Características Estáticas y Dinámicas de los Sensores

Los sensores son componentes fundamentales en la electrónica y la automatización, y su rendimiento se describe a través de sus características estáticas y dinámicas. Comprender estas propiedades es crucial para seleccionar el sensor adecuado para cada aplicación.

Características Estáticas

Describen el comportamiento del sensor en régimen permanente, es decir, con cambios muy lentos de la variable a medir.

Campo de Medida

Rango de valores de la magnitud de entrada comprendido entre un máximo y un mínimo detectables por un sensor.

Resolución

Mínima diferencia entre dos valores próximos que el sensor es capaz de distinguir.

Precisión

Máxima desviación entre la salida del sensor y el valor teórico que corresponda.

Linealidad

Existencia de una constante de proporcionalidad única entre la señal eléctrica de salida y la señal física de entrada.

Repetibilidad

Máxima desviación entre valores de salida de medidas repetitivas.

Sensibilidad

Indica la variación de la salida por unidad de la magnitud de entrada.

Ruido

Perturbación aleatoria del sensor o del sistema de medida que produce una desviación en la salida con respecto al valor teórico.

Histéresis

A igualdad de la magnitud de entrada, la salida depende de si dicha entrada se alcanzó con cambios crecientes o decrecientes de la magnitud física medida.

Características Dinámicas

Describen el comportamiento del sensor en régimen transitorio.

Velocidad de Respuesta

Capacidad de un transductor para que la señal de salida siga sin retraso las variaciones de la señal de entrada.

Parámetros clave de la velocidad de respuesta:

• Tiempo de Retardo: Tiempo desde la aplicación de la señal de entrada hasta que la salida alcanza el 10% de su valor permanente.
• Tiempo de Subida: Tiempo desde que la salida alcanza el 10% de su valor permanente hasta que llega por primera vez al 90%.
• Tiempo de Establecimiento al 99%: Tiempo desde la aplicación de la entrada hasta que la salida alcanza el régimen permanente con un ±1%.
• Constante de Tiempo: Tiempo empleado para que la salida alcance el 63% del valor en régimen permanente.

Respuesta Frecuencial

Relación entre la sensibilidad y la frecuencia cuando la entrada es una señal senoidal.

Estabilidad y Derivas

Desviación de la salida al variar ciertos parámetros exteriores distintos de los que se pretende medir, tales como condiciones ambientales y alimentación eléctrica.

Sensores de Proximidad: Tipos, Principios de Funcionamiento y Aplicaciones

Los sensores de proximidad son dispositivos que detectan la presencia de objetos cercanos sin necesidad de contacto físico. Se clasifican principalmente según el tipo de captador:

• Detectores inductivos
• Detectores capacitivos
• Detectores ópticos
• Detectores ultrasónicos

Detectores Inductivos

Sirven para detectar la proximidad de piezas metálicas en un rango de distancia que va desde 1 mm a 30 mm. Están formados por una bobina concéntrica conectada a un circuito oscilador L-C, donde la bobina constituye la cara sensible. Frente a un objeto metálico, la oscilación disminuye y conmuta la salida. Su campo de aplicación más importante es como interruptor de final de carrera.

Características:

• Ausencia de contacto con el objeto.
• Robustez mecánica.

Detectores Capacitivos

Detectan materiales metálicos y no metálicos, en un rango de 3 mm a 20 mm. Su funcionamiento se basa en un oscilador L-C, cuyo condensador constituye la cara sensible. Cuando detecta un objeto, la capacidad aumenta, conmutando la salida.

Aplicaciones:

• Detección de líquidos conductores o no conductores.
• Detección de objetos metálicos.
• Detección de sustancias en polvo o grano.

Características:

• Ausencia de contacto con el objeto.
• Robustez mecánica.
• Resistencia ante ambientes agresivos.
• Resistencia a altas temperaturas.
• Bajo coste.
• Su sensibilidad se ve afectada por el tipo de material a detectar y el grado de humedad ambiental.

Detectores Ópticos

Detectan todo tipo de objetos en un rango de 1 mm a 5 metros en modo reflexión (cabezal con emisor de luz y fotocélula de detección) y hasta 500 metros en modo barrera (fuentes luminosas independientes del cabezal a detectar).

