Distribución de E/S: ventajas y principales características

El mercado de las soluciones para la recogida de entradas y salidas digitales y analógicas en sistemas de control industrial de tipo DCS o PLC es enorme. Al inicio, allá por los 90, se trataba fundamentalmente de reducir el cableado necesario para llevar las señales de los instrumentos distribuidos por la planta hasta un control central. Mucho ha avanzado la tecnología desde entonces: existen ahora múltiples opciones en el mercado de muy diversos fabricantes que no sólo abaratan enormemente el coste global del sistema de control industrial, sino que aumentan exponencialmente las posibilidades de diagnóstico eliminando, incluso, la necesidad de cableados entre el PLC y principal y su periferia distribuida con soluciones de tipo inalámbrico.

¿Cuáles son las principales soluciones para la distribución de E/S que ofrecen las compañías en este momento? ¿Son compatibles con cualquier fabricante o son específicas de sus propios sistemas de control? ¿Cuáles son sus principales ventajas sobre otras posibles? ¿Qué tipo de soluciones inalámbricas disponen para este tipo de equipos? Expertos de Phoenix Contact, Dicomat/Wago, Schneider Electric y Rockwell Automation son los encargados de responder en esta ocasión a nuestras preguntas.

WEIDMÜLLER

Weidmüller ofrece al mercado soluciones flexibles y fiables de distribución de E/S tanto en IP20, como en IP67. “En las soluciones IP20 disponemos de los principales buses de campo industriales (Profinet, Profibus, Ethercat, Modbus TCP, Ethernet IP, DeviceNET, CANopen, PowerLink, CC-Link y la última novedad es una cabecera en protocolo IEC61162-450) y tiene la flexibilidad que se pueden conectar hasta 64 módulos de E/S por cada cabecera”, explica Sergio Muiña Simón, Automation Sales Engineer Manager de la compañía. “En la gama de módulos de E/S compatibles con estas cabeceras _continúa_ disponemos de más de 50 módulos de entradas y salidas digitales (2-16 canales, p/n entradas, 230 V, alta densidad y entrada cable plano), más de 25 módulos de entradas y salidas analógicas (tensión/corriente, sondas temperatura y resistivas), más de 10 módulos funcionales (módulos contadores, analizador de redes, SSI, puerto serie, IO-Link…) y módulos de seguridad (Safety relés, FSoE y Profisafe). Cualquiera de estos módulos tiene una dimensión ultra compacta de 11,5 mm de anchura”.

“Weidmüller dispone de 10 cabeceras en diferentes protocolos de comunicación compatibles con casi 100 módulos variados de E/S”

Por otra parte, en las soluciones IP67, Weidmüller dispone de módulos multiprotocolo (Profinet, Ethercat y Ethernet IP) en un único dispositivo, así como otros buses de campo industriales (Profibus DP, DeviceNet o CanOpen). Existen módulos configurables como Entrada/Salida digital, módulos en entradas o salidas analógicas, sondas de temperatura, así como módulos con IO-Link. Estos módulos tienen variada conectividad sin perder nunca la IP67 en conectores M12, 7/8” o Push/Pull. Además, todas las soluciones de E/S disponen de WebServer incorporado para la configuración de los módulos y disponemos de variadas normativas en el ámbito del Atex, UL y marítimas”, según indica Muiña Simón, quien también confirma que las soluciones de Weidmüller son compatibles con cualquier fabricante del mercado, así como con sus propios controladores: “De hecho, la experiencia de todos estos años comunicándonos con diferentes fabricantes en diferentes protocolos ha hecho que desde el servicio técnico tengamos disponibles muchas notas técnicas en las que explicamos paso a paso cómo conectar nuestra periferia con el controlador demandado. Decir que somos compatibles con cualquier fabricante no es baladí, ya que tenemos experiencia de comunicaciones no solo con los grandes fabricantes conocidos por todos, sino que hemos tenido la capacidad de conectarnos en más de una ocasión con controladores propietarios de algunos fabricantes que comunicándose en protocolos estándar necesitan alguna adaptación en la configuración”.

