Pre estudi d'estandarització de distribuidors pneumàtics instal·lats en xarxa

Agraïments Des del moment en què vaig arrivar a França, fins al dia en què escric aquestes línies, he tingut sempre l'ajuda, el recolzament i els ànims de nombroses persones a les quals m'agradaria fer referència. En primer lloc, agrair a Hervé Rachat-Navarro, responsable del servici SC/MM, els successius intents per integrar-me al si del grup i la seua disponibilitat en relació als meus problemes i inquietuds. Especialment vull agrair a Jacky Bouchard, el meu tutor a Michelin i un excel.lent especialista en pneumàtica, per la seua acollida, la seua paciència i amabilitat i per haver-me mostrat la importància d'aspectes no sols tècnics sinò també humans del funcionament d'una empresa i per ferme comprendre que un enginyer ha de ser una persona amb dinamisme que estiga sempre en una posició capdavantera front als desafiaments del món del treball. Igualment donar les gràcies a tots els membres del servei SC/MM per la seua acollida, en especial a Daniel Vetier qui m'ha ajudat molt als moments dificils, m'ha aconsellat i m'ha introduït perfectament dins del món Michelin per a dur a terme tots els procediments des de la meua arribada a la seu de Carmes. M'agradaria agrair també a George Dos Santos i als altres companys del servei SC/MA el seu consell tècnic en la disciplina de les xarxes de camp i la seua disponibilitat en el moment de realitzar els tests i les proves amb el seu material. A totes les persones d'ESIGELEC: Cecilia Brunel, Hélène Vincent, Catherine Duval, Sophie Houlier, Jean-Yves Ertaud i al personal de l'oficina d'estudis. Ells han fet la meua arribada a esta Gran Escola d'Enginyers més fàcil i la meua adaptació més ràpida i han tingut sempre una paraula per aconsellar-me en el moment de tria de stage. No oblidaré mai totes les persones a les quals he tingut la sort de conéixer durant la meua vida francesa: els meus veïns de la residència al tercer pis Momo, Ali, Patrick i la resta, els meus amics espanyols Malena, Ahinoa, Pablo, Miguel, Dani, Dioni, Ruben, els meus companys francesos de classe... El fet d'haver tingut amics de totes les nacionalitats a suposat per a mi una increïble apetura de la meua ment al món: conéixer altres costums, altres experiències de vida, altres maneres de comprendre el món... us ho agraisc a tots. Algu pot pensar que he oblidat alguns noms als meus agraïments... però no. Ells mereixen tindre un reconeixement especial per la seua amistat, per la seua ajuda, pel seu temps, però principalment pel seu enorme recolzament als moments dificils, sobre tot el dia que vaig rebre l'oferta de stage de Michelin. Els seus ànims son d'una importància que no és pot definir en paraules. Priscila... Hassene... Rapha... Gràcies. Vull agrair a una preciositat de xiqueta amb qui vam començar fa quasi un any un llarg cami junts ple de dificultats a causa de la distància. Encarni, gràcies per haver estat sempre junt a mi malgrat els quilòmetres que ens han separat físicament durant aquest temps. T'e Finalment, m'agradaria dir un «gràcies» molt intens als meus pares pel seu suport incondicional durant no sols la meua estància a França, sinò durant tota la meua curta existència. Podria dir-vos mil coses per les quals us estic agraït, des del vostre suport, passant pel vostre patiment durant els moments en què no heu tingut noticies meues, fins als vostres ànims quan estava més trist, però crec que només amb una frase ho resumisc tot. Gràcies per ser tan afortunat de tindre-vos com pares. Us estime molt INDEX 1 Introducció 1.1 L'estandarització a Michelin 1.1.1 Política d'estandarització Michelin 1.1.2 L'estandarització pneumàtica a SC/MM 1.2 Històric del projecte 1.3 Context de les pràctiques 2 Michelin 2.1 Presentació 2.2 Cultura d'empresa 2.3 El pneumàtic 2.4 Organització 3 Electrovàlvules i ïlles de distribució pneumàtica 3.1 Introducció 3.2 Inventari ïlles de distribució 3.3 Síntesi 4 Xarxes de Camp 4.1 Introducció 4.2 Guies d'anàlisi dels protocols 4.2.1 Ethernet Industrial 4.2.1.1 Ethernet/IP 4.2.1.2 ProfiNET 4.2.1.3 Modbus/TCP – RTU 4.2.1.4 Ethernet Industrial Temps Real 4.2.1.4.1 EtherCat 4.2.1.4.2 Ethernet Powerlink 4.2.1.4.3 Sercos 4.2.2 ControlNET 4.2.3 DeviceNET 4.2.4 Profibus 4.2.5 AS-i 4.3 Síntesi dels protocols 5 Proves 5.1 Configuració demanada als fabricants 5.2 Normalització ISO15407-2. Interoperabilitat 5.3 Proves de comunicació 5.3.1 Connexions 5.3.2 Mode Test 5.3.3 Comunicació PC – Servidor ïlla de distribució 6 Conclusions 6.1 Anàlisi Econòmica 6.2 Futur del mercat de xarxes de camp 6.3 Evolució i restriccions 7 Balanç 7.1 Caracter Tècnic 7.2 Caracter personal Bibliografia Annexos 1. Introducció La pneumàtica és la tecnologia que utilitza l'aire comprimit com a mode de transmissió de l'energia necesaria per a desplaçar i fer funcionar qualsevol mecanisme. Aquesta tècnica és una disciplina fonamental en la indústria hui en dia. Els sistemes automatitzats que empren accionadors pneumàtics són nombrosos als sectors industrials automatitzats. Qualsevol procés automatizat té necessitat de diversos elements pneumàtics. Els avantatges de la seua utilització són nombrosos. La facilitat en el tractament i transport de l'aire comprimit fa d'aquesta técnica una ferramenta molt apropiada. A més, l'aire és net i els components funcionant sota l'energia pneumàtica tenen un cost relativament baix. Els elements que utilitzen l'aire comprimit no tenen grans riscs de deterioració per sobrecàrrega. Un altre aspecte positiu és que l'aire és poc sensible a les variacions de temperatura. Finalment, les fuites d'aire no són gens contaminants. En general, l'utilització de la pneumàtica és ideal en medis explosius. Malgrat aquests avantatges, també trobem alguns inconvenients. Per a conservar la puresa de l'aire i evitar l'entrada d'elements perillosos al sistema, fa falta afegir elements que proveeixen una filtració correcta. La potència de treball que produeix és escasa, i per a esforços importants és preferible l'utilització de l'energia hidràulica. Les escapades d'aire són sorollosés; en conseqüència cal afegir silenciadors per a evitar el soroll. La producció d'aire comprimit resulta prou cara donat que no trobem aire comprimit en la naturalesa i cal que siga tractat per compressors. La pneumàtica té nombroses aplicacions a la vida quotidiana: perforadores industrials, utillatge per a dentistes, sistemes d'obertura de portes als trens, amortidors d'automòbils... Des de fa alguns anys l'aparició de les noves tecnologies de la informació ha revolucionat el món de l'automatització industtrial en general, i el de la pneumàtica en particular. Les necessitats de comunicació, cada vegada més exigents, entre les eines de control industrial (autòmates programables industrials) i els elements que intervenen al procés de fabricació han fet desenvolupar solucions específiques a la disciplina de les xarxes informàtiques. Es parla de la creació del concepte «xarxa de camp». Els alts nivells de rendiment d'aquest tipus de xarxes afegides a les garanties de seguretat que ofereixen les implementacions actuals han franquejat la barrera sempre difícil de l'accés al domini industrial. 1.1. L'Estandarització a Michelin L'estandarització es el procediment mitjançant el qual definim un estàndar, és a dir, una sèrie de normes ja siga per a actuar d'una mateixa manera, per desenvolupar un producte universal per a tothom o per establir un protocol de xarxa de camp on es descriuen els mecanismes per establir una comunicació entre dos elements. 1.1.1. Política d'estandarització Michelin Dins del pla «Horizon 2010» posat en marxa per Michelin un dels objectius prioritaris és la reducció de costos de producció. Per a avastar açò, un dels aspectes més importants és atacar al punt central de la fabricació del pneumàtic, és a dir, les màquines que produeixen eixe pneumàtic donat la magnitud de la inversió que l'empresa realitza en el seu parc de màquines. Michelin va adoptar una política de «design-to-cost», és a dir, realitzar nous estudis sobre les màquines antigues i actuals de manera que es reduisca el cost del seu disseny i desenvolupament. 1.1.2. L'estandarització pneumàtica a SC/MM Ara es descriurà el procediment d'estandarització dins del domini de la pneumàtica. L'estandarització pneumàtica és un procés complex pel que fa a temps (entorn a 6 mesos) i a les etapes necessàries per a completar-lo (veure fig. 1.1). En un primer moment, per llançar l'estudi d'estandarització cal que hi haja una demanda real d'allò que es vol estandaritzar. A més, s'ha d'observar una evolució dels components, dels costos i de les normes existents. Finalment s'analitza allò que està disponible al mercat al moment del començament. Després d'aquest primer pas comença el treball que conduirà al pre-estudi. Caldrà, doncs, presentar el fet que motiva la futura estandarització. A continuació, la consulta de normes ISO, VDMA o CNOMO resulta inevitable; els productes i elements analitzats han de mantindre sempre una especificació d'acord amb les normes estàndar per entrar en Michelin. Una vegada que s'han considerat les normes i els productes existents, es redacta un quadre d'especificacions propi de Michelin. Aquest document s'envia als fabricants per conéixer quins estan en disposició de respondre a les exigències tècniques de Michelin. Aleshores, s'està preparat per a redactar el pre-estudi amb totes les conclusions. Però no és aci on s'acaba l'estandarització. Aquest document s'envia a un equip d'especialistes en la matèria a estandaritzar per a rebre una aprovació. Si després de l'anàlisi del document la majoria de membres d'aquest equip està d'acord, la redacció de la decisió d'estandarització dels components implicats pot iniciar-se. Després de la realització de la decisió d'estandarització, encara queda un important treball per fer: creació de targetes d'identitat de cada producte, d'un quadre d'especificacions per a la biblioteca de components Michelin i una fitxa tècnica de cada component. Finalment, els productes estandaritzats queden disponibles per als 1500 usuaris del grup Michelin a tot el món i per a les 500 subcontractes exteriors. També són catalogats seguint les nomenclatures del grup. Poden ser utilitzats pels compradors i ser substituïts amb el codi Michelin sota el sistema que gestiona les peces de recanvi. Fig. 1.1 – Etapes i durada de l'estandarització pneumàtica 1.2. Històric del projecte Com a resultat de l'estudi d'estandarització pneumàtica en 2001 dut a terme per Daniel Vetier i Alain Astier, l'illa de distribució HF03 (veure fig 1.2) de Bosch-Rexroth va estar triada com a estàndar Michelin. En relació a les xarxes de camp, el protocol DeviceNet va ser l'elecció per a la comunicació entre els autòmates programables industrials i els elements de distribució pneumàtica. Cal afegir que en aquesta època Bosch oferia també la possibilitat del protocol CompoNet. Malgrat aquestes opcions, les connexions fil a fil tradicionals eren possibles afegint un mòdul Sub-D de 19 o 25 pins. Fig. 1.2 – Illa de distribució HF03 Bosch-Rexroth 1.3. Context de les pràctiques L'estandarització és un procediment obert a l'evolució dels components i normes existents. Conseqüentment, és necessari realitzar un estudi d'estandarització amb una certa periodicitat. Els canvis dels mercats i l'aparició de noves generacions de components més desenvolupats i adaptats fan aconsellable un periode de 5 o 6 anys per a la realització d'un nou estudi. L'existència de les normes ISO 15407-1/2, ISO5599-1/2, VDMA i CNOMO en relació al pla d'instal.lació normalitzat a les electrovàlvules pneumàtiques, i l'importància cada vegada més gran de les illes de distribució amb mòduls xarxa de camp en l'automatització han estat les línies principals sobre les quals s'han desenvolupat aquestes pràctiques d'empresa. El resultat del treball en aquestes pràctiques és el document que correspon al pre-estudi d'estandarització de les ïlles de distribució pneumàtica connectades en xarxa. 