Principio de Funcionamiento:

• Emisor: Diodo electroluminiscente (LED) que emite un haz de luz visible o invisible (según longitud de onda).
• Receptor: Fototransistor que recibe el haz, conmutando la salida según el sistema.

Pueden ser de varios tipos:

• Barrera: De largo alcance, precisos y fiables.
• Réflex: Fáciles de instalar.
• Réflex Polarizado: Detección de objetos brillantes.
• Proximidad: Detección desde un solo lado.

Características:

• Ausencia de contacto con el objeto.
• Detección de objetos pequeños y muy pequeños.
• Detección de móviles a gran velocidad.
• Gran alcance (según modelo y sistema).
• No influyen los campos electromagnéticos.

Detectores Ultrasónicos

Detectan materiales líquidos, en polvo o sólidos. Detectan con facilidad objetos transparentes, como cristal o plástico. Su funcionamiento está basado en la emisión-recepción de ondas ultrasónicas, determinando el tiempo entre la emisión de una señal y la recepción del eco. Cuando el objeto interrumpe el haz, el nivel de recepción varía, conmutando la salida.

Aplicaciones:

• Control de niveles en tanques y depósitos.
• Medida de distancias.
• Detección de objetos transparentes.
• No utilizables en ambientes con circulación violenta de aire o elevada contaminación acústica.

Sensores de Posición: Tipos, Principios de Funcionamiento y Aplicaciones

Los sensores de posición son cruciales para determinar la ubicación o el desplazamiento de un objeto. Podemos distinguir dos tipos principales:

• Absolutos: Indican la posición respecto a un origen fijo.
• Incrementales: Detectan desplazamientos y determinan la posición final por acumulación de estos respecto al origen.

Medidores de Posición Tipo Potenciómetros

El potenciómetro es un transductor de posición angular de tipo absoluto con salida analógica. El movimiento del eje arrastra un cursor, provocando un cambio en la resistencia eléctrica entre este y cualquiera de los extremos.

Medidores de Posición Tipo Encoders

Los encoders están formados por un rotor con uno o varios grupos de bandas opacas y translúcidas alternadas, y por una serie de captadores ópticos alojados en el estator que detectan la presencia o ausencia de banda opaca.

Encoders Incrementales

Dan un número determinado de impulsos por vuelta, requiriendo un contador para determinar la posición a partir de un origen de referencia. Poseen una única banda de marcas transparentes/opacas, separadas una distancia fija llamada paso “p”. El estator dispone de dos emisores-receptores ópticos decalados un número entero de pasos más ¼ de paso. Al girar el rotor, cada par óptico genera una onda cuadrada, desfasadas ¼ de paso cuando gira en un sentido, y desfasadas ¾ de paso cuando gira en sentido contrario, discriminándose así el sentido de giro.

Encoders Absolutos

Disponen de varias bandas en el rotor ordenadas según un código binario. Los captadores ópticos captan un código digital completo de la posición absoluta del rotor. Estas bandas están dispuestas en forma de coronas circulares concéntricas, de modo que en sentido radial el rotor queda dividido en una serie de sectores, con combinaciones de opacos/transparentes que siguen el código binario de Gray. El estator dispone de un captador óptico por cada sector, dispuestos en forma radial. El código Gray tiene la ventaja de que en cada cambio de posición solo permuta un bit.

Sensores de Pequeños Desplazamientos: Tipos, Principios de Funcionamiento y Aplicaciones

Estos sensores se utilizan para la medición de pequeños desplazamientos, deformaciones, rugosidad y planitud de superficies, entre otros. También se emplean unidos a sólidos deformables como transductores indirectos de esfuerzos (fuerza y par).

