Conectando sistemas de control: Interfaces de comunicación de confianza para sensores de posición y movimiento

Las interfaces de comunicación proporcionan el enlace tan importante entre sensores (los «nervios» de un sistema de control) y los controladores (el «cerebro»). Se ha introducido una impresionante variedad de tecnologías de comunicación para proporcionar este enlace, generalmente con características y capacidades adaptadas a un cierto tipo de sistema de control. Veamos algunas tecnologías de comunicación ampliamente utilizadas para control de movimiento.

Soluciones especiales para casos especiales

Para algunos sensores que proporcionan retroalimentación para control de movimiento, la tecnología de medición dictará la interfaz de comunicación. Los codificadores incrementales entregan un flujo continuo de pulsos de señal —uno por cada vez que el eje del codificador gira una cierta cantidad. Sobresalen en control de velocidad, ya que el controlador puede determinar con precisión la tasa de rotación a partir del intervalo entre pulsos.

Muchos codificadores incrementales transmiten dos señales de salida, denominadas A y B, con una diferencia de fase de 90°, permitiendo al controlador determinar la dirección de rotación. Algunos también emiten una señal Z una vez por rotación en un ángulo de rotación definido. Esto proporciona un punto de referencia preciso.

La conexión entre un codificador incremental y su controlador debe ser punto a punto, con un cable dedicado que conecta cada codificador a su controlador. La comunicación se basa normalmente en una señal diferencial transmitida sobre cable de par trenzado, con el número de pares de conductores en el cable dependiendo del número de señales (A, B y Z).

Los controladores de salida en los codificadores deben ser compatibles con la interfaz en el controlador —controladores de salida Push-Pull (HTL) o RS-422 (TTL) son comúnmente usados. Estos estándares especifican el voltaje de señal.

Sensores de posición absoluta

El resto de este artículo se centrará en sensores de posición absoluta como codificadores e inclinómetros. Estos dispositivos reportan una posición medida en un instante específico en el tiempo, ya sea como un nivel de voltaje/corriente (codificadores analógicos) o transmitiendo una palabra digital o «telegrama» (codificadores digitales). Estos dispositivos son ideales para aplicaciones de control de posición.

Los sensores analógicos tienen una larga historia, con sistemas de control anteriores usando potenciómetros (resistencias variables). Más recientemente, se han introducido sensores digitales con convertidores D/A integrados. Estos están disponibles con salidas de voltaje (p.ej., 0-5 V) o corriente (p.ej., 0-20 mA). Cuentan con convertidores D/A programables para que un rango predeterminado de movimiento mecánico (desde una fracción de vuelta hasta múltiples revoluciones) pueda establecerse para abarcar el rango de salida eléctrica completo del sistema (p.ej., 0-5 V, 0-20 mA). Esto mejora la precisión y resolución sobre el rango de movimiento más significativo. Los sensores analógicos requieren conexiones punto a punto, a menudo con cable de calibre relativamente grande para limitar la resistencia eléctrica.

Los codificadores absolutos con interfaces de bit paralelo reportan mediciones como una palabra digital, con un conductor separado para cada bit. La respuesta es virtualmente instantánea. La conexión es punto a punto, típicamente a través de un cable tipo cinta. Como este tipo de cable es relativamente voluminoso e inflexible, los sistemas de bit paralelo funcionan mejor en distancias cortas.

Cableado digital punto a punto

Con cableado punto a punto, un cable dedicado va del controlador a cada sensor individual. Las interfaces SSI (Interfaz Serial Síncrona) y BiSS (Interfaz Serial Síncrona Bidireccional) para codificadores absolutos usan sistemas de cableado punto a punto. Estas son interfaces digitales que pueden conectarse directamente a PLCs u otros controladores. Las conexiones SSI ofrecen buena velocidad (tasas de reloj hasta 2 MHz), alta resolución, cableado flexible y comunicación fiable hasta unos cientos de metros (aunque las tasas de baudios se reducen para distancias más largas). Los protocolos SSI proporcionan detección básica de errores (cable roto, cortocircuito, consistencia de datos).

BiSS es una versión avanzada de SSI que soporta comunicaciones en tiempo real entre dispositivos de control y sensores/actuadores en servomotores, robots y otros sistemas de automatización. La interfaz también permite al controlador establecer parámetros operativos en dispositivos esclavos. Hay varias variantes de BiSS, incluyendo BiSS C (comunicaciones continuas) y BiSS Line (diseñado para configuraciones que combinan suministro de energía y transmisión de datos en un solo cable). Los estándares de interfaz SSI y BiSS de código abierto son no propietarios, con licencias sin coste.

Las comunicaciones SSI y BiSS usan conexiones punto a punto —típicamente RS-422. Varios dispositivos pueden encadenarse en cadena para diseños de cable más eficientes.

Fieldbus: Sistemas de cableado de acceso compartido

El cableado punto a punto funciona bien para sistemas con distancias cortas y un número limitado de dispositivos, pero a medida que aumenta el número de sensores, los diseños de cableado pueden volverse difíciles de manejar. A medida que los sistemas automatizados se volvieron más sofisticados y creció el número de dispositivos conectados, varios fabricantes introdujeron sistemas fieldbus. Estos presentan redes basadas en una topología de bus, con múltiples dispositivos compartiendo un backbone de cableado común. Los sistemas fieldbus son fiables, rápidos y relativamente rentables. Las aplicaciones van desde transportadores e instalaciones de fabricación hasta equipos móviles, equipos médicos, turbinas eólicas y paneles solares.

