente figura 4.17.

Arquitectura del protocolo
Perfiles PA
FMS
Device
Profiles
IEC Interface*
FMS
IEC 1158-2
Usuario
Nivel
(3)-(6)
Aplicación
(7)
Enlace
(2)
Físico
(1)
No usado
PA
EN 50 170 Perfiles PROFIBUS
DP
DP-Extensiones
Fieldbus Data Link (FDL)
Fieldbus Message
Specification (FMS)
Perfiles DP
RS-485 / Fiber óptica
Funciones básicas DP
Un sistema típico de PROFIBUS-FMS
está compuesto por varios equipos
de automatización inteligentes:
PC
PLC como sistema de control
Terminales de operador inteligentes
Configuración PROFIBUS-FMS
Fig.4.17.- Perfiles de Profibus según la pila de protocolos OSI.
A continuación se ofrecen distintas figuras que muestran las configuraciones básicas de
las redes Profibus, de acuerdo con los perfiles comentados anteriormente, pudiéndose observar
los elementos o equipos típicos que suelen formar parte de ellas.
Fig.4.18.- Configuración típica de una red Profibus-FMS.

Maestro
Un sistema típico PROFIBUS-DP consiste en:
Un PLC o PC como sistema de control
Varios dispositivos E/S como:
E/S digitales o analógicas
Accionamientos AC o DC
Válvulas magnéticas o neumáticas
Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo
Configuración PROFIBUS-DP
Configuración PROFIBUS-PA
"SpliTConnect
como hub"
Segmento
PROFIBUS-PA
DP/PA Link
24 V
εx+
PROFIBUS-DP
"SpliTConnect
con
resistencia de
cierre"
Fig.4.19.- Configuración típica de una red Profibus-DP.
Fig.4.20.- Configuración típica de una red Profibus-PA.
Aunque con las figuras y comentarios que se han dado a lo largo de este punto podría ser
suficiente para saber el posicionamiento y uso de los distintos perfiles de Profibus, a
continuación se ofrece un cuadro que nos muestra, de forma resumida, los parámetros más
característicos de estos.

PROFIBUS-FMS PROFIBUS-DP PROFIBUS-PA
Aplicación Nivel de célula Nivel de campo Nivel de campo
Estándar EN 50 170/IEC 61158 EN 50 170 /IEC 61158 IEC 1158-2
Dispositivos PLC, PG/PC, PLC, PG/PC, Dispositivos de campo
conectables Dispositivos de Dispositivos de campo para áreas con riesgo de
campo binarios y analógicos, explosión y 31.25 kbit/s
accionamientos, OPs
Tiemp. respuest. < 60 ms 1 - 5 ms < 60 ms
Tamaño red <= 150 km <= 150 km Máx. 1.9 km
Velocidad 9.6 kbit/s - 9.6 kbit/s - 31.25 kbit/s
12 Mbit/s 12 Mbit/s
Fig.4.21.- Resumen de las prestaciones básicas de los tres perfiles Profibus.
4.3.2.4.2.- WorldFIP
En 1985, bajo la coordinación del Ministerio de Investigaciones Francés, un grupo de
usuarios publicó un documento describiendo una visión de las necesidades futuras de
interconexión de dispositivos en plantas tanto de proceso continuo como discreto (por lotes), que
fue la base conceptual sobre la que se desarrolló posteriormente el protocolo FIP (Factory
Information Protocol). El resultado de dichos trabajos adoptó la forma de estándar nacional
francés, quedando registrado en las normas NFC-46-601/2/3/4/5/6/7, siendo reemplazadas
posteriormente por el estándar europeo WorldFIP EN 50170, volumen 3. La diferencia
fundamental entre el nuevo estándar europeo y el francés es la adopción, por parte del primero,
del estándar internacional IEC 1158-2 para el nivel físico. Esto va a permitir la migración de
WorldFIP al estándar internacional FF (Fieldbus Foundation), o sea, al tan pretendido bus de
campo estándar y unificado.
WorldFIP es un protocolo diseñado para enlazar dispositivos de bajo nivel (sensores,
actuadores) con dispositivos de más alto nivel (PLC’s, controladores industriales, etc) en
sistemas de automatización en los que se pretende un control distribuido de los procesos.
Además se puede utilizar con diferentes tipos de arquitecturas: centralizada, descentralizada
(síncrona o asíncrona) o maestro-esclavo. WorldFIP permite, igualmente, distribuir la
inteligencia, el control y los datos entre las distintas unidades presentes en la red, es decir, un
algoritmo puede estar ubicado en una única unidad de procesamiento, o distribuirse entre varias.
Esto es posible gracias al mecanismo de distribución de datos de WorldFIP, que garantiza la
consistencia espacial y temporal de los mismos.
Debido al manejo simultáneo de información crítica y no crítica, la red WorldFIP utiliza
un protocolo determinista, el cual garantiza al usuario que cada bloque de información se
transmitirá en un intervalo de tiempo predeterminado.

A
Arbitraje
del
Bus
ID_DAT_A
Estación
Estación
Estación
Estación
Estación
1
2
3
4
5
PRODUCTORCONSUMIDOR
CONSUMIDOR
CONSUMIDOR
Modo de Operación de WorldFIP
En WorldFIP, una red está formada por estaciones con dos tipos de funcionalidad. Una
de ellas es la función de arbitraje del bus, que se encarga de gestionar el acceso al medio de
transmisión. La otra es la función de productor-consumidor.
Cualquier estación WorldFIP puede realizar simultáneamente estas dos funciones; pero
en un instante de tiempo dado, sólo una única estación puede estar realizando la función de
arbitraje del bus. La estación que arbitra el bus dispone de una tabla que contiene una lista de
identificadores que circula a través del bus: es la denominada tabla de arbitraje del bus que
veremos posteriormente.
El trabajo de la estación que arbitra el bus es relativamente simple. Utiliza la petición de
consulta ID_DAT para difundir sobre el bus el nombre de un identificador (en la figura 4.22, A).
Esta consulta se registra simultáneamente por todos los niveles de enlace de datos de todas las
estaciones conectadas en el bus. Una y sólo una de dichas estaciones se reconoce a sí misma
como la productora de dicho identificador (estación 5). Por el contrario, una o más del resto de
las estaciones, entre ellas la que arbitra el bus, reconoce que son consumidoras de la variable en
cuestión (figura 4.22).
Fig.4.22.- Petición de consulta lanzada al bus por el árbitro. La estación 5 se reconoce como productora del
identificador (ID_DAT_A).
El productor de la variable (estación 5) difunde entonces el valor del identificador
mediante una respuesta del tipo RP_DAT. Este valor se captura simultáneamente por todas las
estaciones consumidoras del identificador A. En la figura 4.23 dichas estaciones son la 1, 3 y el
árbitro del bus. La estación encargada del arbitraje realiza, de nuevo, el mismo procedimiento
con el siguiente identificador de la tabla de rastreo, iniciándose de nuevo el ciclo de
comunicación ya comentado.
Una ventaja que añade este sistema productor-consumidor es que cuando se conecten
nuevas estaciones consumidoras al bus, no se necesita un tiempo adicional para suministrar
dichas variables a las nuevas estaciones.
El árbitro del bus es el “director de la orquesta” formada por los elementos enganchados
a la red. Cuando se configura el sistema, se define en el árbitro del bus la lista de variables a
difundir y las periodicidades asociadas con cada una de ellas. A partir de esta información se