Tipos de Medidores de Pequeños Desplazamientos:

• Transformadores diferenciales
• Galgas extensiométricas
  • Galgas de hilo
  • Galgas de semiconductor
• Transductores piezoeléctricos
  • Medición de la carga de polarización
  • Medición de la frecuencia de oscilación

Transformadores Diferenciales

Disponen de un primario y de dos secundarios idénticos acoplados magnéticamente mediante un núcleo móvil. El núcleo se hace solidario al palpador o vástago que detecta el movimiento. En reposo, el núcleo está centrado entre los dos secundarios, descentrándose al desplazarlo. Los dos secundarios se conectan en oposición, de forma que en la posición de reposo las tensiones de ambos secundarios, que son iguales y desfasadas 180°, se anulan. Cuando el núcleo se desplaza, las tensiones dejan de ser iguales, cambiando también el desfase, dejando de ser 0 la resultante. El módulo y argumento de la tensión secundaria varían en función del desplazamiento.

Galgas Extensiométricas

Basan su funcionamiento en la variación de la resistencia de un hilo conductor calibrado o resistencias construidas a base de pistas semiconductoras. Se utilizan combinadas con muelles o piezas deformables para medir esfuerzos mecánicos. En reposo, el núcleo está centrado entre los dos secundarios, descentrándose al desplazarlo.

Transductores Piezoeléctricos

La piezoelectricidad es un fenómeno que ocurre en determinados cristales (cuarzo, turmalina, etc.) que, al ser sometidos a tensiones mecánicas, adquieren una polarización eléctrica en su masa y aparecen una diferencia de potencial y carga eléctrica en su superficie. Esta propiedad se aprovecha para obtener sensores de deformación, o indirectamente de fuerza, par o presión. El efecto se puede medir de dos formas:

• Carga de polarización: Mediante un circuito eléctrico que proporcione una señal en función de la carga eléctrica.
• Frecuencia de oscilación: Colocando el elemento en un circuito con realimentación positiva. La capacidad y, por lo tanto, la frecuencia de resonancia varían cuando el cristal se deforma.

Sensores de Fuerza y Par: Tipos, Principios de Funcionamiento y Aplicaciones

La fuerza y el par se miden siempre indirectamente a través de sensores de pequeños desplazamientos, como los vistos anteriormente. Estos sensores se colocan sobre piezas elásticas diseñadas de forma que se obtiene una deformación proporcional al par o fuerza que se desea medir.

Sensores de Velocidad y Aceleración: Tipos, Principios de Funcionamiento y Aplicaciones

Estos sensores se utilizan en sistemas que requieren un control preciso de su dinámica. Se dividen en dos grupos principales:

• Analógicos: Basados en dinamos tacométricas.

  Dinamo Tacométrica

  Un generador de corriente continua (CC) con excitación de imanes permanentes. La tensión generada depende de la velocidad.

• Digitales: Basados en la detección de frecuencia de generadores de pulsos.

  Generadores de Impulsos

  Basados en la detección de frecuencia de generadores de impulsos a base de captadores ópticos o inductivos.

Transductores de Aceleración (Acelerómetros)

La aceleración puede obtenerse indirectamente como la variación de la velocidad en el tiempo. Sin embargo, existen transductores directos basados en la medición de la fuerza de inercia de una masa conocida. El desplazamiento de esta masa es leído por un sensor de desplazamiento tipo transformador diferencial, piezoeléctrico o galga extensiométrica.

Sensores de Temperatura: Tipos, Principios de Funcionamiento y Aplicaciones

Los sensores de temperatura son dispositivos empleados para medir la temperatura. Según su principio de funcionamiento, podemos distinguir tres grandes grupos:

Termostatos (Tipo “Todo o Nada” – TON)

Son interruptores que conmutan a un cierto valor de temperatura, generalmente con una histéresis definida. Conmutan los contactos asociados al llegar a la temperatura de ajuste. Pueden ser:

• Bimetálicos: Conmutan por la diferencia de dilatación de dos metales.
• De Mercurio: Basados en la dilatación de líquidos.
• Sensor Analógico/Digital: Con comparador de histéresis.

Termorresistencias

Sensores pasivos de tipo analógico basados en el cambio de resistividad eléctrica con la temperatura de algunos metales o semiconductores.

• Termorresistencias PT100

  Sensor de temperatura consistente en un alambre de platino que a 0°C tiene 100 ohmios de resistencia y que, al aumentar la temperatura, aumenta su resistencia eléctrica.