Y, preguntados por las principales ventajas sobre otras posibles soluciones, desde Weidmüller apuntan hacia la flexibilidad. En este sentido, el Automation Sales Engineer Manager indica que la compañía dispone de 10 cabeceras en diferentes protocolos de comunicación compatibles con casi 100 módulos variados de E/S. Otras de las ventajas son la escalabilidad, “ya que podemos conectar hasta 64 módulos por cada cabecera”; la potencia, “puesto que partimos de serie con hasta 10 Amperios para las entradas y 10 Amperios para las salidas ampliables según necesidades de la instalación; la facilidad y velocidad de montaje, “porque disponemos de tecnología de conexión Push-in en todos los módulos, están codificados por colores y son totalmente desmontables; el ahorro de espacio, “ya que cada módulo ocupa únicamente 11,5 mm y podemos conectar hasta 16 señales en un único módulo; la reducción de la puesta en marcha y de tiempo de parada, “puesto que podemos hacer cambios en caliente, tenemos leds indicadores de fallo justo al lado de cada canal y otro en cada tarjeta; la facilidad de asistencia remota “gracias al Webserver integrado que nos permite ver a tiempo real la instalación funcionando y configurar canal a canal diferentes posibilidades; y, finalmente, una de las principales ventajas: la gran calidad de soporte técnico forjado a base de muchos años de experiencia comunicándose con todos los fabricantes del mercado.

Por último, Sergio Muiña Simón, se refiere a las soluciones inalámbricas para este tipo de equipos. “Se basan en añadir módulos externos a nuestros equipos de E/S, pero esto no implica la pérdida de todas las ventajas comentadas”, indica y añade que, de hecho, “tenemos funcionando en varias aplicaciones de máquinas rotativas o sistemas cercanos con mucho movimiento soluciones inalámbricas en real time. Disponemos en nuestro portafolio de dispositivos inalámbricos transparentes capaces de comunicar protocolos industriales a tiempo real”.

PHOENIX CONTACT

“Tenemos muchas familias y variantes posibles. Dependiendo de si estamos hablando de buses de campo basados en TCP/IP contamos con alternativas tanto de montaje interior en el armario como exterior con tecnología bluetooth como WLAN (FL WLAN 5110,FL WLAN 1100,FL WLAN 2100, FL WLAN 1010,FL EPA 2,…) que se usan de forma recurrente y desde hace años en aplicaciones con PROFINET/PROFIsafe , Ethernet/IP/CIP safety o Modbus TCP”, asegura Ramón Quirós, Jefe de Producto IMA - Industry Management and Automation de Phoenix Contact. Y añade: “Muchos de estos módulos disponen de tecnología MIMO (Multiple Input Multiple Output) y existen en Phoenix Contact multitud de variantes con antenas direccionales y omnidireccionales internas, como otras con posibilidad de conectar diferentes combinaciones de antenas externas”. Si hablamos de instalaciones con E/S sobre buses de campo basados en comunicación serie como son por ejemplo Modbus RTU o PROFIBUS, “tenemos nuestra tecnología TRUSTED WIRELESS implementada en industria desde hace décadas mediante la familia Radioline, que nos permite hacer diferentes tipos de topologías, con alcances de hasta varios kilómetros en exterior”. Asimismo, todos sus sistemas son compatibles con cualquier fabricante de sistemas de control del mercado. Incorporan también una amplia variedad de cabeceras para los principales buses de mercado y en su web es posible descargase tanto guías para uso con otros softwares de programación como los ficheros de descripción del dispositivo.

Respecto a las ventajas principales, En el caso de los Axioline Smart Elements enchufables, que es el más nuevo de los sistemas que Phoenix Contac tiene en el mercado, destaca por su novedoso concepto y versatilidad, según considera Quirós, y añade que, “además de ser perfectamente utilizables con nuestros sistemas de control con Tecnología PLCnext, los Axioline Smart Elements mediante zocalos con capacidad de inserción de hasta 4 o 6 elementos se pueden combinar con las cabeceras existentes del sistema Axioline F y con otros módulos de la generación anterior. Esto permite por tanto tenerlos en cuenta también en futuras expansiones de sistemas actuales ubicados ya en armarios”. No obstante, “su principal virtud es la posibilidad de reunir 32 puntos de conexión Push-In de señal en un ancho máximo de 15mm con una flexibilidad extraordinaria al poder combinar en una misma columna módulos con diferentes funciones, como señales E/S digitales y analógicas junto con otras funciones especiales como comunicación serie, IOLINK,Profisafe, Encoder etc”. Esto se traduce “obviamente” en una reducción considerable del tamaño de la estación de E/S en el armario, además del consiguiente ahorro de tiempo y de dinero, “pues la mayoría de estos módulos compactos no limitan la sección de cableado que sigue siendo de 1,5mm, constan de diagnóstico detallado tanto en local como a través del propio servidor web de las cabeceras”. Actualmente el sistema dispone de más de 20 referencias diferentes que no necesitan parametrización, “lo que hace todavía aún más sencilla su integración en cualquier sistema de control, además del obvio ahorro de espacio y económico”.