Arbitraje
del
Bus
RP_DAT_A
Estación
Estación
Estación
Estación
Estación
1
2
3
4
5
PRODUCTORCONSUMIDOR
CONSUMIDOR
CONSUMIDOR
confeccionan las tablas de arbitraje. Si esta configuración se valida correctamente y se respetan
las restricciones de tiempo para el intercambio de las variables listadas, el árbitro del bus repite
indefinidamente el mecanismo descrito anteriormente (figuras 4.22 y 4.23). Esta es una de las
labores más delicadas en la planificación del sistema.
Fig. 4.23.- Respuesta enviada por el productor y capturada por los consumidores.
El rastreo de una variable es determinista, es decir, WorldFIP garantiza que una variable
con una periodicidad dada se rastrea en el instante adecuado. Para ello, se deben conocer de cada
variable aspectos temporales tales como:
< Periodicidad: Tiempo máximo que debe transcurrir entre dos rastreos
consecutivos de una variable. Normalmente se da en milisegundos.
< Tiempo total necesario para realizar una transmisión elemental: nº de bits de
la trama, multiplicado por el tiempo de duración de un bit, teniendo en cuenta la
velocidad de transmisión del medio (normalmente 1Mbit/s). Su valor se da en
:segundos.
La figura 4.24 muestra una posible distribución en el tiempo de los identificadores a, b,
c y d, en función de la frecuencia de llamada.
Cada periodo de tiempo constituye un ciclo elemental. En el primer ciclo elemental, el
árbitro del bus rastrea todas las variables, mientras que en el segundo sólo lo hace con la variable
a. Un macrociclo consiste en la yuxtaposición de ciclos elementales. El número de ciclos
elementales que forman un macrociclo se obtiene dividiendo el mínimo común múltiplo de las
periodicidades entre el máximo común divisor de estas. Por ejemplo, si asignamos unos valores
de periodicidad (en milisegundos), tales como: a = 5, b = 10, c = 15 y d = 20, tendremos un mcm
= 60 y un MCD = 5, por lo que su cociente nos dará 12, siendo ese el número de ciclos
elementales que componen el macrociclo.
El ejemplo anterior también nos dice que entre el inicio de dos ciclos elementales
consecutivos, no deberá transcurrir más de 5ms, ya que esa es la menor de las periodicidades.
El tiempo asignado a un ciclo elemental en WorldFIP, se debe repartir entre los tres tipos
de tráfico que el árbitro puede ejecutar sobre el bus:

2
Debemos entender que llamar a una variable puede suponer tanto conocer su valor (temperatura) como
actuar sobre el elemento que la “contiene” (apertura de una válvula, giro de un motor, etc.).
- Tráfico cíclico o periódico: es el más simple y eficiente y su modo de operación ha
sido comentado anteriormente con detalle. Recordemos que en este ciclo el árbitro llama
consecutivamente a una serie de variables por su nombre2
(identificador), de acuerdo con un
orden preasignado en la tabla de rastreo. Pueden existir varias tablas e ir cambiando de una a
otra. Esto resulta de gran utilidad, por ejemplo, en procesos batch multifórmula.
- Tráfico aperiódico para las variables de proceso: en este tipo de tráfico, el árbitro
llama a diversas variables que le han sido previamente solicitadas por un consumidor
determinado en una operación anterior. En su momento, el árbitro pondrá dichas variables a
disposición de los receptores pertinentes, previa solicitud al productor.
- Tráfico aperiódico para mensajes: este es un caso sensiblemente excepcional con
relación a los dos anteriores. Cuando una estación desea transmitir un determinado mensaje a
una o varias estaciones, el árbitro le concede un derecho de emisión, con lo que, en un espacio
de tiempo del ciclo elemental, puede proceder a ejecutar la operación de transmisión. Al finalizar
este derecho, una trama de finalización le comunica al árbitro que tome de nuevo el mando del
bus. Ejemplos representativos de este tráfico podrían ser un mensaje para el operador que está
en una estación de trabajo, la carga de un programa de autómata programable en su memoria (el
autómata solicita a un PC dicho programa) o la parametrización íntegra de un sensor inteligente
(se han anulado los parámetros anteriores, voluntaria o involuntariamente).
Fig. 4.24.- Llamada (rastreo) y distribución en el tiempo de los identificadores en World FIP.

Tal comoqueda reflejado en la figura 4.24, eltráfico aperiódico deberáadaptarsesiempre
al tiempo del ciclo elemental que quede, una vez finalizado el tráfico periódico o cíclico.
Para finalizar el apartado dedicado a éste bus de campo, se ofrece un resumen de sus
aspectos técnicos más relevantes.
CARACTERÍSTICAS GENERALES
ORGANISMO CREADOR / PROPIETARIO DEL BUS Club WorldFIP
AÑO DE INTRODUCCIÓN 1985, 1988
TIPOS DE APLICACIÓN
Enlace de dispositivos de bajo nivel con dispositivos de
más alto nivel en sistemas de control distribuido
A DESTACAR
Protocolo abierto y diversos fabricantes de chips.
Acuerdo con FF para la migración a IEC.
REDUNDANCIA
Admite redundancia en el canal de transmisión y en la
estación que arbitra el bus
SEGURIDAD INTRÍNSECA
No. Alimentación y señal por pares independientes.
Fiabilidad elevada ante EMI
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS
TOPOLOGÍA DE RED Bus (a árbol)
MEDIO FÍSICO Par trenzado y apantallado. Fibra óptica
Nº MÁXIMO DE NODOS
256: 64 nodos por segmento y un máximo de 4 segmentos mediante el
uso de repetidores
LONGITUD MÁXIMA DEL BUS
750 m/segmento a 1Mbit/s, 1900 m/segmento a 31'25 Kbits/s y 500
m/segmento a 2'5 Mbits/s. Hasta 3'75 Km en total, conectando un
máximo de 4 repetidores.
INTERFACE ELÉCTRICA Compatible FF, según IEC 1158-2
MECANISMOS DE TRANSPORTE
MÉTODOS DE COMUNICACIÓN
Punto a punto, productor/distribuidor/consumidor con gestión
mediante polling centralizado y redundante mediante intercambio
periódico y aperiódico de variables y mensajes, o, conducido por
eventos
PROPIEDADES DE LA TRANSMISIÓN
31'25 Kbits/s, 1Mbit/s, 2'5 Mbits/s Sobre par trenzado con
codificación Manchester
5 Mbits/s Sobre fibra óptica
TAMAÑO DEL PAQUETE DE DATOS
Variables de hasta 128 bytes y mensajes de hasta 256 bytes. Hasta
64000 identificadores de mensajes y variables
MÉTODO DE ARBITRAJE
Centralizado. Mensajes punto a punto o multipunto, mediante
direccionamiento de 24 bits (segmento y nodo de destino).
Identificadores de variables de 16 bits
DIAGNÓSTICOS
Para comprobar: Mensaje caducado, intento de monopolizar la red
por parte de un nodo y validación de variables