2. Michelin La «Manufacture Française de Pneumatiques Michelin» (MPFM) és una empresa mundial nascuda a Clermont-Ferrand (França) gràcies a André i Edouard Michelin qui crearen «Michelin et cie.» en 1889. Des de fa més d'un segle Michelin és una societat al servei de la mobilitat: el desenvolupament del primer pneumàtic desmuntable en 1981, el primer automòbil equipat de pneumàtics en 1895, la construcció d'avions per la Primera Guerra Mundial en 1910, la participació en la indústria ferroviària amb la «Micheline» en 1931 o la patent del pneumàtic radial en 1946 són alguns exemples del recorregut històric de l'empresa. Un esdeveniment molt important arriba en 1898 amb el naixement de Bibendum. Aquesta mascota ha esdevingut la imatge inseparable de Michelin per tot el món. 2.1. Présentació de Michelin Michelin té com principl activitat la concepció, desenvolupament, fabricació i distribució de pneumàtics. A més, genera un conjunt de serveis directament relacionats a la mobilitat com plànols i les guies, ViaMichelin, serveis als transport i una línia de productes promocionals sota el nom de Michelin LyfeStyle. Michelin té una implantació internacional als 5 continents amb una presència comercial en més de 170 països i una activitat industrial desenvolupada a les 68 fàbriques de producció al món (veure fig. 2.1). L'empresa té un centre de tecnologia distribuït en 3 seus: Amèrica del Nord, Europa (Ladoux – Clermont-Ferrand) i Japó. A més, dos plantacions d'heveas a Brasil completen el conjunt de localitzacions Michelin al món. Fig. 2.1 – Implantació industrial de Michelin Una estructura tan gran i complexa fa que Michelin tinga necessitat d'una gran quantitat de treballadors per estar present al llarg dels 5 continents. L'efectiu humà de l'empresa compta amb 115.755 persones la majoria de les quals estan contractades en França. Com a exemple podem destacar que la seu social reuneix entorn a 13.000 assalariats a les diferents localitzacions de Clermont-Ferrand. Michelin representa hui un grup dins del qual existeixen diverses marques a més de la principal. L'establiment ha organitzat les seues games de productes entorn a una oferta multimarca per a respondre d'un mode més adaptat als diferents mercats i segments de clients; Michelin i BFGoodrich estan presents en tot el món, per contra Kleber té un mercat més dirigit a Europa; Taurus desenvolupa pneumàtics per a vehicles agrícoles; Pneu Laurent s'encarrega de la reutilització i reciclatge per a aconseguir nous pneumàtics. Pel que fa a les xifres clau de l'empresa, en 2006, MFPM ha produït 190 milions de pneumàtics repartits entre totes les games i ha imprés 15 milions de plànols i guies. D'altra banda, la xifra de negoci de 16.400 milions d'euros1 en el conjunt de 2006 i els resultats positius del primer semestre de 2007 de 8.402 milions d'euros2 mostren la dimensió de Michelin al mercat mundial del pneumàtic, sobre tot en Europa i Amèrica del Nord on el percentatge d'aquestes dades és superior. El creixement de les potències asiàtiques és un futur camp de desplegament de la venta de productes Michelin. Es pot observar l'evolució en la figura 2.2. Fig. 2.2 – Evolució del volum de negoci de Michelin Michelin se situa com la segona manufactura de pneumàtics del món amb una quota de mercat del 17,7 %. 2.2. Cultura d'empresa La societat atorga una importància clau al desenvolupament de la seua cultura d'empresa entorn de la mobilitat i el seu «savoir-faire» en la manufactura del pneumàtic i també a la seua imatge de marca. La missió de Michelin és «contribuir al progrés de la mobilitat, dels béns i de les persones, facilitant la llibertat, la seguretat, l'eficàcia i també el plaer de desplaçar-se». El grup mostra aquesta idea sempre amb la seua imatge institucional mitjançant l'eslògan «La millor manera d'avançar» traduït a totes les llengües dels països on Michelin està present per reforçar el caràcter mundial de l'empresa. El Grup Michelin recolza el seu desenvolupament sobre cinc valors: ●respectar els clients : ells són el principal aspecte a Michelin. L'evolució depèn de la capacitat de satisfer el client al llarg del temps. 1Vendes netes abans d'impostos 2 Es pot consultar els resultats ac í : (http://www.michelin.com/corporate/front/templates/affich.jsp? codeRubrique=32&codePage=PAG_RES_1&lang=EN) ●respectar les persones : intentar avançar harmoniosament amb tots els participants dins del creixement i l'expansió de l'empresa, és a dir, integrar-se a la societat on Michelin està present. ●respectar l'accionariat : assolir un nivell de benefici suficient per recompensar el risc i la inversió de l'accionariat. ●respectar el medi ambient : posar en marxa totes les mesures necessàries per obtenir una mobilitat sostenible. ●respectar els esdeveniments : mantindre una exigència d'objectivitat i honestedat intelectual és una condició ineludible al progrés. L'estratègia de l'empresa es composa de cinc orientacions que dirigeixen la seua política industrial cap a l'expansió i el creixement. Aquestes orientacions són coherents amb els valors abans esmentats: I. Posar el «savoir-faire» i la passió per la disciplina del pneumàtic al servei de la mobilitat. Transformar l'empresa més innovadora en aquest camp del pneumàtic i en els serveis associats. II. Oferir als clients la millor qualitat de producte i servei, al millor preu, en cada segment de mercat on es decidisca treballar. III. Cercar el creixement i l'expansió de les persones a l'exercici de les seues responsabilitats. Desenvolupar la diversitat humana de l'empresa. IV. Incrementar sosteniblement el valor de l'empresa maximitzant la rendibilitat de les activitats i de les inversions. V. Ser una empresa harmoniosament integrada en la societat. Exercir plenament les responsabilitats del grup practicant els seus valors. La imatge i la comunicació són aspectes essencials de la MFPM. Des dels primers pasos de la societat, els germans Michelin han donat una importància molt forta a la publicitat dels productes. El màxim exponent d'aquest fet és Bibendum. Creat de la imaginació dels germans Michelin i els pincells d'O'Gallop, el ninot és indissociable de la marca Michelin des de fa més d'un segle. La figura de Bibendum és el millor identificador del Grup. Ell s'encarrega, sempre amb un somriure i bon humor, de promocionar els productes i de donar-los valor. Però la mascota ha evolucionat amb el temps i amb els canvis al si de l'empresa. Els primers cartells de Bibenum mostren una imatge agressiva la qual serveix per a comunicar les característiques de resistència i fiabilitat dels primers pneumàtics. No obstant això, les últimes evolucions mostren una imatge amable, simpàtica i més estilitzada per adaptar-se a l'època actual on Michelin ha definit valors de respecte i desenvolupament sostenible. Fig. 3.2 - Nomenclatures de les vies d'una electrovàlvula Per caracteritzar una electrovàlvula, és necessari definir el nombre de vies o orificis així com el nombre de posicions (per exemple una electrovàlvula 3/2: aquesta electrovàlvula comprèn 3 orificis i 2 posicions). Es pot observar la nomenclatura de les electrovàlvules en la figura següent. Fig. 3.3 – Esquema de nomenclatures d'una electrovàlvula, realitzat per J. Bouchard En relació al pilotatge de les electrovàlvules, existeixen diferents tipus. Primer, es troben dos tipus d'electrovàlvula: monoestable, l'electrovàlvula torna a la posició original des del moment en què deixem d'aplicar el senyal, o biestable, on l'electrovàlvula manté la seua posició en absència de senyal (funció memòria). El pilotatge pot ser realitzat de tres maneres: pneumàtic, elèctric o manual. En el marc d'aquest treball s'han estudiat les electrovàlvules pilotades elèctricament i també, la utilització de comandaments manuals. Els comandaments manuals auxiliars faciliten la internvenció de posada a punt a les màquines. Fig. 3.4a – Etapa d'alimentació d'aire d'un cilindre pneumàtic Fig. 3.4b – Etapa de fuita d'aire d'un cilindre pneumàtic Les electrovàlvules pneumàtiques s'instal.len sobre embasos amb pla d'instal.lació normalitzat segons les diferents normes ISO. Les normes relacionades amb la distribució pneumàtica i els embasos són les següents: ISO5599-2, ISO5599-1, ISO15407-1 i 15407-2. Defineixen la talla de les electrovàlvules i dels embasos, i també les talles i el disseny dels orificis de l'embase. Les normes ISO15407 i les ISO5599 tenen diferències respecte a la talla, i conseqüentment, en el cabal d'aire que l'electrovàlvula pot gestionar. Les talles més grans (talles 1,2 i 3) són a la norma ISO5599, mentre que les talles més petites (talles 01 i 02) estan definides a la norma ISO15407-2 (veure fig. 3.5). Fig. 3.5 – Esquema del pla d'instal.lació normalitzat per a les normes ISO Aquestes normes inclouen, a més, el pla d'instal.lació elèctica amb una connexió estàndar M12 a l'electrovàlvula i a l'embase (veure figs. 3.6 i 3.7). Fig. 3.6 – Vista del pla d'instal.lació normalitzat amb connexions M12 per a l'embase Fig. 3.7 – Pla d'instal.lació normalitzat amb connexions M12 per a l'electrovàlvula Un illa de distribució és un conjunt compost de dos parts. D'una banda, un nombre d'embasos determinat on afegir les funcions pneumàtiques amb les fuites d'aire tots en la mateixa direcció. De l'altra banda, una configuració dels mòduls elèctrics, dels mòduls de configuració de xarxes de camp i dels mòduls E/S per realitzar el pilotatge de les electrovàlvules i enviar les informacions d'estat o diagnòstic cap als elements de control industrial i automatismes. Fig. 3.8 – illa de distribució al costat d'un robot L'avantatge dels illes de distribució és la reducció del volum ocupat per part de les funcions pneumàtiques. Per exemple, en un armari on co.loquem 50 electrovàlvules independents, podem posar 10 illes de distribució, amb 32 bobines per illa, el que redueix considerablament l'espai utilitzat pels elements pneumàtics. A més, la utilització dels mòduls de bus de camp permet una reducció del cablejat i una major eficàcia per als mecanismes de control i enviament d'informació. Fig. 3.9 – Illa de distribució amb 150 bobines en un armari i electrovàlvules aïllades 3.2. Inventari de les illes de distribució La metodologia per a la realització de l'inventari s'ha basat en el document de l'últim estudi d'estandarització pneumàtica. La principal documentació utilitzada ha estat els catàlegs en lína dels llocs webs dels fabricants i alguns dels catàlegs dels productes disponibles al servei SC/MM. Pel que fa als fabricants, s'ha triat els mateixos que en 2001, llevat de Mac Valve perquè hui en dia aquesta societat no té una solució ISO per a les electrovàlvules pneumàtiques. En el darrer moment s'ha afegit les empreses SMC i BOSCH-Rexroth, com a conseqüència de les presentacions durant les visites a Michelin de les línies ISO15407-2 d'aquests fabricants. Cal remarcar que la gamma d'electrovàlvules VSR8-VSS8 de SMC no apareix al seu catàleg en línia i aleshores, malgrat les explicacions dels representants, no es pot tindre la seguretat de que aquests productes no siguen un antic disseny i siguen fabricats actualment. Per consultar l'inventari veure annex 1. 