“Tenemos nuestra tecnología TRUSTED WIRELESS implementada en industria desde hace décadas mediante la familia Radioline, que nos permite hacer diferentes tipos de topologías, con alcances de hasta varios kilómetros en exterior”

Por último, Phoenix Contact cuenta con muchas familias y variantes posibles de soluciones inalámbricas para este tipo de equipos. “Dependiendo de si estamos hablando de buses de campo basados en TCP/IP, tenemos alternativas tanto de montaje interior en el armario como exterior con tecnología bluetooth como WLAN (FL WLAN 5110,FL WLAN 1100,FL WLAN 2100, FL WLAN 1010,FL EPA 2,…) que se usan de forma recurrente y desde hace años en aplicaciones con PROFINET/PROFIsafe, Ethernet/IP/CIP safety o Modbus TCP. Muchos de estos módulos disponen de tecnología MIMO (Multiple Input Multiple Output) y existen en Phoenix Contact multitud de variantes con antenas direccionales y omnidireccionales internas, como otras con posibilidad de conectar diferentes combinaciones de antenas externas”. Si hablamos de instalaciones con E/S sobre buses de campo basados en comunicación serie como son por ejemplo Modbus RTU o PROFIBUS, “tenemos nuestra tecnología TRUSTED WIRELESS implementada en industria desde hace décadas mediante la familia Radioline, que nos permite hacer diferentes tipos de topologías, con alcances de hasta varios kilómetros en exterior”, concluye Quirós.

DICOMAT/WAGO

Desde Dicomat/Wago, José Luis García, de su Departamento de Ingeniería y Automatización, indica que las soluciones que ofrecen para la distribución de E/S están basadas en PLC programables y acopladores de bus de campo compactos y modulares con una gran oferta de posibilidades a pie de maquina (IP67) y en cuadro (IP20), tanto de entradas y salidas, analógicas y digitales como módulos más complejos para control de iluminación, medida de energía, control de motores, etc. “Los acopladores de bus campo de Dicomat son compatibles con la mayoría de protocolos de comunicación más extendidos en el sector industrial y edificación”, continúa García, “disponiendo no sólo de protocolos de comunicación integrados en la cabecera, sino de módulos de comunicación para aumentar las posibilidades de implementación con otros equipos”. Además, “nuestras soluciones de automatización para alta densidad de señales en reducido espacio se basan en el concepto modular para el diseño de la solución en función de las necesidades del cliente, reduciendo espacio y costes adicionales, con la posibilidad de aumentar a futuro el número de módulos de señales, o sustituir el protocolo de comunicación manteniendo el hardware existente. Asimismo, el conexionado del cableado en los módulos se realiza por medio de una conexión de resorte de tal manera que mejora el contacto eléctrico con el cable, aumenta la facilidad de conexionado y elimina el mantenimiento”.

Las soluciones que ofrecen para la distribución de E/S están basadas en PLC programables y acopladores de bus de campo compactos y modulares

Por otra parte, Dicomat/Wago, dispone de puntos de acceso y clientes WiFi/Bluetooth industrial para integrar inalámbricamente los sistemas distribuidos de entradas y salidas con el equipo principal, con un alcance de hasta 400m, supeditado a la distribución y obstáculos entre dispositivos. “También es posible la posibilidad de sistemas modulares distribuidos con conectividad 4G permitiendo crear una túnel VPN con el sistema superior de manera segura”, puntualiza José Luis García para terminar.