TEMPORIZACIÓN Y CONTROL DE ERRORES
CONTROL DE ERRORES
CRC de 16 bits. Detección de un error en el bus
redundante
TIEMPO DE CICLO: 256 señales discretas (16 nodos
con 16 E/S)
2 ms a 1 Mbit/s
TIEMPO DE CICLO: 128 señales analógicas (16
nodos con 8 E/S)
5 ms a 1 Mbit/s
TRANSFERENCIA DE UN BLOQUE DE 128 BYTES 5 ms a 1 Mbit/s
4.3.2.4.3.- Hart
El bus de campo, en cualquiera de sus estándares actuales, ofrece interesantísimas
perspectivas. Sin embargo, el modo de operación y la implantación que tienen algunos de ellos
les augura una larga vida y una estimable aportación a lo que podría ser un bus de campo
estándar. Entre estos, probablemente, estará el protocolo o bus de campo HART (Highway
Addressable Remote Transducer).
Este protocolo nace con la idea de compatibilizar modelos tradicionales en la
comunicación de campo (4÷20mA) con modelos más actualizados que permiten llevar a cabo
un control distribuido de los procesos, es decir, buses de campo. Así, aun sabiendo que estos
ofrecen las máximas perspectivas en el futuro, los usuarios de numerosas plantas que todavía
utilizan señales analógicas 4÷20mA no contemplan la posibilidad de grandes cambios
estructurales, o bien, los harán paulatinamente, sin prisas.
Ante esta situación y sin perder de vista que el futuro pasa por el control distribuido a
nivel de campo, los usuarios se preguntan: ¿cómo podrían aprovecharse las ventajas de la
comunicación digital (bus de campo) sin renunciar bruscamente al modelo analógico?. La
respuesta la dio en su momento (1986) Rosemount con el protocolo Hart. Éste es un protocolo
que permite la utilización simultánea e independiente de la comunicación digital con la
analógica convencional, sustituyendo los instrumentos de medida y control convencionales por
los inteligentes tipo Hart (denominados por Rosemount, Smart), tal como se aprecia en la figura
4.25.
De este modo se obtienen importantes beneficios:
‘ Se mantienen las estrategias de control actuales y los lazos de control
convencionales (generalmente 4÷20mA). Esto último permite mantener el
cableado existente.
‘ La información digital adicional transmitida a través de este protocolo: variables
medidas, rango del instrumento, información del producto, diagnosis, etc., se
puede utilizar durante las fases de instalación, calibración, mantenimiento y
operación.

Fig. 4.25.- Protocolo Hart: permite trabajar con señales analógicas y digitales simultáneamente.
Supongamos el siguiente caso:
Una planta tiene un medidor de presión analógico conectado mediante un par de hilos
a “su” controlador (también analógico). En un instante determinado se toma la decisión de
actualizar el control electrónico de la planta, empezando por los transductores, por lo que el
medidor de presión analógico se cambia por uno tipo smart. Este nuevo medidor seguirá
comunicándose con el controlador analógico mediante 4-20mA pero ahora tendremos dos
ventajas añadidas:
- Mediante un terminal de mano “enganchado” al bus Hart y de forma digital podremos
comunicarnos con el transmisor smart sin interferir en el controlador analógico (ni en
el proceso general). Figura 4.26.
- En un futuro se podrá cambiar el controlador analógico por otro digital o mixto
(compatible Hart), con el aumento de posibilidades que ello implica.

Fig. 4.26.- El terminal portátil Hart permite un total control y supervisión del bus, independientemente del tipo de
controlador.
Cuando la planta esté automatizada plenamente, no se necesitará un controlador por
“lazo”, sino que un solo controlador digital será capaz de proporcionar el control necesario para
varios dispositivos de campo tipo smart. Con todo ello nos podríamos encontrar con una nueva
estructura, figura 4.27, que alcanza máximos niveles de fiabilidad, flexibilidad y capacidad de
procesamiento.
Fig. 4.27.- Estructura altamente automatizada con protocolo Hart en el nivel de campo.

20mA
4mA
t
Señal Analógica
Señal con información
Digital
“1”
“0”
Señales eléctricas y modos de operación en el protocolo Hart
Tal como se ha dicho anteriormente, el protocolo Hart conserva el estándar 4-20mA
como señal para el control de procesos, añadiendo simultáneamente la posibilidad de transmitir
datos digitales sobre el proceso.
La comunicación digital se lleva a cabo sobre el mismo lazo analógico (figura 4.28), sin
verse alterada ninguna de las señales que conjuntamente “viajan” por el par de hilos Hart. Esto
permite mantener la rapidez de comunicación que proporciona la señal analógica en un control
de procesos, a la vez que da acceso al usuario a una extensa variedad de diagnósticos digitales
e información de mantenimiento sobre los equipos vinculados al bus (protocolo) Hart.
Fig.4.28.- Señales eléctricas presentes en el bus Hart. Simultaneidad de ambas. La representación no está hecha a
escala
¿Cómo se puede mantener la compatibilidad analógico-digital sobre un mismo par de
hilos?
El protocolo Hart utiliza para la comunicación digital la transmisión de “1” y “0”
mediante la técnica FSK (Frecuency Shift Keying, codificación por desplazamiento en
frecuencia), compatible además con el estándar Bell 202.
Tal como puede observarse en la figura 4.29, cuando se desea transmitir un cero lógico,
se envía durante el tiempo prefijado una señal senoidal de valor 2’2 KHz y cuando la transmisión
se corresponde con un uno lógico la frecuencia de la señal senoidal es de 1’2 KHz. En ambos
casos el valor medio de las señales senoidales es cero por lo que no añaden componente continua
a la señal analógica 4-20mA, pudiéndose hablar de verdadera comunicación simultánea sin
interrupción de la señal que informa sobre el proceso (variable de proceso).
Con todo lo expuesto sobre la compatibilidad de señales en el protocolo Hart, podemos
hablar de que los instrumentos compatibles con este bus de campo pueden operar en dos modos:

Fig. 4.29.- Señales eléctricas presentes en el bus Hart. El valor medio de la señal digital es siempre cero y por tanto no
afecta a la señal analógica.
- Modo híbrido o Comunicación punto a punto: por el bus “circulan” datos analógicos
y digitales combinados. Tal es el caso mostrado en la figura 4.30, en la que podemos distinguir
los siguientes elementos:
* Smart Device: transmisor inteligente enviando el valor de la variable medida,
en este caso, en modo analógico (4-20mA) al Control System.
* Pantalla: visualizador actuando en modo digital.
* Hand-held Communicator: terminal de mano inteligente trabajando en modo
digital que permite conocer variables del proceso, hacer la calibración de dispositivos
smart, almacenar datos tanto en los instrumentos como en el propio terminal de mano,
etc.
* Control System: es la unidad central que junto a su terminal controla el bus
Hart; ejerce de maestro primario.
* Gateway-Computer: además de los elementos descritos, se puede conectar otro
equipo de proceso y/o control con un protocolo de comunicaciones diferente al Hart o,
simplemente, integrar este nivel de informaciónconotrodesuperiornivel.Enestoscasos
se utilizaría una pasarela de comunicación o Gateway que proporcionaría el cambio de
protocolo entre ambos lados de la comunicación. El Gateway básico viene implementado
sobre una tarjeta para slot PC.
Por último para el modo híbrido, señalar que pueden estar actuando dos dispositivos
máster (primario y secundario) en el bus Hart. Así, en la figura 4.30 el Control System (maestro
primario) y el Hand-held Communicator (maestro secundario) pueden comunicarse con el
dispositivo de campo (Smart Device).