3.3. Síntesi i quadre d'especificacions Després de l'inventari realitzat, es poden extraure les següents conclusions en relació a cada fabricant d'illes d'electrovàlvules pneumàtiques. A continuació d'aquesta síntesi s'ha redactat un quadre d'especificacions que engloba les característiques requerides per l'estandarització pneumàtica. Aquest document ha estat enviat als fabricants per obtindre una resposta de la seua solució en relació a les necessitats de Michelin. A més, s'ha realitzat una taula per resumir l'oferta de xarxes de camp de cada fabricant i la seua solució. Per consultar el quadre d'especificacions i l'engraellat dels protocols veure annexos 2 i 3. FESTO FESTO és el fabricant que està més prop de les especificacions establertes en relació a l'estandarització de les illes de distribució. Amb la terminal de de distribució es poden configurar tote les funcions de distribució típiques 5/3, 5/2 biestable, mono ressort, pneumàtica, 2x3/2 NF/NO et NO-NF. Existeix també la junta del pla d'instal.lació normalitzat i una filtració de l'aire de 40 µm. Com la gran majoria de les solucions d'illes de distribució, la corredissa és la tècnica de les electrovàlvules triada. Proposa l'illa VTS44 com producte normalitzat. Esquema electrovàlvula – regulador – embase factible. Es poden combinar les dues talles 01 i 02 al mateix illes utlitzant un embase per dos distribuidors talla 02. Per contra FESTO no proposa solucions ControlNet. La solució Ethernet/IP està disponible amb els mòduls CPX. DeviceNet i Profibus també formen part de l'oferta bus de camp FESTO. Per afegir funcionalitat bus de camp és necessari tindre la terminal CPX que proveïx els mòduls xarxa i E/S, i també la modularitat elèctrica. Fig. 3.10 – Estructura embase – regulador/limitador de cabal – electrovàlvula FESTO NUMATICS Les sèries 2000 de Numatics són la solució normalitzada en relació amb la distribució pneumàtica. Totes les funcions pneumàtiques estan disponibles amb un cabal molt habitual en talles 01 i 02. La combinació de les dos talles ISO15407-2 és impossible sense afegir una placa de separació intermèdia. La solució xarxa de camp és molt potent amb els mòduls electrònics G2-1 i G2-2. Les possibilitats de les E/S descentralitzades i el gran nombre de les mateixes fins a 96 entrades i 192 sortides atorguen una gran versatilitat a les illes Numatics. L'oferta de protocols és la més gran del mercat: des de AS-i fins a ControlNet amb una diversitat de connexions amb M12. BOSCH-REXROTH BOSCH-Rexroth no ha proposat fins a l'últim moment una illa de distribució malgrat haver estat inclòs en el darrer estudi d'estandarització. La sèrie CD26-PL proveïxen totes les funcions pneumàtiques i tenen un cabal molt clàssic. La regulació de pressió en «sandwich» entre electrovàlvula i embase és possible en aquesta sèrie. No podem barrejar les dues talles a la mateixa illa perquè només existeix una talla disponible (ISO01 26 mm). Quant als protocols de xarxes de camp, aquesta societat té grans limitacions. Proposa, amb l'estructura clàssica de bus de camp, només ProfiBus i DeviceNet. Si es vol utilitzar un altre protocol, cal utilitzar els sistemes propietaris de BOSCH anomenats DDL. Finalment, la visita d'una representació mundial de BOSCH-Rexroth a Clermont-Ferrand al més de Març en el marc dels acords signats entre Michelin i aquesta empresa han servit per obtenir el compromís d'un veritable desenvolupament illa de distribució amb bones prestacions i presentar-lo quan estiga operatiu. Les darreres notícies després de la visita dels responsables de projectes pneumàtics de BOSCH han mostrat un projecte que serà en marcha al 2008. Ens mantenim, doncs, a l'espera per incloure aquesta solució en un futur no llunyà a l'estudi d'estandarització. NORGREN La gamma VS18/26 permet l'estructura embase - regulador/limitador de cabal – electrovàlvula a les illes NORGREN VS18/VS26 ISO15407-2. Dues talles poden conviure a la mateixa illa de distribució. Fig. 3.11 – Vista de conjunt VS18/26 Norgren PARKER Amb les Isys Series, Parker proposa una solució illes d'electrovàlvules bus de camp amb les normes ISO15407-2 i 5599/2 amb la possibilitat de fer la regulació de pressió entre embase i electrovàlvula, igual que regulador de pressió. Per contra, existeix un problema que es mostrarà a l'apartat de proves en relació a la compatibilitat del regulador de pressió amb l'electrovàlvula d'altres marques. Aquesta opció inclou els protocols Ethernet/IP, DeviceNet, ControlNet i Profibus amb la compatibilitat FlexLogix quant a E/S de dades. A més, existeix la possibilitat de tindre els mòduls de comunicació i E/S descentralitzades. L'oferta bus de camp Parker està desenvolupada enterament per Rockwell Automation. SMC Les sèries disponibles al catàleg amb la solució bus de camp són les EX250 i EX500. Les electrovàlvules d'aquesta terminal de distribució corresponen a les sèries VSR8-4 i VSS8-4 en talla 01 només i conseqüentment la combinació de talles és impossible. El regulador de pressió en «sandwich» està disponible. El nom de protocols és molt important. Es troben Ethernet/IP, ControlNet, DeviceNet, AS-i, i ProfibBus. Però el punt fort dels mòduls SI de SMC és el desenvolupament del protocols Ethernet Industrial com també Modbus/TCP, ProfiNet i Ethernet Industrial Temps Real i Ethercat. 4. Xarxes de camp Les xarxes de comunicació són hui un dia un element habitual en una gran part de les nostres activitats, especialment a l'oficina i en casa. Per contra, la introducció de sistemes d'ntercomunicació digitals en un ambient industrial no està tan estès, però cada vegada són més utilitzats, amb una implantació de sistemes creixent a la indústria. Aquesta nova metodologia dels sistemes d'automatització de processos ofereix una eficiència més gran i una optimització dels recursos, des de la instal.lació de sistemes distribuïts en un simple procediment de fabricació fins a la integració dels diferents nivells de l'empresa (fabricació, gestió de producció, emmagatzematge, control de qualitat, vendes, distribució, etc.) permetent una eficiència superior al procés de fabricació. Fig. 4.1 – Jerarquització de les xarxes. Piràmide CIM En conseqüència, és necessari analitzar les diferents possibilitats al moment d'implantar nous elements en una fàbrica, ja que si no es dirigeix cap a una gestió integral, és necessari que tots els aspectes de la mateixa siguen concebuts per la comunicació amb la resta. Aleshores, des dels elements d'automatització (APIs, sensors, accionadors, IHM, etc.) fins elements de gestió i supervisió sense oblidar els dispositius de control industrial, tots han de ser capaços d'intercanviar i comunicar entre ells a través de les xarxes industrials destinades per a eixe objectiu. Existeixen diferents velocitats per a Ethernet Industrial, però els fabricants han dirigit els seus desenvolupaments cap als 10/100 Mb/s, és a dir, 10Base-T i FastEthernet. Malgrat aquest rendiment teòric, Ethernet es manté com una xarxa amb una taxa d'utilització d'amplària de banda molt petita a causa de la gran talla de la trama de comunicació. Les topologies més habituals per aquest protocol són l'estrela a causa de la utilització de xarxes amb switch, topologia de bus o línia (originària d'Ethernet), i l'anell amb la possibilitat de redundància lògica per atorgar un grau de seguretat més alt als elements de la xarxa. La base del IEEE 802.3 o Ethernet està definida sobre la codificació Manchester diferencial. Quan utilitzem aquest tipus de codificació cada bit és dividit en dos intervals. Un “1” lògic es transmet quan el senyal està a nivell alt durant el primer interval i baix durant l'altra meitat del bit. Per transmetre un “0”, s'utilitza la inversa que per enviar un “1”. El nivell d'un senyal alt correspon a +0.85 V i -0.85 V per un senyal baix. Fig. 4.6 – Exemple de senyal segons Manchester diferencial Pel que fa al cablejat existeix un debat entre dos solucions. L'Ethernet d'oficina utilitza el RJ45 amb comunicació creuada. La versatilitat i fiabilitat d'instal.lació fan d'aquest desenvolupament una connexió molt agradable per a l'ambient clàssic del camp de les xarxes, però a la fàbrica existeixen restriccions front a les quals RJ45 no està preparat. Per adaptar aquest tipus de connexió al medi industrial cal considerar caputxes per una protecció IP67. Fabricants com Siemon, Hart o Phoenix desenvolupen aquest tipus de solució per Rockwell, Siemens o Schneider. Fig. 4.7 – RJ45 segons IP67 Malgrat aquests intents per adaptar el RJ45 a un ambient industrial, aquest cablejat és una solució ideal només per a la part automatismes amb limitacions inferiors en relació a la protecció IP (IP20). Analitzades les limitacions del medi industrial, la millor solució passa per una integració dels dos sistemes al mateix temps. Es poden utilitzar preses RJ45 per l'interior d'un armari on està col.locat l'automatisme i preses M12 per a l'exterior, el que afegeix resistència al medi industrial, més exigent amb el material. El tipus de cable habitual per altes velocitats en aquest protocol és la fibra òptica, però s'utilitza també el cable coaxial com solució clàssica. Fig. 4.8 – M12: connectors i perfil del cable Ethernet industrial sense fil En una anàlisi a llarg termini caldria incloure les xarxes locals industrials sense fil. El desenvolupament d'estàndars com IEEE 802.11 estableix i documenta una solució Ethernet Wi-Fi la qual podría ser útil en aquest estudi. Quan s'introdueix el concepte Wi-Fi cal remarcar la utilització de routers que aporten la intel.ligència necessària per a l'encaminament, però també les interferències, el soroll i la compatibilitat electromagnètica. Evidentment la velocitat en relació al bitrate no és tan elevada com en una solució Ethernet cablejat: parlem d'al voltant de 5 a 11 Mb/s (actualment FastEthernet arriba a velocitats de l'ordre dels 100 Mb/s) En el mercat existeix un nombre prou important de fabricants de models de routers. Pel que fa a la solució industrial que ací tractem, existeixen routers industrials addients. Si ens referim a fabricants concrets, CISCO és sense cap dubte una de les empreses més fortes i amb més experiència a l'àmbit del desenvolupament de xarxes en general i de routers en particular. Altra empresa important en aquest sector és 3Com, que acumula un important prestigi. 