SCHNEIDER ELECTRIC

Actualmente, Schneider Electric dispone de dos clases de soluciones de este tipo. Por un lado, la gama STB que cuenta con islas de E/S IP20 modulares, escalables y flexibles comunicables en distintos protocolos industriales, integrables vía standard DTM con el software de programación Control Expert, tiempo de refresco de las E/S configurable, posibilidad de conectar más de 128 islas distribuidas; los módulos STB pueden ser de hasta 8 canales (analógicas) o hasta 16 canales (digitales). Por otro, la compañía cuenta con la gama x80 de características mejoradas. “Podríamos llamarla gama alta de este producto, como: islas de E/S comunicadas con protocolo determinista en una arquitectura en lazo (Daisy Chain) donde se garantiza el tiempo real de recuperación del lazo, se configura e integra automáticamente con el software Control Expert (se ve como un bus de expansión), sincronización y refresco automático con todas las tareas del PLC, gestión automática en sistemas HSBY, máximo 31 islas”, afirma Rafael García, Markteting&Business Development Manager Industry Iberian Zone de Schneider Electric. Y añade: “Debe tenerse en cuenta que los módulos x80 de analógicas (hasta 16 canales) y digitales (hasta 64 canales) se pueden usar exactamente igual en la arquitectura centralizada que en la distribuida y permite cambio de módulos en caliente”. Además, “nuestra solución STB, al disponer de varios comunicadores de E/S con distintos protocolos industriales – Modbus TCP, Profibus DP, Ethernet/IP, DeviceNet, Interbus, CANOpen,… –, puede integrar las E/S en las arquitecturas de automatización de los principales fabricantes industriales, siendo así totalmente compatibles con los equipos más comunes. Mientras que la de gama x80, al comunicarse vía un protocolo propietario (basado en Ethernet/IP), solo puede ser integrada en una arquitectura de automatización gestionada por nuestro PLC Schneider Electric de alta disponibilidad y rendimiento Modicon M580”.

El uso de E/S distribuidas reduce las dimensiones de los cuadros de control y el número de cables, es más sencillo y rápido añadir, quitar o modificar módulos a las islas existentes y facilita el diagnóstico a distancia de los fallos y averías

Por otra parte, García destacaría, en este caso, tres ventajas principales. En primer lugar, el uso de E/S distribuidas reduce las dimensiones de los cuadros de control y el número de cables (ya que el estado de todas las E/S distribuidas va vía un único cable de comunicaciones). En segundo lugar, Es más sencillo y rápido añadir, quitar o modificar módulos a las islas existentes y, por tanto, se reduce el tiempo de parada de la instalación en caso de intervención. Por último, facilita el diagnóstico a distancia de los fallos y averías, “una característica que hoy es más interesante que nunca”, según sus palabras. Y aunque Schneider Electric no cuente con soluciones inalámbricas propias, dispone de un “excelente partenariado” con el fabricante de conectividad y ethernet industrial HIRSCHMANN con el que puede integrar sus equipos BAT867 u OPENBAT con sus E/S distribuidas, “ofreciendo una solución completa a nuestros clientes”.

ROCKWELL AUTOMATION

Por su parte, Rockwell Automation cuenta con una extensa gama de soluciones de E/S distribuidas clasificadas en diferentes familias, en función de los requisitos de la aplicación y/o el nivel de distribución que se quiera alcanzar. Desde tarjetas de Entradas y Salidas de gran capacidad (hasta 32 canales en E/S digitales y 16 canales en E/S analógicas) a otras que permiten una gran granularidad (2-4 canales por tarjeta) o la conexión directa en campo alcanzando un grado de protección IP67. Todas las familias comunican mediante Ethernet/IP desde 100MB a 1 GB. Se pueden utilizar topologías de red de alta disponibilidad, como anillo en DLR (Device-level Ring) y ethernet redundante con PRP (Paralel Redundant Protocol), que aseguran la disponibilidad de la red de control y un tiempo de conmutación rápido que no afecta al control de las E/S incluso para aplicaciones con control de posición y/o seguridad. Todas las familias disponen de módulos de comunicación ethernet/IP, con doble puerto para topologías de red en Daisy-chain y diferentes opciones para utilización de cable o Fibra óptica directamente.

“La familia ArmorBlock permite la instalación directa en campo, ya que son módulos IP67, reduciendo el cableado y el espacio ocupado y cuentan con conectores rápidos que permiten topologías tipo Daisy-chain. Se disponen de módulos analógicos, digitales, especiales, y de seguridad de máquina y IO Link”, explica Luis Navarra Lafuente, Consultor de Soluciones para la Industria de Proceso en Rockwell Automation, mientras que la familia Point IO “permite la mayor distribución de señales, con tarjetas de baja densidad de canales, en un diseño compacto y de fácil instalación admiten el reemplazo de módulos en caliente. Se disponen de módulos digitales, analógicos, Hart, especiales, de seguridad de máquina e IO Link. La mayoría de las familias disponen de opciones de conformal coating y rango de temperatura extendido, de forma opcional o de serie, para trabajar en condiciones ambientales extremas”.