Fig. 4.30.- El protocolo Hart funcionando en el modo híbrido: comunicación analógica y digital.
- Modo digital: este modo, también denominado multidrop o comunicación multipunto,
permite la conexión de hasta 15 dispositivos smart en un solo bus (par de hilos).
Con el protocolo Hart, varios dispositivos pueden conectarse en red mediante una simple
línea de comunicación, tal como muestra la figura 4.31. Este modo de trabajo está especialmente
recomendado para aplicaciones de monitorización remota. Puesto que el protocolo Hart usa el
sistema de comunicación Bell 202 (estándar para modem), permite a los dispositivos smart
operar sobre líneas telefónicas (normalmente alquiladas). Así, dichos dispositivos pueden ser
conectados directamente a la línea alquilada y comunicarse con un punto central situado a
decenas o cientos de kilómetros. En este caso sólo sería necesario una fuente de alimentación
local, sin más accesorios o elementos de comunicación que los modem que permiten el acceso
a las líneas telefónicas. En este modo de actuación se pueden conectar a la red (telefónica)
cualquier número de dispositivos compatibles Hart. Sin embargo, la mayor parte de los países
europeos no permiten la transmisión de señales Bell 202 a través de sus líneas.
Cuando se utiliza una sola fuente de alimentación para varios dispositivos smart, el
número de éstos queda limitado a 15.
En una red punto a punto (dos únicos elementos conectados directamente) se usa el
número cero para interrogar al dispositivo smart. En una red multidrop la dirección para
“interrogar” (polling) a un dispositivo smart será siempre un número mayor que cero. Al
aparecer la dirección de un elemento sobre el bus Hart, dicho elemento sitúa su salida analógica
a 4mA (el mínimo valor analógico) y establece la comunicación digital solicitada por el
controlador principal (master).

MAESTRO
MODEM
RTC CONVERSOR
2-4 HILOS
5 F
R=600
FUENTE DE
ALIMENTACIÓN
24 V
- +
DISPOSITIVO
DISPOSITIVO
ESCLAVO
ESCLAVO
Ω
:
Por último, para finalizar estas anotaciones sobre el protocolo Hart, diremos que dicho
protocolopermitedosmodosdecomunicacióndigital:pregunta/respuestay burst.Ambosmodos
proporcionan un acceso similar, tanto a la información de mantenimiento como a la propia del
proceso. En el modo pregunta/respuesta el master requiere información del dispositivo smart.
En el modo burst (o broadcast) el dispositivo de campo transmite continuamente datos sobre el
proceso, sin necesidad de que el máster envíe mensajes de requerimiento. El modo burst no
puede ser usado en redes multidrop, ya que ello supondría dedicar la línea de comunicación para
un dispositivo durante un tiempo excesivo, lo cual puede provocar la inanición del resto de
dispositivos.
Fig. 4.31.- El protocolo Hart permite derivaciones múltiples para varios dispositivos smart en el modo digital
(multidrop).
Como en casos anteriores, vamos a finalizar el apartado dedicado a Hart con unos
cuadros que nos resumen los aspectos más importantes de este bus de campo.
CARACTERÍSTICAS GENERALES
ORGANISMO CREADOR / PROPIETARIO DEL
BUS
Rosemount / HCF
AÑO DE INTRODUCCIÓN 1986
TIPOS DE APLICACIÓN Redes de sensores, instrumentos y actuadores
A DESTACAR Coexistencia con sistemas convencionales de control
SEGURIDAD INTRÍNSECA Barreras de seguridad para ambientes explosivos

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS
TOPOLOGÍA DE RED Bus (a árbol)
MEDIO FÍSICO Par trenzado y apantallado. Línea telefónica
Nº MÁXIMO DE NODOS 15 en modo multipunto (no acepta repetidor)
LONGITUD MÁXIMA DEL BUS 3048 m (no acepta repetidor)
Nº MÁXIMO DE SISTEMAS MAESTROS 2
MECANISMOS DE TRANSPORTE
MÉTODOS DE COMUNICACIÓN Punto a punto, multipunto. Maestro/esclavo
PROPIEDADES DE LA TRANSMISIÓN
1200 bits/s
Codificación FSK-BELL 202
“0” 2200 Hz
“1” 1200 Hz
TAMAÑO DEL PAQUETE DE DATOS 25 max.
Nº MÁXIMO DE VARIABLES POR DISPOSITIVO 256
Nº MÁXIMO DE VARIABLES POR MENSAJE 4
TEMPORIZACIÓN Y TASA DE ERROR
TIEMPO DE RESPUESTA PARA VARIABLES
SIMPLES
500 ms
INTEGRIDAD DE DATOS A NIVEL FÍSICO Tasa de error de 1/105
bit
4.3.2.4.4.- Fieldbus.
La organizaciónFieldbus Foundationesta formada por120delosprincipales fabricantes
y usuarios finales de la automatización y control de procesos industriales. Trabajando juntas,
estas empresas han definido de forma única una normalización del bus. Pertenecer a Fieldbus
Foundation permite acceder a formación, herramientas de test, software, noticias sobre nuevas
tecnologías y asistencia técnica, etc.
El protocolo definido por la organización Fieldbus Foundation se denomina Foundation
Fieldbus, y supone la evolución tecnológica hacia la comunicación digital en la instrumentación
y en el control de procesos. Se diferencia de cualquier otro protocolo en que está diseñado para
aplicaciones de control de procesos y no solo para transmitir datos en modo digital. Este
protocolo es abierto, esto significa que los fabricantes con certificado Foundation Fieldbus nos
proporcionan dispositivos que podrán funcionar junto con dispositivos de otros fabricantes
también certificados. Esta flexibilidad en la elección del proveedor, en un mismo sistema, sin
la perdida de la más mínima funcionalidad es una victoria de todos los usuarios.