4.2.1.1 Ethernet/IP Ethernet/IP és el protocol Ethernet Industrial proposat per Rockwell. Està compost de dos parts en relació al model OSI. La capa aplicació està desenvolupada recolzant-se sobre el protocol aplicatiu CIP i les capes física i enllaç de dades segueixen l'Ethernet estàndar IEEE 802.3. Ethernet/IP utilitza el protocol de transport i control de l'Ethernet clàssic, és a dir, el procol de control de transport (TCP) i el protocol Internet (IP). Aquesta implementació d'Ethernet Industrial és compatible en relació a les especificacions del medi físic i accés a dades sobre el bus. Per contra la capa aplicació es manté com una solució tancada no estàndar. La utilització de tecnologia Ethernet estàndar per la capa física facilita la integració d'Ethernet/IP en la xarxa de la fàbrica i els productes desenvolupats per aquesta funció. El hardware anomenat off-the-shelf i l'estàndar TCP/IP pot ser utilitzat també és possible amb aquesta implementació. La pila de protocols Ethernet/IP està disponible per diferents tipus d'aplicació. Aquest protocol té algunes adaptacions per perfils de seguretat emprants el protocol CIP Safety sobre Ethernet. Els dispositius Ethernet/IP Safety desenvolupen les extensioins CIP Safety sobre una xarxa Ethernet/IP. Fig. 4.9 – Arquitectura Ethernet, ControlNet i Devicenet Els avantatges d'aquest protocol són nombrosos. La proposició d'una capa d'aplicació CIP que ofereix tots els serveis per als dispositius amb un sol punt d'accés i configuració simplifica la utilització. La classificació de tots els dispositius com objectes redueix considerablement la formació necessària quan un nou dispositiu s'afegeix a la xarxa. Ethernet/IP al punt més alt de la piràmide ofereix un rendiment ben adaptat a l'intercanvi d'informació gràcies a un temps de resposta petit i una productivitat d'enviament de les dades superior. Així doncs, CIP ofereix una capa aplicació molt consistent per als nivells de la producció automatitzada. Fig. 4.10 - Relació entre capes en Ethernet/IP Malgrat aquests punts forts, la concepció del sistema canvia la mentalitat dels usuaria i desenvolupadors i ha de ser acompanyat d'una formació més òlida per comprendre tots els aspectes de la xarxa. A més la interoperabilitat queda com a punt febre de la xarxa per la propietat de la seua especificació. L'organització que recolza Ethernet/IP és l'ODVA, el membre principal de la qual és el propietat de l'especificació i principal desenvolupador Rockwell Automation. Encara que existeix molta informació difosa, aquest protocol no és un bus de camp estàndar al nivell aplicació, ja que només respecta l'estàndar per la capa física i enllaç de dades segons l'estàndar IEEE 802.3 d'Ethernet. CIP (Common Industrial Protocol) CIP, sigles de Communication and Information Protocol o Common Industrial Protocol segons bibliografies, és el protocol de comunicació que serveix com capa aplicació per l'Ethernet/IP, ControlNet i DeviceNet. Aquest protocol té com funció la transmissió de dades entre dos dispositius en l'àmbit de l'automatització industrial. Al protocol CIP, cada dispositiu de la xarxa respresenta una sèrie d'objectes. Cada objecte és simplement un reagrupament dels valors d'identificador d'objecte en un dispositiu. L'objecte identificador conté valors de dades anomemats atributs. Els atributs per l'objecte que identifica reagrupa l'identificador del fabricant, la data de fabricació, el número de sèrie del dispositiu i altres dades d'identificació. CIP no especifica com estan implementades les dades, només quins valors han de ser suportats i que aquestes dades han d'estar disponibles pels altres dispositius enllaçats a una xarxa CIP. Fig. 4.11 – Model Ethernet/IP I CIP per aplicació 4.2.1.2 ProfiNet ProfiNet és l'estàndar obert Ethernet Industrial (IEC 61158) per l'automatització industrial. Aquest protocol es recolza sobre l'estàndar IEEE 802.3 (Fast Ethernet 100 Mb/s i tecnologia switch). Aquest bus de camp té com principal punt fort la seua ampla gamma de perfils per totes les situacions dins de la fàbrica: automatització descentralitzada (ProfiNet IO), seguretat (ProfiSafe) i motion control (ProfiDrive). L'adaptació per cada nivell de la piràmide CIM fan d'aquest protocol una solució molt atractiva en l'àmbit d'Ethernet Industrial obert. ProfiNet cobreix la gamma completa d'aplicació d'automatització industrial. Existeixen tres propietats de comunicació bàsiques per aquest protocol: •comunicació TCP i UDP sense temps real: constitueix la base de la comunicació per la parametrització i la configuració de l'estàndar TCP/IP. •Temps Real: s'utilitza Real-Time per les dades crítiques en relació amb el temps, com per exemple, les dades cícliques d'usuari o les interrupcions programades. ProfiNet empra un canal de comunicació optimitzat per les restriccions de temps real. Açò redueix el temps de cicle i permet aconseguir una augment de velocitat per les dades d'actualització del procés. Aquest rendiment és comparable amb el dels busos de camp, i permet temps de resposta entre 1 i 10 ms (veure fig. 4.12). Al mateix temps, la velocitat del processador al dispositiu és molt reduïda. Els components de les xarxes estàndar poden ser utilitzats per aquesta solució. Fig. 4.12 – Temps Real ProfiNet •IRT (Isochronous Real-Time): Adaptat per al perfil motion control i per les aplicacions d'alta velocitat en l'automatització industrial. IRT permet un temps de cicle de 250 µs amb una resolució de menys d'1 µs. Per obtindre aquesta velocitat el cicle de comunicació es divideix en una part determinista i una part oberta (veure fig. 4.13) El missatge IRT cíclic es transmet en la part determinista, i el missatge TCP i RT en la part oberta. Els dos tipus de trama existeixen l'un al costat de l'altre, però sense interferència mútua. Açò significa que els usuaris poden connectar un ordinador portàtil en qualsevol lloc per accedir a les dades del dispositiu sense efectes negatius al control isòcron. Fig. 4.13 – Mecanisme Isochronous Real Time ProfiNet es basa en la tecnologia de commutació (switch) 100 Mb/s. Els commutadors permeten transmetre a les estacions al mateix temps. Hi ha sempre un enllaç punt a punt al pròxim commutador. Aquesta característica és també bidireccional, açò vol dir que obtenim una amplària de banda de 200 Mb/s. Els avantatges són nombrosos: les àrees de la xarxa que no tenen necessitat de recepció de trames no les reben, amb una reducció evident de la càrrega de la xarxa. Les topologies més freqüents són l'estrela, la línia amb extensions, estructura d'arbre i anell amb redundància lògica. Les estructures per a la fàbrica més utilitzades consisteixen en una combinació de topologies. Es poden implementar les estructures de xarxa amb un cable típic de coure i fibra òptica (per distàncies molt llargues). Aquest protocol bus de camp té una característica molt important. ProfiNet pot ser controlats per clients web. Açò esdevé realitat amb les tecnologies estàndars d'Internet com HTTP, XML, HTML o mitjançant scripts. Les dades són transmeses d'una forma estàndar amb els formats XML i HTML i poden ser visualitzades amb els navegadors web. Aquest fet permet una integració de la informació ProfiNet dels dispositius als moderns sistemes d'informació basats en tecnologies multimèdia. La integració amb servidors web estableix ProfiNet com un protocol adaptat al mateniment i diagnòstic. A més, per a l'usuari representa una interfície més amigable que un IHM clàssic. ProfiNet està suportat des de les organitzacións ProfiBus i ProfiNet International. A més, la indústria de l'automòbil empra aquest protocol com a millor solució adaptada per la construcció de vehicles al a fàbrica. El principal desenvolupador de ProfiNet és Siemens. La plataforma Step 7 i Simatic Net treballa sobre la base de la configuració ProfiNet i ProfiBus com protocols principals. 4.2.1.3 Modbus: ASCII/RTU i TCP Modbus és un protocol de comunicació sèrie publicat per Modicon en 1979 per l'utilització amb els seus autòmates programables. Des de la compra de Modicon per part de Schneider Electric, Modbus ha esdevingut el protocol proposat per als automatismes d'aquesta societat. Hui en dia, Schneider Electric és membre de l'ODVA. Açò significa que Modbus serà una solució amb un pes important en un futur no molt llunyà. Modbus és un protocol obert de capa aplicativa (model OSI – 7), que proveix una comunicació client/servidor entre dispositius connectats sobre diferents tipus de xarxes. Existeixen diverses tècniques de transmissió per aquest tipus de xarxa: RS485, RS232, fibra òptica, ràdio,... Fig. 4.14 – Pila de comunicació Modbus El protocol Modbus permet una comunicació simple amb tots els tipus d'arquitectura de xarxa (veure fig 4.15). Cada tipus de dispositiu (API, IHM, Mòduls E/S,...) poden utilitzar Modbus per llançar una operació a distància. Fig. 4.15 – Exemple d'arquitectura Modbus Aquest protocol defineix per a la seua trama una unitat de dades de procol simple (PDU: Protocol Data Unit) independent de les capes de comunicació que són per baix. La correspondència de Modbus sobre xarxes específiques pot introduir camps adicionals sobre la unitat de dades d'aplicació (ADU: Application Data Unit). Fig. 4.16 – Missatge Modbus general El client que comença la transacció Modbus composa l'ADU. El codi funció indica al servidor quin tipus d'acció ha de realitzar. El protocol d'aplicació Modbus estableix el format d'una petició llançada pel client. Modbus ASCII/RTU L'especificació original Modbus ofereix dos modes de transmissió possibles: ASCII i RTU (Remote Terminal Unit). Modbus RTU és la implementació més habitual. Aquest mode empra la codificació binària i una verificació d'errors CRC de 16 bits. Els missatges Modbus ASCII són menys eficients i utilitzen una verificació d'errors LRC, que és menys efectiva. El mode ASCII utilitza caracters ASCII, que formen el missatge. És per això que aquest mode és més “humà” i més “verbal” ja que es pot llegir el contingut del missatge. Per contra açò representa un problema per la seguretat de les dades. Els dos modes són incompatibles; un dispositiu configurat ASCII no pot comunicar-se amb un element RTU. Modbus TCP Modbus/TCP és un desenvolupament recent, creat per permetre al protocol Modbus/TCP de transmetre sobre xarxes TCP/IP. Modbus/TCP col.loca el missatge estàndar Modbus en trames TCP/IP. Encara que la implementació siga simple, les característiques associades presenten algunes consideracions a tindre en compte. Per exemple, els mestres Modbus esperen i demanen respostes a les seues peticions amb un temps de trama donada. Aleshores cal estar atent a l'aspecte no determinista de TCP/IP. Un encapçalament dedicat s'utilitza sobre TCP/IP per identificar l'ADU de Modbus (veure fig. 4.17). S'anomena encapçalament MBAP( Modbus Applicacion Protocol Header). Fig. 4.17 – Trama Modbus sobre TCP/IP Modbus/TCP configura les connexions entre nuclis de la xarxa enviant peticions via TCP half-duplex. TCP permet posar en una cua múltiple peticions en una memòria intermèdia esperant de ser ateses. Modbus/TCP té la capacitat d'emprar identificadors de transacció (nombre de seqüència), però alguns fabricants de material Modbus no l'utilitzen. Si una petició d'un mestre es perd, o conté un codi de funció incorrecte, l'esclau no respon. El mestre ha de rellançar la petició, o potser existeix altres peticions que esperen. Les respostes a peticions antigues poden provocar problemes de desincronització i el mestre pot enllaçar la resposta correcta a una petició. Els símptomes que poden aparéixer a causa d'aquest problema són l'aparició de dades incorrectes des d'un esclau, la caiguda dels esclaus o l'augment progressiu del temps de resposta. Cada Lpacket està compost al mateix temps d'una sèrie d'elements (veure fig. 4.25): la longitud, un camp de controlador, un identificador de connexió que pot ser fixe (2 octets) o general (3 octets) i que representa un mètode