• Termorresistencias PTC y NTC

  • PTC (Positive Temperature Coefficient): Fabricadas a base de óxidos de bario y titanio. Son poco lineales.
  • NTC (Negative Temperature Coefficient): Fabricadas a base de óxidos de hierro, cromo, cobalto, manganeso y níquel.

Pirómetros de Radiación

Sensores analógicos utilizados para altas temperaturas, basados en la radiación térmica emitida por los cuerpos calientes. Miden la radiación que emite un cuerpo caliente. Todos los cuerpos producen radiación térmica, aunque esta solo es visible para temperaturas por encima de 500 °C. Conocida la geometría del cuerpo, se puede conocer su temperatura midiendo la potencia radiada.

• La potencia emitida por los cuerpos reales es menor que la del cuerpo negro. Se relaciona mediante el coeficiente ε (emissivity).
• Hay dos tipos de pirómetros: de banda ancha o radiación total, y de banda estrecha o brillo.

Sensores de Presión: Tipos, Principios de Funcionamiento y Aplicaciones

Los sensores de presión basan su funcionamiento en la deformación de un elemento elástico, detectada por un transductor de pequeñas deformaciones, y en la conversión de estas a una señal eléctrica proporcional a la presión. Los más frecuentes son los de diafragmas o membrana.

Sensores de Caudal: Tipos, Principios de Funcionamiento y Aplicaciones

Los transductores de caudal se basan en distintos principios de la mecánica de fluidos para convertir el caudal medido en una magnitud eléctrica proporcional.

Medidores por Efecto Venturi

Miden la diferencia de presión en dos puntos de una misma tubería, con distintas secciones calibradas, lo que permite determinar el caudal en base a relaciones preestablecidas.

Medidores por Presión Dinámica

Se basan en el desplazamiento de un pistón o flotador sometido a la presión dinámica de la corriente de fluidos. La medición del desplazamiento del pistón permite determinar la presión dinámica, y a partir de esta, se calcula la velocidad y el caudal.

Medidores por Inducción

Se emplean en líquidos conductores y se basan en la Ley de Faraday. En el flujo del líquido se produce una fuerza electromotriz proporcional a la longitud del conductor, a su velocidad de desplazamiento y a la inducción del campo magnético.

Medidores de Presión Volumétricos

Se emplean para medir el caudal de gases, utilizando sistemas que mantienen presión y temperaturas constantes, como el de disco oscilante o el de lóbulos.

Sensores de Nivel: Tipos, Principios de Funcionamiento y Aplicaciones

Los sensores de nivel se utilizan para conocer el estado de llenado de depósitos de líquidos o sólidos en forma de grano. Hay dos métodos principales de detección de niveles:

Detección de Niveles de Referencia (Sensores “Todo o Nada” – TON)

Estos transductores se emplean en depósitos donde se requieren niveles fijos de referencia. Para líquidos, es frecuente usar flotadores con contacto de mercurio, o si el líquido es conductor, dos electrodos sumergidos. Para sólidos o líquidos no conductores, suelen emplearse detectores capacitivos o fotoeléctricos.

Detección de Nivel Analógico

Este método permite obtener una señal proporcional al nivel. Una de las formas de obtener una indicación analógica de nivel de líquidos consiste en medir la presión sobre el fondo del depósito que lo contiene. La diferencia de presiones entre el fondo y la superficie (Pf-Ps) es directamente proporcional al nivel respecto a dicho fondo y al peso específico del líquido.

Transductores por Flotador

Emplean un flotador solidario a un sistema de palancas y unido a un sensor de desplazamientos.

Contactores y Relés: Tipos, Principios de Funcionamiento y Aplicaciones

Relés y Contactores

Son equipos electromecánicos de conexión, controlados mediante electroimán y con funcionamiento de tipo “todo o nada”. La diferencia principal entre un relé y un contactor radica en la potencia que cada uno es capaz de conmutar. Los contactores accionan grandes potencias (motores y equipos >1 kW), mientras que los relés se utilizan como elementos auxiliares para accionar contactores u otros elementos de potencia, así como para realizar funciones lógicas sencillas.

Características Relevantes de Relés y Contactores:

Tensión de Mando

Tensión de alimentación de la bobina de mando.