Implementación de la tecnología Fieldbus
Foundation Fieldbus (FF) es un sistema de comunicación totalmente digital, serie, bidirecional,
que interconecta los equipos de planta como sensores, actuadores y controladores. Fieldbus es
una Red de area local (LAN) para elementos usados en automatización de la producción con la
capacidad incorporada de distribuir el control a través de la red.
Los dispositivos FF se conectan a la red mediante segmentos H1 que presentan las
siguientes características:
- Interconexión de hasta 32 dispositivos utilizando un único par de hilos.
- Alimentación de los dispositivos a través del propio segmento.
- Utilización de cableado ya existente en planta.
- Acceso a zonas Ex, con lo que le permite operar en fábricas y entornos de control de
procesos que incluyen requerimientos de seguridad intrínseca.
- Disponer de la aplicación de control en los dispositivos de campo.
Los segmentos H1 se han optimizado para cumplir con los requerimientos anteriores, por
ello trabajan a una velocidad moderada. Los dispositivos también pueden conectarse a través de
Fibra Optica a los segmentos H1 y se puede convertir cable a FO en cualquier punto del
segmento H1. La única consideración es que la FO no permite alimentación en el propio bus del
segmento.
Por tanto una red Fieldbus estará compuesta de múltiples segmentos H1 unidos por
bridges y uno o varios segmentos H2 redundantes tal y como se puede observar en la figura 4.32.
Fig. 4.32.- Arquitectura de red Foundation Fieldbus.

Los segmentos H2 se han optimizado para concentrar comunicaciones de una gran
cantidad de dispositivos y para la conexión de gran cantidad de señales de I/O sencillas a través
de módulos múltiples de E/S.
Los segmentos H2 utilizan el estándar ampliamente difundido Ethernet de alta velocidad
o HSE (High Speed Ethernet) en configuración redundante. Estos segmentos trabajan a 100
Mbit/s con un conexionado de pares de cables trenzados y apantallados (STP) o mediante Fibra
óptica.
En la siguiente tabla se muestra una comparativa de los aspectos técnicos más generales
entre segmentos H1 y H2.
Otras características de las redes Foundation Fieldbus son:
Seguridad e integridad en las comunicaciones
Fieldbus es una red de comunicaciones determinista, los datos se transmiten en el
momento preciso y a intervalos deseados y exactos. La información de control tiene prioridad
a otras comunicaciones en la red.
Los dispositivos Fieldbus son inteligentes, tienen iniciativa de comunicación, de manera
que cualquiera puede hablar con cualquiera sin dependencia de ningún nodo central o "host".
Soporte "Plug&Play" (Conectar y funcionar)
Una característica relevante de Fieldbus es la facilidad de conectar equipos sin necesidad
de configuración previa en la red, por lo que no requieren selectores para configurar, por
ejemplo, el número de nodo, ni herramientas de configuración externas.
Cuando un dispositivo nuevo se conecta a un segmento H1 a través de dos únicos cables,
este se identifica a través de un tag único y la gestión de la red se encarga del resto. No es
posible que se produzca un error de duplicado de número de nodo.
Soporte de diagnosis en instrumentos
Fieldbus no solo está diseñado para comunicar valores de proceso en la red, la tecnología
soporta de manera estándar el acceso a datos de diagnosis y calibración de instrumentos; todo
ello se soporta en las Descripciones de Dispositivo.

Cada fabricante establece toda la información de su instrumentación Fieldbus en su
Descripción de Dispositivo. Desde cualquier herramienta de visualización podemos disponer de
esta Descripción que nos da acceso a todos los datos del dispositivo.
lnteroperabilidad
Fieldbus soporta interoperabilidad total, esto representa una independencia de marca y
modelo a la hora de sustituir un dispositivo de campo por otro; también permite interoperar entre
dos dispositivos de diferentes fabricantes en el mismo bus.
La arquitectura Foundation Fieldbus utiliza únicamente los niveles 1,2 y 7 del modelo
de referencia OSI, tal como sucede con la mayoría de los buses de campo.
4.4.- SOFTWARE DE USO EN SISTEMAS DCS: SCADA
El conjunto de programas que se implementan en uno o varios ordenadores para la
supervisión de procesos y control de la producción se denomina software SCADA, siglas
correspondientes a Simulation, Control And Data Adquisition. Aunque delimitar los niveles que
abarca el software SCADA en un control distribuido es algo cada vez más difícil, sí podríamos
hacer una distinción entre la componente SCADA y las aplicaciones que procesan los datos
obtenidos por aquel, aunque en algunos paquetes de software ambas partes vengan integradas.
En todo caso, el software SCADA deberá tener acceso a lo que ocurre en el sistema de control,
mediante mecanismos de comunicación adecuados con controladores industriales, reguladores
básicos, autómatas programables o SAD (Sistemas de Adquisición de Datos).
En procesos de poca variación en el tiempo, o de carácter autónomo, sin
interdependencias con otros procesos anteriores o posteriores, la automatización se cumple
programando sobre los controladores locales de planta las secuencias de control deseadas y
cerrando los lazos de regulación necesarios para mantener los valores de variables en los rangos
fijados por las consignas. Desgraciadamente, la mayor parte de los procesos que hoy en día se
desean controlar no cumplen las anteriores condiciones, sino más bien las contrarias: han de ser
flexibles, para adaptarse rápida y fácilmente a las demandas, y están firmemente
interrelacionados entre sí, por exigencias de factores diversos, como la coordinación de las
acciones o la secuencialidad de ciertas operaciones. Además factores hasta hace poco ajenos al
control de una planta, se han de tener necesariamente en cuenta hoy en día: gestión de la calidad,
gestión del medio ambiente, etc.
Estas necesidades obligan a disponer de sistemas automatizados de control con un alto grado de
complejidad y autonomía de funcionamiento, y funciones adicionales a las básicas de ejecución
de tareas y monitorización del proceso. Aspectos como la toma automatizada de decisiones, la
gestión de los menús, la generación de históricos, gestión de alarmas, etc., así como los
referentes al control de calidad y mantenimiento, quedan cubiertos en los niveles de control y
supervisión del modelo jerárquico de automatización (pirámide).
Las funciones asociadas a estos niveles necesitan como requisitos imprescindibles el
conocimiento de la realidad de la planta y la capacidad de interactuación sobre ella.