Tener múltiples dispositivos compartiendo un canal de comunicación común puede causar problemas con los tiempos de respuesta —cuando el tráfico en el bus es intenso, sensores individuales pueden tener sus mensajes retrasados por una cantidad de tiempo impredecible. Para evitar esto, la mayoría de diseños fieldbus permiten al operador clasificar dispositivos por orden de importancia. Esto ayuda a asegurar que los mensajes críticos reciban tratamiento prioritario. La capa física de los sistemas fieldbus suele basarse en cables de par trenzado (p.ej., EIA-485).

Estándares fieldbus populares incluyen Controller Area Network (CAN) de Bosch, CANopen, Profibus (Process Field Bus) de Siemens, y DeviceNet de Allen-Bradley/Rockwell. DeviceNET, ampliamente usado en Norteamérica, combina la capa física CAN con CIP (Common Industrial Protocol) protocolos de nivel superior. SAE J1939, que usa estándares de transporte de datos CAN, está optimizado para vehículos pesados.

Las redes consisten en elementos físicos (cables, conectores y componentes electrónicos que controlan el flujo de señal) y elementos lógicos (que esquemas de direccionamiento, protocolos de comunicación, perfiles de dispositivo, etc. que se implementan en software). En el mundo de fieldbus, muchos sistemas usan estándares CAN para definir los aspectos físicos de las redes, mientras que protocolos de nivel superior —como CANopen, DeviceNet, J1939, etc.— proporcionan funcionalidad de extremo a extremo.

Ethernet Industrial

Ethernet Industrial usa los mismos fundamentos técnicos que Ethernet de oficina pero con mejoras que lo hacen más adecuado para condiciones de fábrica duras. Unidades de conmutación de grado industrial pueden tener envolventes robustas a prueba de agua y polvo, mientras que muchos dispositivos usan conectores M12 robustos en lugar de conectores RJ45 más vulnerables.

También hay actualizaciones importantes en los protocolos de comunicación. Las aplicaciones industriales —especialmente control de movimiento— a menudo requieren que los controles operen en tiempo real, sin retrasos de transmisión impredecibles (latencia o jitter) que pueden ocurrir en redes Ethernet ordinarias. Sistemas Ethernet Industrial como Profinet IRT, EtherNet/IP y Ethernet Powerlink abordan esto a través de pilas de protocolo modificadas y hardware especial que dan a los mensajes críticos acceso prioritario al ancho de banda de la red. Los componentes especiales necesarios para lograr esto pueden añadir complejidad y coste al sistema.

Debe notarse que aunque Ethernet ofrece una visión de un número ilimitado de dispositivos y opciones de topología flexibles, los problemas de rendimiento del sistema —especialmente para aplicaciones de control de movimiento en tiempo real— pueden requerir compromisos de diseño que reduzcan el tráfico local y proporcionen caminos de comunicación directos para componentes críticos.

IO-Link es un sistema de comunicación de bajo coste y fácil implementación diseñado para simplificar conexiones entre redes fieldbus o Ethernet industrial y sensores o actuadores simples ubicados en la planta de fábrica. En un lado de un dispositivo maestro gateway IO-Link hay una interfaz a la red de toda la planta, mientras que el otro lado tiene múltiples conexiones punto a punto a dispositivos sensor individuales.

La interfaz IO-Link para dispositivos finales es relativamente simple, eliminando la necesidad de soportar protocolos de comunicación complejos a nivel de sensor/actuador. IO-Link soporta una variedad de tipos de datos incluyendo datos de medición, instrucciones de configuración de dispositivo e información sobre parámetros de condición de operación como temperatura.

Comunicaciones inalámbricas

Las tecnologías inalámbricas permiten comunicaciones con maquinaria móvil (p.ej., vehículos guiados autónomos) o equipos que deben reubicarse frecuentemente. Wi-Fi (IEEE 802.11) y Bluetooth son estándares ampliamente usados para comunicaciones inalámbricas de corto alcance. Otros estándares están disponibles para comunicaciones de mayor alcance, aunque estos pueden tener tasas de bits más bajas. Las emergentes redes 5G prometen altas tasas de datos y baja latencia.

Las comunicaciones inalámbricas pueden ser menos fiables que las conexiones cableadas en entornos eléctricamente ruidosos y pueden no ser adecuadas para señales de retroalimentación altamente dependientes del tiempo. En el caso de un robot de almacén, por ejemplo, una señal inalámbrica puede usarse para instruir a la máquina a recuperar material de una ubicación particular. Sin embargo, los sensores para dirección, control de velocidad y evitación de colisiones típicamente estarían cableados al sistema de control para asegurar respuesta fiable e instantánea.

Estándares abiertos para compatibilidad

Ningún proveedor único puede suministrar equipo best-in-class para cada parte de un sistema de automatización complejo y los proveedores de tecnologías de redes industriales han pasado de sistemas de redes propietarios a soportar estándares de interfaz y redes abiertos (neutrales al proveedor). Con estos estándares, los compradores de equipos de control de movimiento pueden mezclar y combinar componentes certificados por estándares de diferentes proveedores con la expectativa de que todo funcionará junto.

Organizaciones importantes de estándares industriales incluyen la Open Device Vendors Association , patrocinadores de estándares DeviceNet y Ethernet/IP; la CAN in Automation Association , patrocinadores de los protocolos CANopen; y Profibus Nutzerorganisation , patrocinadores de interfaces Profibus y Profinet.

Este artículo fue escrito por Christian Fell, Gerente General en FRABA Inc., Hamilton, NJ. Para más información, visite aquí .