Potencia de Mando

Potencia necesaria para accionar la bobina de mando.

Tensión de Aislamiento (Ui)

Tensión de prueba entre circuitos de mando y contacto.

Tensión de Empleo (Ue)

Tensión de trabajo de los contactos de potencia.

Corriente Térmica (Ith)

Corriente máxima que pueden soportar los contactos una vez cerrados sin sobrepasar los límites de calentamiento. No debe confundirse con la corriente de empleo.

Corriente de Empleo (Ie)

Es la corriente que el dispositivo es capaz de accionar o interrumpir para cada tensión de empleo y con cargas resistivas.

Poder de Corte

Se define por la corriente que el relé es capaz de accionar e interrumpir para cada tipo de carga y para un número de maniobras determinado.

Actuadores Neumáticos e Hidráulicos: Tipos, Principios de Funcionamiento y Aplicaciones

Válvulas de Control

Las válvulas de control permiten establecer la conexión neumática o hidráulica de los elementos. Se componen de dos partes principales:

• Elemento de Mando: Puede ser eléctrico (a, b), manual (c, d) o por fluido (e, f). Permite la conmutación. Existen dos tipos: monoestables y biestables. Se encarga de conmutar la conexión hidráulica o neumática entre los conductos del circuito de potencia.
• Circuito de Potencia: Se define por el número de posiciones y el número de vías. Las válvulas suelen clasificarse atendiendo al número de posiciones distintas que permite el circuito de mando y al número de vías de entrada y/o de salida del circuito de potencia en cada posición.

Cilindros

Los cilindros son accionamientos que permiten obtener un movimiento lineal aplicando una presión a un lado u otro del émbolo.

• Cilindros de Simple Efecto

  Permiten el accionamiento en un solo sentido y retornan automáticamente al origen por la acción de un muelle. Su mando se realiza con válvulas de tres vías.

• Cilindros de Doble Efecto

  Permiten el accionamiento en ambos sentidos mediante potencia neumática o hidráulica. Su mando se realiza con válvulas de cuatro vías.

Ventajas e Inconvenientes de las Comunicaciones Industriales

El uso de las comunicaciones industriales en los sistemas de automatización ofrece numerosas ventajas:

Ventajas:

• Ahorro de costes.
• Minimización del cableado.
• Facilidad de instalación.
• Reducción del tiempo de mantenimiento.
• Simplificación de la arquitectura.
• Posibilidad de añadir o quitar elementos en operación.
• Ingeniería a distancia.
• Puesta en servicio más sencilla.
• Interfaces normalizadas.

Sin embargo, es importante considerar los siguientes inconvenientes:

Inconvenientes:

• Son más complejos.
• Necesidad de personal más cualificado.
• Coste de la inversión inicial.
• Equipos de mantenimiento más sofisticados.
• Tiempos de respuesta ligeramente superiores.
• Gran número de estándares incompatibles entre sí (incertidumbre sobre qué estándar prevalecerá).
• Pueden llegar a ser obsoletos con el tiempo.

Conceptos Fundamentales de Comunicación Industrial

Para comprender las comunicaciones industriales, es esencial establecer un vocabulario básico:

Información Digital

Información de diversa índole (números, textos, imágenes, voz) codificada por medio de palabras formadas por 1 y 0. La longitud de la palabra y la interpretación de su significado dependen del código empleado.

Comunicación Digital

Técnica que permite el intercambio de información digital entre dos o más sistemas, generalmente basados en microprocesadores.

Código

Regla o convenio que permite interpretar una información digital. El elemento básico de un código es el carácter, que consiste en una palabra digital de ‘n’ bits. Los códigos pueden ser numéricos o alfanuméricos. Los primeros interpretan la información digital como números, mientras que los códigos alfanuméricos permiten representar caracteres alfabéticos, numéricos y gráficos mediante palabras digitales. El código alfanumérico más conocido y empleado es el ASCII, que se basa en caracteres de 8 bits.

Datos y Control

El enlace entre dos sistemas digitales requiere, en general, intercambiar dos tipos de informaciones:

1. Datos: Información útil que se pretende intercambiar entre ambos sistemas.
2. Control: Información adicional necesaria para facilitar la comunicación y/o la interpretación de los mensajes.