La interface entre usuario y planta basada en paneles de control repletos de indicadores
luminosos, instrumentos de medida y pulsadores e interruptores, cableados de forma rígida y con
elevados costesdeinstalación y mantenimiento, que cubrían tradicionalmente estas necesidades,
están siendo sustituidos por sistemas digitales que utilizan la informática industrial para
implementar el panel sobre la pantalla de un ordenador. Con una supervisión inteligente que
permite al operario interactuar con el proceso de forma dinámica, apoyándose en factores como
la capacidad de almacenamiento y proceso del ordenador y su facilidad de comunicación con los
controladoresdeplanta,eloperador conoce inmediatamente cualquier variación significativa del
proceso mientras observa su evolución a lo largo del tiempo y sus probables tendencias.
El ordenador u ordenadores se apoyan en la estructura de dispositivos locales, uniéndose
a ellos mediante líneas de interconexión digital (buses de campo, redes locales) por donde recoge
información sobre la evolución del proceso y envía las ordenes o comandos para el gobierno del
mismo: arranque, parada, cambios de parámetros, etc. Los programas necesarios, y en su caso
el hardware adicional que necesiten, formarán parte del paquete SCADA.
Los beneficios que conllevan los sistemas SCADA son muchos, pero comienzan con el hecho
de utilizar ordenadores personales para interactuar con el operador a través de avanzadas
interfaces de usuario. Con ello se permite aumentar la flexibilidad de funcionamiento y reducir
el coste global frente a la opción tradicional de paneles de control con sinópticos del proceso y
consolas de operador. Este tipo de sistemas ofrece un amplio abanico de posibilidades de
utilización en entornos diferentes. Sin embargo, se pueden citar como algunos campos de
frecuente utilización, los siguientes:
‘ Industrias de proceso continuo: químicas, petroquímicas, cementeras,
alimentación, etc.
‘ Producción y distribución de energía eléctrica.
‘ Redes de tratamiento, distribución, suministro y depuración de aguas.
‘ Control de oleoductos y gaseoductos.
‘ Control de centrales nucleares.
‘ Gestión de edificios inteligentes.
‘ Sistemas de control de tráfico.
‘ Industria manufacturera.
Hoy en día, los paquetes SCADA están en disposición de ofrecer unas prestaciones
verdaderamente interesantes, entre las cuales pueden encontrarse:
‘ Elevado grado de configuración por parte de los usuarios.
‘ Utilización de sistemas operativos muy estables y multiusuario.
‘ Funcionamiento distribuido en red, lo que permite el reparto de funciones a lo
largo de diferentes ordenadores de proceso, así como una mayor disponibilidad,
redundancia, fiabilidad, tolerancia a fallos, etc.
‘ Sistemas gráficos que permiten el control, diseño y desarrollo de menús de
ventanas, gráficos, creación de paneles de alarma, etc.
‘ Posibilidad de ver las tendencias que han seguido determinadas variables
(históricos), así como la incorporación de funciones SPC (Control Estadístico de
Procesos).
‘ Incorporan módulos propios o permiten la conexión con otras aplicaciones para:

diagnóstico de fallos en instalaciones mediante sistemas expertos, supervisión
inteligente de procesos, tratamiento de datos (hojas de cálculo y bases de datos),
creación de informes (reports), generación y lanzamiento de recetas (recipes),
gestión de avisos y elaboración de documentación.
Para tener una idea global de la vinculación entre el software SCADA y el resto de
elementos software y hardware implicados en una estructura de control distribuido, podemos
recurrir a la figura 4.33. En esta estructura, cualquiera de los equipos, con la función asociada,
estará ejecutando su software correspondiente. Si se trata de un ordenador, el software será un
módulo, más o menos complejo, que forma parte del paquete SCADA.
Fig. 4.33.- Vínculos del hardware/software SCADA con el resto del sistema de control.
En la figura 4.33 podemos distinguir los siguientes elementos:
- Base de Datos integrada: es el núcleo donde se depositan los datos generados por todo
el sistema, tanto los procesados por el principal ordenador SCADA como por el software de
aplicación. Es el vínculo entre los elementos que necesitan y los que generan datos, de ahí que
no pertenezca completamente a alguno de los niveles, ejerciendo más de vínculo entre estos.
- Adquisición de Datos: desde este módulo el ordenador/software SCADA recopila,
interpreta y presenta todos aquellos datos que son importantes para una simulación y control de
la evolución del proceso. Este módulo de adquisición podrá ser un dispositivo, una red de datos
(bus de campo) o una combinación de ámbos, dependiendo de la complejidad del sistema.

- Interface hombre-máquina: en este módulo se puede producir un primer nivel de
simulación y control, es decir, la interface hombre-máquina puede ser un ordenador personal
ejecutando un software SCADA de menores prestaciones que el principal. Este módulo
comunicará al SCADA principal las posibles actuaciones que efectúe sobre el proceso.
Por lo que respecta al ordenador situado en el nivel superior, ejecutará principalmente
un software de aplicación, directamente vinculado a los planteamientos estratégicos del control.
Dicho software recibirá por un lado los datos que dirijan al sistema hacia unos objetivos claros,
y por otro, los datos reales y las contingencias que se generan en la planta. Con todos estos datos,
el software de aplicación simulará la tendencia del proceso controlado, en aspectos
fundamentales para la producción.
En general un sistema SCADA debe cubrir las funciones que las siglas de su nombre
definen:
‘ Adquisicióndedatos,pararecoger,procesar y almacenar la información recibida.
‘ Supervisión, para observar desde un monitor la evolución de las variables del
proceso.
‘ Control, para modificar la evolución del proceso, actuando bien sobre los
reguladores autónomos básicos (consignas, alarmas, menús, etc.), bien
directamente sobre el proceso mediante las salidas conectadas.
Los módulos, funciones o bloques software que permiten estas actividades, se citan a
continuación.
Configuración
Esta función propia de cualquier software, adquiere especial importancia durante la
primera vez que se instala el SCADA, ya que, aunque una vez que el SCADA “toma” el control
de la planta su configuración sigue siendo accesible, es en un primer momento cuando la
inclusión de parámetros, vinculación de sistemas, relación de variables y demás aspectos, tienen
una mayor trascendencia para su operatividad final. Así, durante la configuración inicial de un
SCADA se llevan a cabo acciones tan importantes como: Definición de pantallas gráficas y de
texto que se van a utilizar, protecciones, niveles de acceso, claves (tanto para el usuario como
paraelprocesocontrolado),instalacióndedriversdecomunicación(quepermitiránelenlacecon
los elementos de campo, bien a través de bus de campo, bien mediante una tarjeta de adquisición
de datos, y con otros ordenadores de proceso mediante el protocolo adecuado, definición de
etiquetas (tag).
Interface gráfica de operador
La interface gráfica del sistema SCADA ha de proporcional al operador las funciones
propias del control supervisor de la planta, mediante una ventana abierta a la misma desde el
teclado-ratón-monitor del ordenador.
Los datos reflejados en estainterface gráfica mostrarán la evolución del proceso y habrán
sido recolectados mediante la comunicación establecida con los controladores de regulación
básicos, autómatas programables o sistemas de control distribuido (DCS), en general.