eficaç per localitzar un missatge d'objecte particular, i, finalment, les dades pròpiament dites. Fig. 4.25 – Contingut de cada Lpacket El model productor/consumidor s'utilitza per a l'intercanvi d'informació sobre ControlNet. La base d'aquest model és l'existència d'un productor que és l'emissor de les dades i el consumidor que és el destinatari. Cada node pot actuar com a productor o consumidor en instants diferents de temps. Les principals diferències repecte al model clàssic origen/destinació són les següents: •Els consumidors poden “consumir” les dades produïdes per un sol productor. •Els nodes poden ser sincronitzats. •L'ample de banda s'optimitza per aconseguir millors prestacions. •Xarxes millor adaptades per la programació i la comunicació. Fig. 4.26 – Models de comunicació CTDMA, sigles de Concurrent Time Domain Multiple Access, és l'estratègia algorísmica d'accés al medi físic de la xarxa ControlNet. El determinisme de ControlNet s'obté permetent l'accés al medi físic d'una part dels nodes solament un interval de temps preestablert. L'objectiu que es busca amb CTDMA és provar a regular el temps d'accés de les estacions mitjançant un temps d'actualització configurable de 2 a 100 ms anomenat NUT (Network Update Time) que és la base de l'accés al medi físic de ControlNet. Fig. 4.27 – Principi de funcionament de CTDMA NUT correspon a la freqüència amb la qual l'interval de temps en el qual les dades poden ser enviades (Network Update Interval: NUI) es repeteix. NUI es divideix en tres sessions: •Servei prioritari (scheduled service): E/S TOR, E/S no TOR, repartiment de dades •Servei no prioritari (unscheduled service): per enviament de missatges o supervisió IHM. •Manteniment (guardband): manteniment de la xarxa, part de la trama generada pel vigilant. La primera part del NUI està reservada al trànsit determinista (time-critical data) que ha de ser transmessa en un temps i velocitat concrets. En aquesta primera part, Smax, o S, segons bibliografies, representa l'adreça més gran de la xarxa que pot reservar una part del temps prioritari del NUI. En aquest interval, tots els nodes que tenen una adreça inferior al paràmetre Smax tenen l'oportunitat de transmetre una trama MAC com a màxim. Cada node amb una adreça entre 1 i Smax té l'oportunitat de transmetre a cada NUT. Els nodes amb una adreça superior no poden enviar durant aquesta part de temps prioritari. L'adreça 0 es reserva per a utilitzacions futures, però no pot ser utilitzada per un node. La segona part del temps comença després que tots els nodes amb requeriments de temps crític hagen tingut la possibilitat de transmetre. Aquesta part es reservada per la transmissió no determinista. Ací existeix un paràmetre, Umax o U, que és l'adreça de xarxa més gran que té el dret de transmetre durant el temps no prioritari de NUT, per defecte Umax = Smax + 8. Com amb Smax, els nodes amb adreça superior a Umax no poden transmetre durant el temps no prioritari. El token, durant aquest temps no prioritari, passa d'una adreça n a una adreça Umax o a una adreça n+1 i obtindrà la possibilitat de transmetre en aquest moment al NUT. Aconseguim una tècnica de rotació de l'oportunitat de transmetre. La tercera part de NUI està reservada pel manteniment de la xarxa. Els nodes amb l'adreça més petita exerceixen el paper de “keeper” (vigilant). La seua funció és transmetre una trama que conté els valors actualitzats dels paràmetres Smax i Umax, i el NUT per al servei prioritari o scheduled. Un keeper actiu és el node vigitant que gestiona la xarxa. Totes les parts es presenten a l'esquema de la figura 4.28. Fig. 4.28 – Smax (S) i Umax (U) sobre les parts del NUT Pel que fa al cablejat existeixen diferents possibilitats, però la principal solució per al medi físic ControlNet és el cable coaxial amb connectors RG-6 i RG-6F, o BNC. Per grans distàncies s'utilitza la fibra òptica. ControlNet accepta més d'una topologia: línia amb tirants, estrela, estructura d'arbre, i anell redundant. Per crear altres topologies cal utilitzar repetidors. Un punt fort de l'estructura topològica d'aquest protocol és la redundància física. La xarxa ControlNet preveu la instal.lació d'un segon cablejat anomenat medi redundant per raons de robustesa i fiabilitat. Els nodes transmeten el senyal al mateix temps pels dos cables i el receptor fa una comparació contínua per prendre el millor dels dos. És evident que el segon cable s'utilitza la major part del temps en cas de fallades i manteniment del primer (veure fig. 4.29). Fig. 4.29 – Estructura ControlNet redundant El nombre màxim d'elements d'una xarxa ControlNet és 99. La distància depèn del nombre de nodes en un segment, que és una secció de cable en una estructura linial amb tirants amb terminacions als dos extrems de 75 ohms. La velocitat de ControlNet arriba als 5 Mb/s. La fòrmula general que s'utilitza pel càlcul de la distància ControlNet és la següent: 1000 m – 16.3*(Nombre de nodes -2) Per guanyar distància o afegir elements cal utilitzar repetidors seguint la gràfica de la figura 4.30 (amb cable RG-6). La longitud màxima d'una xarxa ControlNet pot arribar fins als 20 km. Fig. 4.30 – Relació entre distància i repetidors ControlNet La utilització de l'estructura de token per la lògica de la xarxa esdevé clau per aconseguir el determinisme a ControlNet amb una productivitat i una eficiència excel.lents amb elevades càrregues d'informació. Durant les operacions de xarxa la utilització del token permet afegir o suprimir elements elements dinàmicament. Els segments Scheduled i Unscheduled a cada cicle NUT fan de ControlNet un protocol perfectament adaptat per als missatges de temps crític o no crític. Per contra, l'estructura de token no és gens eficient per càrregues febles de trànsit. En general, quan hi ha molts nodes a la xarxa, la major part del temps és utilitzat en passar el token entre nodes quan els trànsit de dades és baix. ControlNet és un dels perfils inclosos a l'estàndar EN50170 i a l'IEC61184. L'associació que recolza aquest protocol és ControlNet Internacional que és la propietària de l'especificació, tancada, d'aquest bus de camp. Aquesta xarxa de camp té com a punt positiu la seua facilitat de configuració per al catàleg d'automatismes Rockwell Automation amb les col.leccions de software RSNetworx, RSLinx i la seua gamma d'autòmates ControlLogix. El principal avantatge és la seua aproximació molt “software” que simplifica molt la configuració per al desenvolupador. 4.2.3. DeviceNet DeviceNet és un protocol de nivell de camp dissenyat per la comunicació entre dispositius, sensors, accionadors i controladors industrials. El bus de camp d'Allen-Bradley utilitza els serveis de capa aplicativa proporcionats pel protocol CIP ja explicat en l'apartat d'Ethernet/IP d'aquest mateix estudi. Per la capa enllaç de dades, el protocol CAN és l'especificació triada per la implementació del nivell MAC de DeviceNet. L'especificació CAN defineix dos estats de bus anomenats dominant (zero lògic) o recessiu (un lògic). Qualsevol estació pot dur el bus a un estat dominant. El bus pot estar només a l'estat recessiu quan no existeixen nodes en l'estat dominant. Aquest és el principi d'arbitratge emprat per CAN. Existeixen diferents tipus de trames CAN: trames de dades, de sobrecàrrega, “remotes”, trames d'error... Les dades es desplacen cap a DeviceNet mitjançant les trames de dades. Les altres trames són poc freqüents en DeviceNet. En la figura 4.31 es mostra l'estructura de la trama de dades. CAN és una xarxa portadora de senyal. Un node pot transmetre quan els altres no envien informació. Aquest fet proveïx capacitats p2p. Si dos o més nodes CAN proven d'accedir a la xarxa al mateix temps l'algorisme CSMA/NBA (Carrier Sense Multiple Access with Non destructive Bitwise Application) arbitra de manera que ni les dades ni l'ample de banda siguen perduts. Tots els receptors de la xarxa se sincronitzen amb el camp Start of Frame amb la transició recessiudominant. Per entrar més detalladament al funcionament de DeviceNet un coneixement de l'especificació CAN és imprescindible. Aquest no és l'objectiu d'aquest estudi, ja que no es preten descriure amb gran precisió els mètodes d'aquest protocol, sinò quedar-nos en una anàlisi més general de la xarxa DeviceNet. Animem al lector d'aquest estudi a consultar l'especificació Bosch 2.0 del protocol CAN que està disponible lliurement. Aquest protocol de camp utilitza un model de comunicació productor/consumidor amb dos tipus d'estació: mestres i esclaus. Aquests últims han de ser classificats en un tipus de servei E/S per l'intercanvi amb el mestre entre tres possibilitats: Change of Stage, Strobe i Polling. Fig. 4.31 – Trama estàndar CAN corresponent a l'especificació 1.0 DeviceNet utilitza una topologia linial que anomenem trunk/drop line, és a dir, es pot afegir al bus principal línies amb nodes sense importar quina siga l'estructura com observem en la figura 4.32. Podem tindre un nombre màxim de 64 nodes en aquesta xarxa de camp. Les prestacions en termes de velocitat depenen de les distàncies utilitzades en la planificació de la xarxa: 125, 250 i 500 Kb/s per 500, 250 i 100 metres respectivament. Pel que fa al cablejat s'utilitza el par trenat. Per als extrems del bus principal cal emprar resistències de terminació de 120 ohms. Fig. 4.32 – Topologia DeviceNet En resum, es pot dir que DeviceNet és la suma dels protocols CIP per la capa aplicació i CAN per les capes enllaç de dades i física. CAN és un protocol determinista optimitzat per a missatges curts. La prioritat dels missatges s'especifica en el camp d'arbitratge. Els missatges d'alta prioritat sempre guanyen l'accés al medi físic durant l'arbitratge. Així doncs, es pot garantir un retard determinat per als missatges prioritaris. Per contra, el major inconvenient de CAN respecte a altres xarxes de camp és una velocitat de transmissió massa lenta (màxim de 500 Kb/s). La productivitat està limitada si fem la comparació amb altres protocols de nivell dispositiu. La sincronització de bit demanada pel protocol CAN limita també la longitud de la xarxa DeviceNet. CAN no és tampoc la solució més adaptada per la transmissió de missatges llargs, a causa dels 8 octets de dades en la trama del protocol. DeviceNet és recolzat per l'organització ODVA (Open Devicenet Vendor Association). Les possibilitats de futur d'aquest protocol per al nivell dispositiu són enormes gràcies a la utilització d CAN en la capa enllaç de dades. CAN és una tecnologia oberta i estàndar que té una gran acceptació en la indústria de l'automòbil. A més, les grans empreses com Motorola, Philips, NEC, Hitachi, o Siemens tenen una ampla gamma de xips amb implementacions del protocol CAN. 4.2.4. Profibus Profibus és una especificació de xarxa de camp oberta responent als requeriments d'un llarg ventall d'aplicacions, majoritàriament de l'industrial i del procés, però també de l'automatització d'edificis. Aquest sistema de bus pot ser utilitzat per la transmissió de dades exigint una extrema reactivitat, amb temps de resposta curts, o per als intercanvis d'informació complexos. Profibus va ser un projecte finançat en 1987 pel govern alemany amb la participació d'una desena d'empreses com per exemple ABB, AEG o Siemens. L'objectiu de la creació i desenvolupament d'un estàndar de comunicació xarxa de camp concebut tant per a l'industrial