Los caracteres de datos y los de control suelen utilizar el mismo código, por lo que la interpretación de una información como una u otra cosa depende esencialmente del software.

Terminal de Datos (DTE)

Equipo que dispone al menos de un canal para transmitir y/o recibir información digital.

Terminal de Comunicaciones (DCE)

Equipo previsto para transmitir y recibir información digital a distancia, por vía telefónica o vía radio. Generan una onda portadora modulada en frecuencia, comúnmente conocida como MODEM.

Modulación y Demodulación

Técnicas empleadas en comunicaciones para transmitir señales analógicas o digitales a distancia, ya sea vía radio o a través de cables o fibra óptica. La modulación consiste en tomar una señal de alta frecuencia denominada portadora y variar alguna de sus características en función de otra señal, llamada moduladora, de frecuencia más baja y que generalmente contiene la información a transmitir. La demodulación consiste en el proceso inverso. Un ejemplo es la modulación en frecuencia de señales digitales.

Línea de Comunicación

Término que se emplea para designar el medio físico de enlace entre dos terminales, sea vía radio, fibra óptica, etc.

BUS

Conjunto de conductores compartidos por dos o más sistemas digitales. La comunicación a través de los terminales conectados permitirá enviar datos en un instante determinado.

Comunicaciones Paralelo / Serie

• La comunicación paralela utiliza varias líneas de datos, otras líneas de control y una línea de cero o común, para el enlace entre dos o más sistemas digitales. Las señales esenciales suelen ser ocho líneas de datos y dos líneas de control.
• La comunicación serie suele utilizar dos o tres hilos. La información se transmite bit a bit, uno tras otro hasta completar un carácter.

Conexión Punto a Punto

Conexión en la que intervienen solo dos terminales o sistemas digitales, uno a cada extremo de la línea de comunicación.

Conexión Multipunto

Conexión de más de dos terminales o sistemas digitales a través de una misma línea o bus.

Enlace Simple

Comunicación entre dos terminales que permite solo flujo de datos en un sentido.

Enlace Half Dúplex (Semidúplex)

Comunicación entre dos terminales que permite flujo de datos en ambos sentidos, pero no simultáneamente.

Enlace Full Dúplex (Dúplex Completo)

Comunicación entre dos terminales que permite simultáneamente el flujo de datos en ambos sentidos.

Protocolo

La transmisión-recepción punto a punto o multipunto por una misma línea o bus requiere que solo uno de los terminales pueda transmitir en un instante dado y que al menos uno reciba la información. Al conjunto de reglas que permite saber en qué orden actuarán se denomina protocolo de comunicación.

Red (de Comunicación)

Conjunto de terminales que pueden intercambiar información.

LAN (Local Area Network)

Red de área local que comunica varios terminales, por lo general a corta distancia (hasta 1 km).

WAN (Wide Area Network)

Red de área amplia que comunica terminales alejados, generalmente a través de líneas telefónicas o enlaces de uso público.

Nodo o Estación

Terminal de enlace de una red, o punto de enlace de una red de rango inferior a una de rango superior.

Banda Base

Modo de transmisión en el que a través del medio de comunicación utilizado solo se transmite una señal de información en cada instante en uno o en ambos sentidos. La transmisión de información digital en banda base se puede realizar de dos formas:

• Transmisión directa en formato digital.
• Transmisión mediante la modulación de alguno de los parámetros de una señal senoidal denominada portadora. Ejemplo: FSK (“Frequency Shift Keying”), modulación de frecuencia.

Banda Ancha

Cuando la señal que soporta la información (Baseband signal) modula una señal senoidal de elevada frecuencia, se tiene un sistema de transmisión en banda ancha que se caracteriza por permitir la transmisión simultánea, a través de un único medio de transmisión, de varias señales digitales haciendo que cada una de ellas module una portadora senoidal de una frecuencia diferente (FDM, “Frequency Division Multiplexing”).