El proceso a supervisar, aparecerá en la pantalla como un conjunto de gráficos que
representan sinópticos completos de la planta (o parte de ella), que se está controlando.
Tratamiento de alarmas
Para cada variable que contemple el sistema SCADA, se pueden definir situaciones que
den lugar a alarmas (determinados estados de señales digitales, rangos de valores de señales
analógicas) y de qué tipo son. Las alarmas llevan asignadas una prioridad en función de la mayor
o menor gravedad de la situación.
El sistema SCADA puede mantener una lista general de alarmas, con sus características
(día, hora, duración, etc.) y utilizando diferentes colores para que sean fácilmente identificables
por el operador. Las características básicas que definen una alarma, una vez que se ha producido,
son:
‘ Reconocimiento, o no, por parte del operador.
‘ Vigencia de las condiciones que la originaron.
Además, se suele mantener una lista de alarmas activas en el sistema, es decir, aquellas
que existen todavía porque se mantienen aún las condiciones del proceso que provocaron dicha
situación anómala.
Cuando el sistema SCADA detecta una situación de alarma, tratará de llamar la atención
sobre el operador y gestionará el proceso que éste debe seguir en cada caso (modo guía-
operador).
Módulo de proceso
Será el encargado de ejecutar las acciones de mando programadas en la estrategia de
control del proceso, a partir de los valores instantáneos de variables leídas.
Es muy frecuente que el sistema SCADA confíe a los dispositivos de campo,
principalmente autómatas y reguladores digitales, el trabajo de control directo de la planta,
reservándose para si las operaciones propias de la supervisión: gestión global del proceso,
análisis de tendencias, generación de históricos, etc.
El programa de mando incluido en el módulo de proceso, relaciona las variables que el
SCADA ha de tener en cuenta para llevar a cabo las siguientes funciones: maniobras o
secuencias de acciones de mando, acciones de mando automáticas y previamente programadas,
animación de los gráficos dinámicos, asociando forma, color, tamaño, cadencia, etc., al valor
actual de la variable, guía en los procesos de arranque o parada de la instalación, gestión de
recetas, que modifican los parámetros de producción en procesos batch (consignas de tiempo,
de conteo, estados de variables, etc.).
Gestión y archivo de datos
Este módulo del paquete SCADA se encarga del almacenamiento, procesado y gestión
eficaz y ordenada de los datos que el sistema debe disponer, así como de los que genera. Estos

datos, cuya importancia es fundamental en la estructura global del sistema, deben poseer los
formatos adecuados para que sean reconocidos por los equipos implicados, dándole a todo la
coherencia necesaria.
Comunicaciones
En los sistemas SCADA, las comunicaciones desempeñan una función de primera
importancia, ya que se encargan de soportar la transferencia de información entre la planta y la
arquitectura hardware sobre la que se apoya el SCADA. Este módulo debe cumplir con varios
cometidos, destacando entre ellos:
‘ La unión mediante redes de comunicaciones de los diferentes ordenadores de
proceso, logrando así un funcionamiento distribuido en red del sistema SCADA.
‘ La conexión entre el SCADA y los equipos de control de planta, resuelta por
diversosmedios:lazosdecorriente,lineas RS-232, RS-422, RS-485, fibra óptica,
linea telefónica, etc.
‘ La unión con elementos auxiliares de comunicación (gateway, router, bridge)
para permitir el flujo de datos entre redes diferentes.
El intercambio de datos con los dispositivos de control de planta se realiza en este
módulo, que está explícitamente encargado de inicializar las comunicaciones con los equipos,
tomar datos de ellos e introducirlos en la base de datos y enviar órdenes a dichos equipos a
petición de otros módulos.
El conjunto de funciones y equipos que ha de conectar este módulo, hace necesario que
cuente con un amplio número de drivers de conexión para múltiples equipos, que se irán
instalando según el lugar y misión que ocupe cada uno de los equipos (normalmente
ordenadores) que dan soporte al SCADA.
4.4.1.- EJEMPLO DE SOFTWARE SCADA: LOOKOUT
Éste paqueteHMI-SCADAdeNational Instruments se caracteriza por su sencillez y fácil
aprendizaje, sin que ello le reste potencia y solidez en su misión principal: control y adquisición
de datos de una planta.
Funciones características de Lookout
Las funciones características que ofrece este software son las contempladas por la mayoría de
ellos y que se han comentado en puntos anteriores. En particular, Lookout ofrece:
‘ Gráficos de tendencia y para SPC (Control estadístico de procesos).
‘ Gestión de alarmas.
‘ Seguridad.
‘ Animación.
‘ Registro de históricos.
‘ Consulta a bases de datos mediante SQL (Lenguaje de consulta estructurado).
‘ Plantillas múltiples de visualización.

Arquitectura de Lookout
La arquitectura del software HMI-SCADA Lookout aporta una óptima relación entre
facilidad de uso y potencia, dentro de las aplicaciones del software de automatización de
procesos basado en PC.
Arquitectura basada en objetos
La tecnología que permite a Lookout la facilidad de uso implementada, es su arquitectura
basada en objetos. Para crear cualquier aplicación, sin importar su grado de complejidad,
simplemente se crearán objetos y se conectarán adecuadamente, sin necesidad de escribir
programas o ejecutar compilaciones.
Configuración on-line
El desarrollo de aplicaciones y las modificaciones de estas se pueden hacer totalmente
on-line, sin necesidad de parar actividad alguna relacionada con el proceso. Evidentemente, todo
se llevará a cabo sin pérdida de datos y sin esperas por procesos de compilación.
Ejecución basada en eventos (sucesos)
El hecho de que Lookout desarrolle su ejecución basándose en eventos, le hace idóneo
para múltiples aplicaciones de control: continuo, discreto, por lotes (batch) y telemetría.
Estas aplicaciones plantean unas necesidades al SCADA que requieren de éste altas
prestaciones y/o gestión de elevado número de variables o puntos de control.
La programación orientada a eventos o sucesos espera a que se produzca un determinado
acontecimiento prefijado en el programa para ejecutar una acción programada, en lugar de
disponer el programa de un bucle cerrado que va chequeando sucesivamente hasta encontrar el
suceso que desencadena la acción. La figura 4.34 muestra una visión gráfica del significado de
la programación orientada a sucesos, la cual mejora la eficacia del SCADA de manera
significativa.
EJEMPLOS DE CONTROL DESARROLLADOS CON LOOKOUT
A continuación vamos a ver, a modo de ejemplo, las pantallas principales de tres tipos
de control desarrollados con este SCADA de National Instruments. El grado de sofisticación de
la planta y del proceso a controlar no siempre se verá reflejado en el sinóptico principal; detrás
de una pantalla relativamente simple puede estar la gestión de gran cantidad de variables, con
algoritmos complejos y sofisticadas técnicas de control.

DATOS
CÁLCULO
VISUALIZACIÓN
ACCESOS
A
L
A
R
M
A
CONEXIÓN
EXTERIOR
RELOJ
Objetos
Sucesos
Fig. 4.34.- Esquema de funcionamiento de una aplicación SCADA orientada a sucesos.
Control de proceso continuo
En este tipo de procesos, los algoritmos, tipos de variables y modo de trabajo no cambian
sustancialmente en el tiempo, por lo que el proceso controlado es muy homogéneo e invariante
desde el punto de vista del SCADA. Aunque la dinámica del sistema pueda ser rutinaria y
aparentar poca complejidad, en los procesos continuos se gestionan variables muy críticas y cuya
estabilidad es fundamental.
En la figura 4.35 se muestra un sinóptico del control de un proceso continuo mediante
Lookout. En dicho proceso se trata de obtener una determinada composición química mediante
la mezcla dosificada de los ingredientes oportunos.
MTR101 es unabomba para control de flujo, la cual es controlada mediante un algoritmo
PID; la velocidad de giro está, en este caso, al 73% de su valor máximo.
Como cualquier proceso, el mostrado en este ejemplo lleva su propia gestión de alarmas
en cuyo panel podremos observar aquellas incidencias programadas por el usuario como tales.
En la figura 4.36 se muestra la relación de alarmas activas en un momento determinado para el
proceso de la figura 4.35.