com per al procés. Aquest bus de camp ha esdevingut una norma alemanya en 1991/1993 (DIN 19245-1 a 3), i després norma europea en 1996 (EN50170). A més, la comunicació Profibus respecta les normes IEC61184 i IEC61784. Aquest marc normatiu respon a les necessitats d'obertura i independència front als proveïdors, garantint la interoperabilitat, és a dir, la comunicació entre equipaments de diferents fabricants. L'estandarització de Profibus és una de les raons més imporants del reconeixement, de la promoció i de l'èxit d'aquest bus de camp al sector industrial. Donat el seu origen alemany, és evident que Profibus té una forta implantació europea, sobretot gràcies al recolzament de Siemens. Hui en dia, Profibus està gestionant per Profibus International (PI) i també per la Profibus User Organization (PNO). Aquestes organitzacions s'encarreguen de la promoció, desenvolupament i certificació dels equips i assistència tècnica de Profibus. També tenen una missió molt important que és la protecció de la inversió dels usuaris i dels fabricants, gràcies a la seua participació activa en el treball de normalització. Fig. 4.33 – Profibus i les connexions de comunicació Profibus especifica diverses versions de la capa física segons la tècnica de transmissió (veure fig. 4.36), les quals són conformes a les normes internacionals IEC61158 i IEC61784. Les tres tècniques RS-485, MBP i fibra òptica estan optimitzades per una utilització concreta. RS-485 és una tècnica simple i econòmica convenient sobretot en tasques que exigeixen velocitats elevades. El seu suport físic de transmissió és el par trenat blindat. L'usuari pot triar prestacions des de 9,6 kb/s i 12 Mb/s. Tots els equips estan enllaçats al bus seguint una estructura linial. Un màxim de 32 estacions es poden connectar i per damunt d'aquest nombre o en cas d'extensió de la xarxa caldrà utilitzar repetidors per enllaçar els diferents segments del bus. La longitud del cable depèn de la velocitat de transmissió (veure fig. 4.34). Fig. 4.34 – Correspondència velocitat/longitud de segment per RS485 Existeix la versió d'aquesta interfície RS485 per zones de seguretat intrínseca anomenada RS-485 IS. La transmissió MBP té implícit en les seues sigles el tipus de codificació, en aquest cas Manchester, i una alimentació elèctrica dels dispositius de camps directament pel bus, és a dir, Bus Powered. Aquesta tècnica representa una transmissió asíncrona, a velocitat fixa de 31,25 kb/s. Correspon al perfil Profibus-PA. Està implantada en el procés ja que respon a les dues exigències de la química i la petroquímica: seguretat intrinseca i alimentació dels instruments sobre el bus mitjançant un cable bifilar. Fa de Profibus una xarxa segura i explotable en ambients explosius. Profibus sobre MBP accepta topologies amb estructura d'arbre o linials en T, podent combinar ambdues. Per regla general, aquesta transmissió es relega a un segment específic de la fàbrica (equipament de camp en zones perilloses el qual és de seguida enllaçat al segment RS485 (sistema de pilotatge i instruments d'enginyeria en la sala de control) amb l'ajuda d'acopladors de segments o unions (veure fig. 4.35) Fig. 4.35 – Topologia de xarxa i telealimentació dels equipaments de camp sobre bus en transmissions MBP Finalment, la transmissió per fibra òptica està recomanada per al medi industrial amb forta pol.lució electromagnètica o en xarxes de llarga extensió. Tres topologies poden ser configurades: estrela, anular i linial. En el cas més senzill, una xarxa òptica se serveix d'acopladors elèctrics/òptics, connectats a l'equipament de fibra òptica sobre una interfície RS-485 que permeten canvia d'un suport de transmissió a l'altre segons les circunstàncies. Fig. 4.36 – Característiques tècniques de transmissió Profibus L'accés al bus, gestionat per la capa enllaç de dades del model OSI, defineix el procediment entre mestre i esclaus, i també la comunicació intermestre pel mètode de token (veure fig. 4.37). La capa 2 s'encarrega igualment d'assegurar la seguretat de les dades i el tractament de trames. Fig. 5.3 – Connexió M12 del regulador de pressió Numatics Fig. 5.4 – Connexió M12 protegida del regulador de pressió Parker FESTO La norma ISO es respecta completament. Es pot incloure qualsevol electrovàlvula a l'embase i al regulador de pressió. A més les electrovàlvules estan dissenyades de manera que podem posar-les en altres illes i reguladors sense cap problema. Els comandaments manuals estan situats al costat del connector M12. També cal destacar que FESTO és l'únic proveïdor que té una solució per bloquejar els comandaments manuals. Els LEDs també estan en la mateixa part del distribuidor que Numatics Fig. 5.5 – Comandaments manuals i LEDs del distribuidor FESTO BOSCH-Rexroth La norma ISO es respecta completament. A l'igual que FESTO i Numatics es pot incloure qualsevol electrovàlvula a l'embase i al regulador de pressió. A més les electrovàlvules estan dissenyades de manera que podem posar-les en altres illes i reguladors sense cap problema. No obstant això, la concepció de l'electrovàlvula (veure fig. 5.6) amb el pilotatge elèctric afegit a la funció pneumàtica mitjançant un mòdul per dalt sense estar integrat en un mateix conjunt, com els altres fabricants ho fan, suposa un problema: si es vol desmuntar una electrovàlvula que està al costat d'un regulador de pressió amb una altra electrovàlvula dalt, l'accés al cargol per desinstal.lar la primera electrovàlvula resulta prou complicada a causa de les dimensions del conjunt regulador-electrovàlvula. La solució per arribar-hi passarà per desmuntar primerament eixe conjunt i després l'electrovàlvula desitjada amb els problemes de pèrdua de temps i funcionalitat conseqüents (veure fig. 5.7 i 5.8). Fig. 5.6 – Electrovàlvula ISO15407-2 BOSCH-Rexroth Un altre problema és la localització dels comandaments manuals i els LEDS, que pot generar confusió pel color negre del mòdul elèctric. No queda clar a primera vista on estan aquests elements (veure fig. 5.9). Fig. 5.7 – Zona problemàtica entre electrovàlvules i reguladors de pressió BOSCH-Rexroth Fig. 5.8 – Vista zenital de la zona problemàtica Fig. 5.9 – Comandaments maunals i LEDs de l'electrovàlvula BOSCH-Rexroth SMC La norma ISO es respecta completament. A l'igual que els fabricants analitzats fins ara, es pot incloure qualsevol electrovàlvula a l'embase i al regulador de pressió. A més les electrovàlvules estan dissenyades de manera que podem posar-les en altres illes i reguladors sense cap problema. Els reguladors de pressió SMC estan units a l'embase d'una manera diferent als altres fabricants. La solució proposada consisteix en unir el regulador a l'embase amb dos petits cargols just al costat de la base del regulador i l'embase. Els altres proveïdors utilitzen dos cargols units directament a l'embase i després s'afegeix el regulador. Es pot observar aquesta situació en les figures següents. Fig. 5.10 – Cargol entre embase i regulador de pressió SMC LEDs Commandes Manuelles Fig. 5.11 – Regulador de pressió Numatics Fig. 5.12 – Sistema d'unió per embases i regulador Numatics. Parker La norma ISO no es respecta completament. Només es poden afegir electrovàlvules Parker i BOSCH-Rexroth al regulador de pressió perquè la situació de l'indicador de pressió del mateix (veure figs. 5.13 i 5.15) ho impedeix. Per contra les electrovàlvules Parker estan dissenyades de manera que es poden incloure en illes i reguladors dels altres fabricants sense cap problema. Els comandaments manuals i els LEDs se situen al costat de cada bobina d'electropilotatge a les electrovàlvules biestables. Fig. 5.13 – Electrovàlvula Numatics i regulador de pressió Parker Fig. 5.14, 5.15 i 5.16 – Incompatibilitat de les electrovàlvules amb regulador de pressió Parker Fig. 5.17 – Compatibilitat de les electrovàlvules BOSCH-Rexroth amb reguladors Parker Finalment, cal destacar dos aspectes pel que fa als cargols de les electrovàlvules i els indicadors de pressió. D'una banda, s'adonem que les talles dels cargols de les electrovàlvules són diferents els uns dels altres. D'altra banda els indicadors de pressió són massa petits, ja que les illes se situen sovint en emplaçaments de difícil accés i no ens podem apropar per observar les mesures de pressió. Així doncs, caldrà llevar aquests elements dels reguladors de pressió i incloure un veritable manòmetre per al conjunt de la instal.lació pneumàtica. 5.3. Proves de comunicació Per realitzar les proves dels mòduls xarxa de camp s'han pres algunes decisions en relació amb el material disponible al servei SC/MA i les mostres proveïdes pels fabricants. El fort interés del servei SC/MA per l'estat del mercat i el desplegament del protocol Ethernet/IP al sector industrial ha estat una raó molt important per testar aquests mòduls bus de camp. A més, quatre dels cinc proveïdors estudiats desenvolupen solucions Ethernet Industrial. No obstant això, l'absència d'un estàndar definit pel sistema de connexió fa que cada empresa propose una solució diferent. Després d'haver analitzat els connectors a les instal.lacions de SC/MA s'ha decidit utilitzar el més estés dels connectors per a Ethernet: RJ-45. Una vegada presa aquesta decisió s'ha triat l'illa de distribució que disposa de l'estàndar “de facto” a l'àmbit de l'Ethernet clàssic: l'illa Numatics. Es veritat que el connector RJ-45 no està adaptada al medi industrial, però per la realització del les nostres proves és la tria ideal. Els tests de comunicació han estat dividits en tres parts: el sistema de connexió dels mòduls, una verificació de la il.luminació dels LEDS de les electrovàlvules i una comunicació entre PC i el servidor intern de l'illa de distribució Numatics. Fig. 5.18 – Illa de distribució Numatics 5.3.1. Connexions Les empreses que desnevolupen mòduls Ethernet Industrial amb una implementació del protocol Ethernet/IP són: Numatics, FESTO, SMC i Parker. Numatics Com ja s'ha mencionat, Numatics utilitza la connexió RJ-45 per la comunicació Ethernet/IP. Malgrat el seu cost reduït i la seua facilitat d'instal.lació, el RJ-45 no és una bona solució al medi industrial a causa de les exigents restriccions de temperatures, esforços i vibracions. La connexió per l'alimentació correspon a una presa clàssica al medi industrial amb 4 pins. Fig. 5.19 – Connexions del mòdul Ethernet/IP de Numatics FESTO FESTO porposa un sistema de connexió estàndar M12 amb cinc pins. L'alimentació també es composa d'una presa de cinc pins. El mòdul Ethernet/IP de FESTO disposa d'una alimentació suplementària. Fig. 5.20 – Connexions del mòdul Ethernet/IP de FESTO SMC La connexió M12 és l'elecció també per part de SMC per la comunicació bus de camp Ethernet/IP en l'extrem del sistema d'informació EX250. L'aspecte positiu de SMC és el cablejat amb dos extrems que s'adapten perfectament al medi industrial i a les comunicacions amb la targeta Ethernet/IP de qualsevol autòmata. SMC proposa un cable amb presa M12 en la part de l'illa i una presa RJ-45 en la part autòmata o PC (veure fig. 5.23). L'alimentació consisteix en una presa de 4 pins. Fig. 5.21 – Mòdul EX250 aïllat Fig. 5.31 i 5.32 – Missatge de seguretat i captura de forçat de les E/S 5.33 – Enllumenat dels LEDS Després de la realització d'aquesta part del test, hem aprofitat la ferramenta de diagnòstic (veure fig. 5.34) i hem observat que la informació de l'illa cap al servidor i el PC corresponia exactament a allò que observàvem a les electrovàlvules. 