Topología de Redes Industriales

En los niveles más bajos de cualquier red de comunicación, y en particular en las LAN, es fundamental distinguir dos aspectos: el medio de enlace físico (cables, fibra óptica, enlace de radio, etc.) y el conjunto de reglas que regulan el diálogo y el tráfico de datos. Se entiende por topología de una red la disposición física de los distintos terminales que la componen y la forma en que se encuentran enlazados por el medio físico. Así pues, la topología define la configuración de la red desde el punto de vista del Nivel 1 del modelo OSI. Por estructura lógica, entendemos la que define el Nivel 2 de OSI, es decir, la estructura de enlace. Las topologías básicas en redes locales son tres: estrella, anillo y bus. Existen, sin embargo, algunas estructuras híbridas, generalmente en forma de árbol, cuyas ramificaciones parten de los nodos principales de una red con una de las estructuras básicas.

Topología en Estrella

En esta topología, existe un nodo central que sirve de punto de enlace con todos los nodos periféricos. Por el nodo central pasan todos los datos, incluso aquellos que se intercambian entre estaciones periféricas. Es frecuente, además, que la estación central esté configurada como maestra, por lo que deberá tener una potencia de procesamiento y de comunicación superior a las demás y, normalmente, centralizará las funciones de gestión, comunicación con el operador y/o otros sistemas, concentrando periféricos compartidos por el resto de la red. La principal ventaja de la configuración en estrella es la facilidad de añadir nuevos periféricos y el hecho de que una avería en un nodo periférico solo afecta al tráfico con este. No obstante, presenta varios inconvenientes: el primero y más importante es que cualquier fallo en el nodo central causa la parada total de la red. La fiabilidad del conjunto depende, pues, directamente de la estación central. La estructura lógica puede presentar también el inconveniente de mayores retardos y congestión a medida que aumenta el número de estaciones soportadas por el nodo central. Todo ello hace que actualmente sea una topología poco utilizada en grandes redes.

Topología en Anillo

En esta topología, las estaciones están conectadas en forma de un lazo cerrado. Cada estación tiene conexión con otras dos y los datos circulan en una única dirección, de forma que cada estación recoge los datos de la anterior, comprueba si es ella la destinataria, y en caso de no serlo, los retransmite a la siguiente estación. El control de la red puede ser centralizado o distribuido, pero se obtienen ventajas con un control distribuido, ya que se elimina la dependencia de una sola estación. Dado que la información circula por todas las estaciones sucesivamente, la fiabilidad y velocidad de la red quedan condicionadas por la peor de las estaciones que la forman, y la interrupción de una de las estaciones interrumpe totalmente la red. Para paliar estos problemas en redes locales y en caso de un control distribuido, se puede prever el “bypass” de la estación defectuosa, ya sea de forma manual o automática. Una red de anillo puede, en principio, crecer indefinidamente, aunque la inclusión de cada nueva estación provoca una pérdida de velocidad, debido al retraso adicional que esta introduce. Este hecho puede llegar a afectar al funcionamiento del conjunto.

Topología en Bus

En esta topología, las estaciones están unidas entre sí a través de unas líneas comunes compartidas por todos los nodos. Esta disposición física plantea un problema lógico, puesto que el bus es único y solo uno de los terminales podrá ocuparlo para transmitir. En consecuencia, el acceso al medio físico debe ser controlado por algún método lógico (MAC – Media Access Control, ver apartado 6.1.). La configuración en bus es la más utilizada en redes de autómatas y ofrece la máxima fiabilidad y flexibilidad en cuanto a añadir o eliminar nuevos terminales. En la práctica, esto puede no ser del todo cierto si la estructura lógica confiere alguna prioridad a alguna de las estaciones en el control del bus. Sin embargo, puede hacerse que todos los terminales tengan idéntica prioridad y prestaciones, con lo que este sistema adquiere la máxima flexibilidad. La capacidad del bus en cuanto al número máximo de estaciones depende del medio físico. A partir de un cierto número, será necesario incluir amplificadores que mantengan el nivel de las señales en el bus.