“Las principales ventajas de este tipo de soluciones son la fiabilidad de los módulos y la integración en el sistema de control”

Por su parte, Compact5000 es la opción para el control de máquinas discretas de alto rendimiento. Admite comunicaciones EtherNet/IP hasta 1GB y dispone de un amplio rango de IO digitales, analógicas y de seguridad; y la familia Dynamics permite integrar la protección de máquinas con Condition Monitoring para el mantenimiento preventivo y análisis de vibraciones. “Las familias 1719 y 1718 para aplicaciones que requieren seguridad intrínseca se conectan en EtherNet/IP con doble puerto para configuraciones de alta disponibilidad y pueden instalarse en Zona 2, la familia 1719, y en Zona 1 la familia 1718. Ambas cuentan con diferentes tipos de módulos con seguridad intrínseca y diagnósticos avanzados, adición en línea etc.”, continúa Navarra Lafuente para pasar a describir a la familia 1715, que ofrece E/S redundantes y de seguridad certificadas SIL2 con diagnósticos avanzados, reemplazo en caliente y adición de módulo en línea. Por último dos familias más: la familia Flex5000 para aplicaciones de proceso con alto rendimiento y la familia 1756 de ControlLogix para soluciones de I/O centralizadas o distribuidas “basadas en chasis con módulos de alta densidad y diagnósticos avanzados y múltiples opciones de E/S tanto standard como de seguridad, así como diferentes topologías de red en anillo, PRP, con módulos de comunicaciones redundantes. Se disponen también de sistemas de Pre-cableados para facilitar la conexión de los dispositivos”.

Según explica el consultor, “el porfolio de E/S de Rockwell Automation está diseñado para dar el máximo rendimiento con los controladores de la familia Logix. No obstante, todas las familias de E/S se basan en el protocolo CIP (Common Industrial Protocol), desarrollado por la ODVA, que funciona sobre EtherNet/IP, ControlNet y DeviceNet. Al tratarse de un protocolo estándar y abierto, las E/S pueden ser utilizadas por cualquier controlador o PLC que utilice una de estas redes de comunicación mediante un adaptador con suficiente capacidad y recursos para controlar las E/S remotas”. Y, centrándose ya en las ventajas, las principales son “la fiabilidad de los módulos y la integración en el sistema de control”. Así, el alto nivel de integración de los módulos en el sistema de control facilita su configuración y permite reducir considerablemente el tiempo de puesta en marcha de la periferia, facilitando después la operativa y mantenimiento del sistema.

Cada módulo cuenta con un perfil de configuración donde se presenta toda la información y los parámetros a configurar de manera contextualizada, de esta manera la puesta en funcionamiento de los módulos se realiza de forma muy intuitiva y rápida. Una vez configurado, se crea un tag con toda la información clasificada e identificable para poder desarrollar la aplicación, facilitando el acceso al detalle de la información que genera el módulo. Además, se ha añadido una funcionalidad adicional a los controladores Logix que permiten el acceso directo a los diagnósticos de los dispositivos de campo. “Esto quiere decir que los diagnósticos que generan los módulos de E/S como pueden ser pérdida de comunicaciones, diagnósticos de rotura de hilo, cortocircuito, etc. y también información avanzada como diferentes errores en la configuración, etc. son automáticamente detectados por el controlador sin requerir ningún tipo de programación, y enviados como eventos de diagnóstico al sistema de supervisión, para su registro e historización con el resto de alarmas y eventos del sistema”, considera Navarra Lafuente. Y añade: “Estos diagnósticos automáticos de dispositivos conectan también directamente con sistemas de analítica de dispositivos, como “FactoryTalk Analytics for devices” que detecta, monitoriza y almacena los diagnósticos de los módulos de IO, y dispositivos de campo basados en EtherNet/IP, identificando patrones y proporcionando acciones correctoras al usuario. De esta manera, las E/S de Rockwell Automation facilitan las operaciones durante todo el ciclo de vida de la instalación, desde las fases de puesta en funcionamiento a las fases de operación y mantenimiento del sistema de control”.

Finalmente, y para la conexión mediante redes inalámbricas, Rockwell Automation no dispone de cabeceras o módulos de comunicación Wireless directos. “Habitualmente, las aplicaciones Wireless se solucionan utilizando módulos o cabeceras de comunicaciones Ethernet convencionales, conectados a puntos de acceso Wireless en el armario eléctrico o conectados a segmentos de red que disponen de un punto de acceso Wireless, permitiendo así la comunicación Wireless entre diferentes áreas o entre diferentes remotas”, concluyen desde la compañía.