5.34 – Ferramenta de diagnòstic del servidor Una vegada més, les electrovàlvules han tingut una resposta correcta en relació al funcionament elèctric. 6. Conclusions Després de l'anàlisi que s'ha realitzat en aquest document, es poden extreure un conjunt de conclusions necessàries per prendre la decisió d'estandaritzar les illes de distribució pneumàtica instalades en xarxa de camp. 6.1. Anàlisis econòmiques A diferència d'altres productes industrials, l'avaluació econòmica concreta d'una illa de distribució resulta molt complicada de realitzar a causa de la gran diversitat d'opcions, mòduls i sistemes que la utiltzació del bus de camp implica. Les solucions dels fabricants per un mateix protocol tenen moltes diferències i aleshores, no es pot comparar en preu perquè realment no comparem el mateix producte. Per contra, es poden descriure en general quins són els costos i els beneficis d'una inversió en relació a la instal.lació de xarxes de camp en pneumàtica. En primer lloc, la complexitat dels busos de camp precisa d'una quantitat important de diners per la formació dels operadors en la fàbrica. Cal un coneixement d'alt nivell per aquests sistemes. A més, és veritat que els costos d'adquisició dels productes són elevats. El món industrial es manté ací habitualment, però cal canviar la manera de pensar front a aquests elements. La inversió bus de camp suposa l'obtenció de beneficis a llarg termini. Potser la compra inicial dels productes no siga atractiva en relació a la reducció de costos, però hi ha altres aspectes on realment trobem les raons per les quals invertir. La instal.lació d'aquests sistemes és molt més senzilla i ràpida que les antigues solucions d'automatització, per exemple la reducció de cablejat representa un estalvi de temps en una instal.lació amb menor nombre de connexions. Conseqüentment, el temps d'instal.lació i posada en funcionament és inferior. Així doncs, estalviem en temps d'instal.lació que suposa un cost molt seriós. Quan més ràpidament estiga una màquina preparada, més ràpidament produïm i guanyem diners. Els temps de les aturades de producció a causa de les fallades del sistema és molt costós quan una màquina està avariada. Cada minut compta. Un dels principals beneficis dels busos de camp és la reducció d'eixe temps. El manteniment és més ràpid. Existeixen LEDs sobre els mòduls dels protocols que indiquen quin és l'estat de la xarxa i mostren amb precisió on es troba el problema. La reducció del cablejat permet també una identificació més ràpida per al diagnòstic. A més, la major part de les solucions tenen ferramentes d'autodiagnòstic que poden remuntar la informació d'un error abans que siga crític. Si tenim un problema, la xarxa el comunicarà més ràpid. Guanyem temps de producció que és un concepte capital al sector industrial. Finalment, l'elecció del bus de camp representa ella mateixa una oportunitat per estalviar. La utilització d'un protocol obert és, en general, menys cara i juga un paper important al mercat actual. El naixement d'estàndars com IEC61159 dóna la possibilitat de tindre en uns anys gammes més amples de productes estàndars i aleshores arribar a reduccions de preu gràcies a la competència dels fabricants. El fet d'estar compromés amb un bus propietari fa que el fabricant de la solució tinga el control absolut sobre el preu. 6.2. Futur del mercat de les xarxes de camp El futur de les xarxes de camp està des de la seua creació molt lligat al futur de l'automatització industrial. El paper i la presència cada vegada més importants de la informàtica industrial en la fàbrica és un esdevenmient clau en l'evolució de les xarxes de camp. En els anys a vindre, la instal.lació de PCs industrials per tots llocs serà farà necessària la utilització d'adaptacions de les xarxes locals a la indústria. És a dir, Ethernet Industrial esdevindrà el protocol més important per a l'intercanvi d'informació i per al nivell de control. El desenvolupament de les solucions Ethernet Industrial Temps Real són una possibilitat a tindre en compte per la implantació d'Ethernet al nivell de dispositiu. És veritat que existeixen altres protocols que estan més adaptats per aquest nivell. No obstant això, les altes prestacions i la versatilitat d'Ethernet per tots els nivells de la piràmide d'automatització fan d'Ethernet un protocol molt atractiu en un context on el PC serà més i més present. Cal no oblidar que l'estandarització és un objectiu essencial per al sector industrial. Ethernet ja és un estàndar IEEE (IEEE802.3) i les implementacions concretes com ProfiNet, EtherCat o SerCos han estat publicades als estàndars IEC61158 i IEC61784. Finalment, creiem tindre suficients indicis per anunciar un futur on Ethernet Industrial serà la xarxa de camp més estesa. 6.3. Evolució i limitacions a Michelin La finalitat d'aquest estudi és l'anàlisi de les illes de distribució i les xarxes de camp. No es preten jutjar la política d'automatismes de Michelin. Però cal mostrar els perills de la mateixa i els reptes per al futur. En un context de reducció de costos i estandarització, el fet de tindre un únic proveïdor com ho és Rockwell Automation i mantindre's en les xarxes propietàries com ControlNet és extremadament perillós. El proveïdor té el control absolut sobre el preu, les especificacions, el manteniment i té un poder tal sobre l'empresa que és capaç d'imposar una illa de distribució com Parker amb la qual té un acord de cooperació comercial. Una empresa de la talla i de l'excel.lència mundial de Michelin ha d'obrir les seues portes a solucions obertes. L'elecció d'estàndars internacionals i protocols amb especificacions obertes per a tot el món són els punts clau perquè Michelin siga a la capdavantera del sector de l'automatització industrial i lògicament del sector industrial. Cal un esforç per canviar la direcció i no arribar massa tard en un context on les noves tecnologies en la indústria evolucionen a una velocitat molt important. 7. Balanç Aquestes pràctiques en empresa de 6 mesos a Michelin m'han aportat un gran nombre de coses tant a nivell tècnic com a nivell personal. 7.1. Balanç Tècnic La realització de les pràctiques en empresa al si d'una empresa és un aspecte destacable per al meu recorregut professional. Gràcies a aquest periode a Michelin he tingut l'ocasió d'adquirir una visió més pròxima del món de l'empresa. He aprés el funcionament i l'organització d'una gran estructura i les restriccions, limitacions i problemes de la indústria. Aquesta experiència m'ha fet comprendre moltes idees i conceptes dels quals tenia un desconeixement molt important a causa de la gran distància que separa les escoles d'enginyers i l'empresa. En relació al tema de les pràctiques, puc dir a dia de hui que he adquirit un domini prou gran de l'àmbit de les xarxes de camp i la seua importància al món de l'enginyeria de control industrial. A mesura que rebien les mostres per a les proves, la teoria de la documentació ha esdevingut pràctica, és a dir, he provat i he verificat el material (connexions, mòduls E/S, mòduls de xarxa, cablejat...) del qual tenia un coneixement per la informació dels fabricants i dels desenvolupadors dels elements d'una xarxa industrial. A més, he descobert un sector, la pneumàtica, que desconeixia completament. L'inventari de les illes d'electrovàlvules pneumàtiques m'ha aportat els coneixements tècnics d'una tecnologia molt present dins de l'automatització industrial. Malgrat les dificultats que he tingut al moment de buscar les especificacions de cada protocol bus de camp, la recerca de bibliografia per les guies d'anàlisi m'ha mostrar la gran quantitat de bases de dades, documentació i informació que està disponible per consultar i la importància dels sistemes d'informació existents quan es pretén realitzar qualsevol projecte. Finalment, vull destacar que la redacció de la memòria en una llengua diferent a la meua i el fet de resumir tot el meu treball de 6 mesos ha estat un moment molt complicat. Gràcies a la realització d'aquest document tècnic he desenvolupat una capacitat de síntesi i d'anàlisi que és clau per a un enginyer. 7.2. Balanç Tècnic Per a un futur enginyer existeix una part humana tan important com la part purament tècnica. Aquesta part personal ha representat per mi un valor afegit en el periode de les pràctiques. M'he adonat de la importància de l'aspecte relacional al món de la indústria i de l'empresa. L'ofici d'enginyer no és únicament tècnica; també és relacions, contactes i dinamisme amb la finalitat de dur endavant un grup de persones cap a un objectiu més alt en un projecte determinat. Aquesta idea que sembla evident no estava present en la meua manera de ser i pense que amb aquesta experiència a Michelin he començat a desenvolupar aquesta capacitat poc a poc cap a un enriquiment personal com professional al món de l'empresa. A més, he descovert el concepte de management, o gestió, de l'organització i de les relacions amb les altres empreses que m'agrada molt i que havia menyspreat abans d'aquest periode de pràctiques. Gràcies a açò, estic preparat per a recórrer noves vies que me dirigeixen cap a un desenvolupament de la professió no només tècnica sinò també cap a una posició d'enginyer de projectes o enginyer comercial. El conjunt d'aquests aspectes positius fan d'aquest periode de pràctiques en empresa a Michelin un moment que romandrà inoblidable durant tota la meua vida. Bibliografia •Feng-Li Lian, James R. Moyne et Dawn M. Tilbury, «Performance Evaluation of Control Networks: Ethernet, ControlNet, and DeviceNet» •Héctor kaschel C. et Ernesto Pinto L., «Análisis del estado del arte de los buses de campo aplicados al control de procesos industriales» •IEEE, «IEEE Std. 802.3TM - 2002 Part 3: Carrier sense multiple access with collision detection (CSMA/CD) access method and physical layer specifications» •Kevin Bothamley et Jim Rodgerson, «Emerging Ethernet Protocols» •Richard McLaughlin, «Exploring the Opportunities of Industrial Ethernet Fieldbus» •Alessio Rubini, «Automazione con Bus di Campo. Prima Parte», Dipartamento di Elettrotecnica, Politecnico di Milano, 2004 •Paul G. Otaneza, Jonathan T. Parrott, James R. Moyne, et Dawn M. Tilbury, «Implications of Ethernet as a Control Network», Department of Mechanical Engineering, University of Michigan •Stefano Panzieri, «Reti e Sistemi par l'Automazione. ControlNet» •David J. gee, «Communication network with time coordinated station activity by time slot and periodic interval number», US Patent No. 5,537,549 Juillet 2996 •Ron Holl et Dave VanGompel, «DeviceNet, adaptation of IEEE 1588», Rockwell Automation, Septembre 2004 •«Apuntes del curso Redes Industriales», Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática, Universidad de Oviedo, 2004 •Martin Rostan, «EtherCat, the versatile high speed Ethernet Fieldbus», EtherCat Technology Group •Johnny Nordin et Marie Persson, «Industrial Ethernet, Ethernet/IP», Master thesis in computing engineering, Department of Computer Science and Engineering, Mälardalen University, Février 2003 •Siemens, «ProfiNet», Avril 2007 •BOSCH, «CAN specification 2.0» •CISCO Systems, «Industrial Ethernet: A Control's Ethernet Guide» •Max Felser, «Profibus et ProfiNet, les leaders mondiaux», Profibus Suisse, Haute Ecole Spécialisée