Fig. 4.35.- Ejemplo de control de proceso continuo con Lookout (National Instruments).
Fig. 4.36. Alarmas activas relacionadas con el proceso de la figura 4.35.
Control de proceso por lotes (batch).
Los procesos por lotes se caracterizan por una fuerte dinámica en la información que se
maneja durante su control, requiriendo ello unos cambios de algoritmos (cada cierto tiempo) en
los equipos, así como de los valores de las variables y puntos de consigna que están implicados,
es decir, con los mismos equipos se están produciendo lotes de productos cuya composición
puede diferir sustancialmente, o cuyo resultado puede ser distinto de un lote a otro.
A modo de resumen, alguna de las particularidades de este tipo de proceso son las
siguientes:
• Se desarrollan en reactores en los que se añaden los componentes según una
receta predeterminada
• Seprocesanbajocondiciones controladas de temperatura,presión,agitación,etc.,
siguiendo unos patrones (perfiles) fijados de antemano
• Los tiempo de reacción son limitados, pudiendo diferir entre batches (lotes)
• Pueden estar subdivididos en etapas que pueden tener lugar en el mismo o en
diferentes reactores
• Las reacciones que tienen lugar en del reactor son extremadamente complejas,

dado el comportamiento no lineal y no estacionario de los fenómenos que ocurren
dentro del reactor, lo que hace muy difícil su control
• Suelen tener un alto nivel de automatización y de instrumentación
• Son procesos de alto valor añadido
Los procesos batch responden perfectamente a las nuevas tendencias del mercado en el
sentido de que permiten la producción flexible, es decir, la fabricación de pequeños volúmenes
de productos muy diferentes, sin apenas cambios en las instalaciones y equipos. En principio,
cambiando la receta de ingredientes y las condiciones de procesado pueden fabricarse productos
diversos, lo que permite a los proveedores responder rápidamente a las necesidades cambiantes
de sus clientes. Esto también facilita el establecimiento de controles tanto de los equipos e
instalaciones empleados como de los lotes fabricados (en principio, toda la cantidad de producto
deunmismo lote tiene idénticas características, permitiendo asignar un código identificativoque
facilita su trazabilidad posterior), lo que es de gran ayuda a la hora de establecer sistemas de
aseguramiento de la calidad y la seguridad.
Los procesos por lotes están presentes en una amplia variedad de sectores industriales
tradicionales:industriaquímica,dealimentación,farmacéutica,etc.;asícomoennuevossectores
tecnológicos como el de la biotecnología: reactores de depuración de aguas, procesos de
fermentación en biorreactores, etc.
El alto valor añadido de los productos fabricados por este tipo de procesos, el imparable
aumento del nivel de exigencia de los clientes, fruto de la competitividad, y la cada vez más
exigente normativa en materia de seguridad impuesta por gobiernos y administraciones públicas
de muchos países hacen del control de procesos por lotes un objetivo estratégico de máxima
importancia.
Sin embargo, el control de este tipo de procesos para asegurar unabuenareproducibilidad
entre lotes que garantice la calidad de los productos fabricados y la seguridad de los procesos
sigue siendo una tarea comprometida por diversas razones. Por una parte, por la dificultad de
disponer de analizadores en línea que den información fiable en tiempo real de ciertas
características críticas de calidad del producto (normalmente, esta información se obtiene sólo
una vez acabado el lote, tras analizar en el laboratorio muestras del producto final); y otra,
porque los procesos por lotes tienen una duración limitada en el tiempo y una compleja dinámica
con fuertes relaciones no lineales entre variables, lo que dificulta el desarrollo de modelos
mecanicistas que caractericen todos los fenómenos (químicos, bioquímicos, transferencia de
calor, etc.) que ocurren en su seno.
En la figura 4.37 podemos observar un sinóptico de un control de proceso por lotes
llevado a cabo con Lookout.
Asociado al proceso podemos observar un gráfico de tendencia, el cual suministra
información sobre las variables que el usuario haya decidido. Estos valores, además de
visualizarse en tiempo real, quedarán debidamente registrados para su posterior utilización, bien
por el propio Lookout, bien por otras aplicaciones externas al SCADA.
Cada variable del gráfico de tendencias (trend) estará asociada a un color, de forma que
sea fácil hacer un seguimiento de su evolución.

Fig. 4.37.- Ejemplo de control de proceso por lotes con Lookout (National Instruments).
Como hemos comentado anteriormente, un aspecto destacado de un proceso por lotes es
la utilización de recetas (recipes). Cada receta describe con toda precisión cada uno de los lotes
a fabricar o controlar: parámetros de los elementos que participan, puntos de consigna, niveles
de alarma, algoritmos de control globales y específicos, etc. Así pues la receta se convierte en
un elemento de primer orden de cualquier control de proceso por lotes.
Cualquier SCADA debe incorporar entre sus herramientas un potente y fácil editor de
recetas. Potente para que el usuario pueda acceder a todos los parámetros de la planta sin
limitaciones técnicas (respetando las vinculadas con la seguridad) y fácil para que programar una
estrategia de control no suponga un derroche de tiempo e imaginación. Lookout goza de las dos
características anteriores, en linea con la filosofía del paquete: facilidad de aprendizaje y de uso.
En la figura 4.38 podemos observar los parámetros más importantes de la receta que se
está ejecutando en este instante, es decir, la de la figura 4.37. Entre estos destacan:
• Posibilidad de importar y exportar recetas (normalmente con hojas de cálculo y
bases de datos).
• Puntos de consigna más importantes de los elementos de control que se
consideren oportunos.
• Nombre de la receta e identidad del proceso.
• Habilitación de la posibilidad de introducir cambios en la receta; esto se podrá
hacer mediante palabras de paso y contraseñas, o libremente.

Fig. 4.38.- Receta en ejecución en el proceso por lotes de la figura 4.37.
Una vez cargada la receta correspondiente, ésta se lanzará (start). Siempre existirá la
posibilidad de parar (stop), bajo unas condiciones determinadas por el usuario o supervisor de
las actividades de planta.
Control supervisor
En el control supervisor, tal como su nombre nos indica, lo que se pretende es poner al
alcance del operario/usuario unos valores de parámetros, de forma que estos puedan ser
utilizados con fines estadísticos, de referencias o para tratarlos posteriormente, amén de la propia
información que por si suponen dichos parámetros. Tal sería el caso de una estación
meteorológica, ya que, normalmente, no se desea actuar sobre el proceso de forma continua o
de manera frecuente.
También nos puede servir el visualizado en la figura 4.39, donde se muestra una planta
de suministro de agua, cuyos datos se utilizarán en la facturación y estadística de consumos. Las
bombas de entrada, así como el resto de la planta están supervisados con Lookout.

Fig. 4.39.- Control supervisor con Lookout (National Instruments).

Cpi tema4

Más contenido relacionado

La actualidad más candente

Similar a Cpi tema4

Último

Cpi tema4