Bernoise •Winston Fong et Jim Rodgerson, «The viability of Ethernet for Automation & Control». Department of Electrical and Electronic Engineering. Manukau Institute of Technology, Auckland •Larry Komareck, «Industrial Ethernet Connections», Phoenix Contact Inc. •Hubert Zimmermann, «OSI Reference Model – The ISO Model of Arhitecture for Open Systems Interconnection», IEEE Transactions on Communications, Vol. COM-28, No. 4, Avril 1980 •http://www.ethercat.org •http://www.profibus.com •http://ethernet.industrial-networking.com •http://www.can-cia.org •http://www.ieee.org •http://www.fieldbus.org •http://www.odva.org Annexos Annex 1. Inventari de les illes de distribució ASCO – JOUCOMATIC Fabricant ASCO-JOUCOMATIC Sèrie MULTIPOL – VDMA/ISO01-ISO02 Criteris Associació de diferents talles No, 2 possibilitats talla 01 (950 l/min) 02 (500 l/min) Modularitat pneumàtica Si Seccionament de pressió No Nombre d'emplaçaments 4-16 emplaçaments per electrovàlvules Funcions pneumàtiques 5/2, 5/3, biestables o monoestables Funcionament en buit No Talla dels orificis (Alim, Esc.) 1-3-5: G3/8 (01) G1/4 (02) 2-4: G1/4 (01) G1/8 (02) Comandament manual dels pilots Comandament manual auxiliar a impulsió. Tècnica de l'electrovàlvula Corredissa Junta de pla d'instal.lació Junta d'estanqueïtat Filtració recomanada 30 µm Pilotatge intern/extern No, únicament extern (opció) Mòdul ControlNet No Mòdul DeviceNet/CANopen No Mòdul Profibus No Mòdul ASI No Multipol Si, connexió M23 amb 19 pins Modularitat elèctrica Si Illa descentralitzada No Mòduls E/S Si Nombre d’E/S 32 entrades / 32 sortides (Màxim quatre mòduls: opcions 8 eixides, 8 entrades, 16 entrades) Protecció IP IP65 Visualització LED en cada bobina de les electrovàlvules pilotades ODVA Si Manteniment Si Preu Observacions Opció configuració 2 pressions: Màxima capacitat amb Sub –D: 16 electrovàlvules + 32 entrades. Màxima capacitat amb M23: 8 electrovàlvules. Electrovàlvules normalitzades sèrie 538 539 Apectes positius Aspectes negatius Fabricant ASCO-JOUCOMATIC Sèrie MULTIPOL – ISO5599 Talla 1 i 2 Criteris Associació de diferents talles No, 2 possibilitats talla 1 (1400 l/min) o 2 (2800 l/min) Modularitat pneumàtica Si Seccionament de pressió Si, 2 pressions amb placa d'obturació Nombre d'emplaçaments 8 emplaçaments per electrovàlvules Funcions pneumàtiques 5/2 retorn ressort, pneumàtic, 5/3, biestables ou monoestables Funcionament en buit Si Talla dels orificis (Alim, Esc.) 1 : G ½ (1) G ¾ (2) 3 – 5 : G ½ (1) G ¾ (2) 2 – 4 : G ¼ (1) G ½ (2) Comandament manual dels pilots Comandament manual auxiliar a impulsió sobre les electrovàlvules pilotades i electrovàlvules amb o sense comprovador manual Tècnica de l'electrovàlvula Corredissa Junta de pla d'instal.lació Si, Junta d'estanqueïtat Filtració recomanada 30 µm Pilotatge intern/extern Si Mòdul ControlNet No Mòdul DeviceNet No Mòdul Profibus No Mòdul ASI No Multipol Si, connexió M23 amb 19 pins Modularitat elèctrica Si Illa descentralitzada No Mòduls E/S No Nombre d’E/S Protecció IP IP65 Visualització LED a cada bobina de l'electrovàlvula pilotada ODVA Si Manteniment Si Preu Observacions Electrovàlvules normalitzades 541 i 542 Aspectes positius Aspectes negatius Fabricant FESTO Sèrie 14 VTSA Criteris Associació de diferents talles 2 talles associables 700 l/min et 1400 l/min Modularitat pneumàtica Si Seccionament de pressió Si, amb placa d'alimentació Nombre d'emplaçaments 16 emplaçaments per electrovàlvules / 32 bobines Funcions pneumàtiques Funcionament en buit Si Talla dels orificis (Alim, Esc.) 1-3-5: Enroscat d'entroncament G1/4-1/8-1/2-3/8 exterior del tub 6-12 mm 2-4 : G1/8, QS-G1/8-8, QS-G1/8-6 G1/4, QS-G1/4-10, QS-G1/4-8 Comandament manual dels pilots Si, comandament manual auxiliar a impulsió o amb col.locació pressió-gir Tècnica de l'electrovàlvula Pistó corredissa Junta de pla d'instal.lació Si Filtració recomanada 40 µm Pilotatge intern/extern Si, séleccció per placa d'alimentació o placa d'extremitat dreta Mòdul ControlNet ? esperem una resposta per part de FESTO ? Mòdul DeviceNet Si, 2xM12 IP65/67 (terminal CPX) Mòdul Profibus Si, sub-D 9 pols (terminal CPX) Mòdul ASI Si, connector M12 5 pols, IP20-65/67 Multipol Si Modularitat elèctrica Si Illa descentralitzada ? Mòduls E/S 9 E/S + interfície elèctrica + node bus de camp Nombre d’E/S 64 E/ 64 S Protecció IP IP65 Visualització Si, LED groc i taronja ODVA Si Manteniment Si Preu Observacions Esperem resposta en relació amb la protecció IP67-20 i bus de camp ControlNet Aspectes positius Aspectes negatius N O R G R E N Fabricant NORGREN Sèrie VS18 (talla 02: 18 mm) Criteris Associació de diferents talles 1 talla 550 - 650 l/min, depenent de funcions Modularitat pneumàtica Si Seccionament de pressió Si, placa d’obturació i plaques intermediàries (alimentació) Nombre d'emplaçaments 32 amb multipol sub-D 44 / 32 bobines Funcions pneumàtiques 2x3/2 NO/NF i NO-NF, 5/2 si 5/3 Funcionament en buit Si Talla dels orificis (Alim, Esc.) 1-3-5 : G1/8 connexió M12 2-4 : G1/8 connexió M12 12-14 : G1/8 connexió M12 Comandament manual dels pilots Si, a impulsió pressió-gir Tècnica de l'electrovàlvula Corredissa Junta de pla d'instal.lació Si Filtració recomanada 40 µm Pilotatge intern/extern Si Mòdul ControlNet No Mòdul DeviceNet Si, M12 5 pins Mòdul Profibus Si, Sub-D 9 pins, 2xM12 5 pins Mòdul ASI Si, estructura 1 o 2 esclaus, M12 5 pins Multipol Si, Sub-D 9/15/25/44 pins Modularitat elèctrica Si Illa descentralitzada ? Mòduls E/S ? Nombre d’E/S Protecció IP IP65 Visualització LED verd ODVA Si Manteniment ? Preu Observacions Mòdul E/S existent en http://www.machpro.fr però no en norgren.com/fr. Impossible localitzar nombre d'E/S Aspectes positius Aspectes negatius Fabricant NORGREN Sèrie VS26 (talla 01: 26 mm) Criteris Associació de diferents talles 1 talla 550 - 650 l/min, depén de funcions Modularitat pneumàtica Si Seccionament de pressió Si, placa d'obturarció I placa intermèdia (alimentació) Nombre d'emplaçaments 32 amb multipol sub-D 44 / 32 bobines Funcions pneumàtiques 2x3/2 NO/NF i NO-NF, 5/2 et 5/3 Funcionament en buit Si Talla dels orificis (Alim, Esc.) 1-3-5 : G1/4 connexió M12 2-4 : G1/4 connexió M12 12-14 : G1/8 connexió M12 Comandament manual dels pilots Si, a impulsió pressió-gir Tècnica de l'electrovàlvula Corredissa Junta de pla d'instal.lació Si Filtració recomanada 40 µm Pilotatge intern/extern Si Mòdul ControlNet No Mòdul DeviceNet Sii, M12 5 pins Mòdul Profibus Si, Sub-D 9 pins, 2xM12 5 pins Mòdul ASI Si, estructura 1 o 2 esclaus, M12 5 pins Multipol Si, Sub-D 9/15/25/44 pins Modularitat elèctrica Si Illa descentralitzada ? Mòduls E/S Nombre d’E/S IP65 Protecció IP LED verd Visualització Si ODVA ? Manteniment Preu Mòdul E/S existent en machpro.fr… però no en norgren.com/fr. Impossible de localitzar nombre E/S Observacions Aspectes positius Aspectes negatius P A R K E R Fabricant PARKER Sèrie ISYS Series Criteris Associació de diferents talles 2 talles associables, 500 – 6000 Nl/min Modularitat pneumàtica Si Seccionament de pressió Si, placa de regulació Nombre d'emplaçaments Funcions pneumàtiques 5/3 Funcionament en buit Si Talla dels orificis (Alim, Esc.) G estàndar (G1/8, G1/4… no indicat) Comandament manual dels pilots No Tècnica de l'electrovàlvula Corredissa Junta de pla d'instal.lació Si Filtració recomanada Pilotatge intern/extern Si Mòdul ControlNet Si Mòdul DeviceNet Si Mòdul Profibus Si Mòdul ASI Si Multipol Modularitat elèctrica Si, Connexió M23 12 pins Illa descentralitzada Si Mòduls E/S Si, fins a 63 Nombre d’E/S 264E / 264S Protecció IP IP65 Visualització LED ODVA Si Manteniment Preu Observacions Mala informació en la documentació de parker.com Aspectes positius Aspectes negatius S M C Fabricant SMC Sèrie VSR8-4/VSS8-4 – ISO15407-2 (talla 01) Criteris Associació de diferents talles No, només talla 01 1000 L/min Modularitat pneumàtica Si Seccionament de pressió Nombre d'emplaçaments Funcions pneumàtiques 5/3, 5/2 biestable, mono ressort, pneumàtic, 2x3/2 NF/NO i NO-NF Funcionament en buit Si Talla dels orificis (Alim, Esc.) Comandament manual dels pilots Si, a impulsió, amb bloqueig, amb bloqueig empotrat Tècnica de l'electrovàlvula Corredissa inoxidable Junta de pla d'instal.lació Junta elàstica Filtració recomanada Pilotatge intern/extern Si Mòdul ControlNet No Mòdul DeviceNet Si Mòdul Profibus Si Mòdul ASI Si Multipol Modularitat elèctrica Illa descentralitzada Si Mòduls E/S Si Nombre d’E/S 32E / 32S Protecció IP IP65 Visualització Si, LED groc ODVA Si Manteniment Preu Observacions No trobem aquesta sèrie al catàleg d'internet ControlNet en fase de desenvolupament Aspectes positius EtherCat amb el mòdul SI EX250 Aspectes negatius La talla ISO02 no està disponible BOSCH-Rexroth Fabricant BOSCH-Rexroth Série Série CD26-PL Criteris Associació de diferents talles No, talla 01 1000 L/min Modularitat pneumàtica Si Seccionament de pressió Nombre d'emplaçaments 12 electrovàlvules Funcions pneumàtiques 5/3, 5/2 biestable, mono ressort, pneumàtic, 2x3/2 NF/NO i NO-NF Funcionament en buit Si Talla dels orificis (Alim, Esc.) G1/8, G1/4, Comandament manual dels pilots Si, a impulsió, amb bloqueig, amb bloqueig empotrat Tècnica de l'electrovàlvula Corredissa inoxidable Junta de pla d'instal.lació Junta elàstica Filtració recomanada Pilotatge intern/extern si Mòdul ControlNet No Mòdul DeviceNet Si Mòdul Profibus No Mòdul ASI No Multipol Si, Sub-D 25 Modularitat elèctrica Illa descentralitzada Si Mòduls E/S Si Nombre d’E/S 64E/64S Protecció IP IP65 Visualització Si, LED ODVA Si Manteniment Preu Observacions Per tindre una gamma més ampla de protocols cal seleccionar la solució DDL proprietària BOSCH. Les opcions bus de camp corresponen a BDC (Bus Direct Control) que és l'estructura de Michelin per als automatismes I xarxes de camps Aspectes positius Aspectes negatius No disposen d'illes normalitzades, només electrovâlvules normalitzades sobre embase Annex 2. Quadre d'especificacions CARACTERÍSTIQUES DE L'ELECTROVÀLVULA ●Funció de l'electrovàlvula: •5/2, 5/3, 2 x 3/2 •NO, NF, NO-NF •monoestable, biestable •retorn pneumàtic o per ressort ●Junta de pla d'instal.lació imperdible ●Cargols imperdibles ●Tècnica de distribució: corredissa ●ESTANDARITZACIÓ: •Normes ISO 5599/2, ISO 5599/1 •Normes ISO 15407-2, ISO 15407-1 •Norma VDMA 24563 ●Tensió d'alimentació: 24V ●Pilotatge extern ●Filtració recomanada: 40 µm ●Visualització: LED (establir la significació de cada color en relació a la indicació de l'estat) ●Tipus d'entroncament per a l'alimentació: •Norma ISO 15407-2 •Talla 02 (18 mm) G 1/4 •Talla 01 (26 mm) G 1/8 •Norma ISO 5599/ •Talla 1-2-3 •1-3-5: G1/2 (1) G3/4 (2) •2-4: G1/4 (1) G1/2 (2) ●Cabal: 1700 Nl/min ●Consum: 1.2 W ●Grau / Índex de protecció: IP65 (fora d'armari, IP20 a l'armari) ●Comandament manual: a impulsió, amb possibilitat de bloqueig o sense comandament ●Pressió d'utilització: buit o pressió màxima 10 bar CARACTERÍSTIQUES DE COMUNICACIÓ ●Protocol (bus de camp): Ethernet/IP, ControlNet, DeviceNet, (Profibus ?). ●Connexions •M8, M12, M23. •Modularitat elèctrica: Sub-D 9/15/19/25/44 pins ●Mòdul Entrades/Sortides •32 E/S mínim •E/S descentralitzades ELEMENTS DEL SISTEMA PORTA-ELECTROVÀLVULA ●Plaques laterals o d'extremitat per embase ●Embase juxtaposable ●Limitador de cabal ●Regulació de pressió: Regulador entre embase i electrovàlvula sobre els orificis 1,3 o 5 segons l'esquema. ●Alimentació en el buit