Nivel Físico de la Red

El medio físico de una red se compone del conjunto de elementos de hardware destinados a transmitir las señales eléctricas u ópticas entre los diversos nodos. En el contexto de las redes de comunicaciones industriales, el medio físico se divide en dos grupos:

• Medios Físicos de Unión: Pueden ser de tres tipos: cables eléctricos, fibra óptica y enlaces vía radio. Su elección depende de la frecuencia de las señales, la distancia y el número de canales a transmitir. Se distinguen dos tipos de enlace: banda base y banda ancha.
• Interfaces: Dispositivos con diversas funciones, tales como amplificación o repetidores de señal, pasarelas, concentradores o Hubs, y enrutadores o Routers.

Las señales eléctricas portadoras de información constituyen radiaciones u ondas electromagnéticas que deben propagarse a través de un medio físico que enlaza el transmisor con el receptor. Estos medios físicos se clasifican en dos tipos:

• Medios Guiados: Aquellos en los que las señales eléctricas se transmiten a través de una región del espacio perfectamente delimitada. Los más importantes son los conductores eléctricos (pares trenzados y cables coaxiales) y la fibra óptica.
• Medios No Guiados: El medio no guiado por excelencia es la atmósfera, y la transmisión realizada a través de él recibe el nombre de transmisión inalámbrica (Wireless Transmission).

El espectro de una señal de comunicación es la gama completa de frecuencias de señales senoidales que transmite el medio. La frecuencia de una señal senoidal es el número de veces que se repite la señal en la unidad de tiempo y se mide en ciclos por segundo o hercios (Hz). Se define la longitud de onda (λ) de una onda senoidal como el espacio que recorre en un tiempo igual a la duración de un período. Se obtiene mediante: λ = C / f = C ⋅ T, donde C es la velocidad de propagación de una onda electromagnética en el vacío, que es igual a 300.000 km/s.

Los principales parámetros a tener en cuenta al seleccionar un medio de transmisión son:

• La Anchura de Banda: Establece la gama de frecuencias de las señales senoidales que pueden transmitirse sin deformación o distorsión. La distorsión se produce en las señales compuestas que son suma de diferentes componentes senoidales que sufren un desfase y una atenuación.
• La Atenuación: Es la disminución que se produce en la amplitud de una señal al desplazarse a lo largo del medio. Para evitar su efecto negativo, es necesario utilizar amplificadores (repetidores) que devuelvan a la señal su amplitud original.
• La Influencia de Interferencias Electromagnéticas: Se definen como señales electromagnéticas generadas por fuentes no previstas que alteran la señal portadora de información.
• El Número de Receptores: En los medios guiados, la atenuación y la distorsión de la señal dependen del número de receptores, lo que determina la máxima distancia de transmisión y la velocidad de la misma.

Cables

Existen dos grandes grupos de cables:

• Pares de conductores trenzados.
• Cables coaxiales.

El CCITT define varios tipos de pares simétricos y coaxiales apropiados para la transmisión a diversas frecuencias. Para altas frecuencias, deben ser considerados como líneas de transmisión, con una inductancia y una capacidad distribuidas. La propagación de señales en una línea de transmisión obedece a ecuaciones de onda, en lugar de a las relaciones estudiadas en electrotecnia. La diferencia estriba en el hecho de que las longitudes de línea son mayores que la propia longitud de onda de la señal transmitida, y en los puntos de discontinuidad pueden aparecer ondas reflejadas y ondas radiadas. Para una línea de transmisión sin pérdidas, la tensión y la corriente a lo largo de toda la línea serían constantes. La corriente que circula por una línea de transmisión sin pérdidas está relacionada con la tensión aplicada por la llamada impedancia característica: Z = √(L/C).

En el caso de que existan discontinuidades en la línea de transmisión, se producirían ondas reflejadas que distorsionan la señal. Para evitarlo, se debe colocar al final de la línea y en paralelo con el par de cables una resistencia de valor igual a Z, con lo cual la línea se comporta como indefinida. También en los empalmes puede ser útil colocar alguna resistencia. En cables coaxiales, se suelen hacer unas marcas a múltiplos de la longitud de onda, de forma que los cortes y las terminaciones se deben hacer en estos puntos, con lo cual se evitan al máximo las reflexiones y la radiación.

Enlaces de Fibra Óptica

Una de las formas más eficientes de evitar las interferencias por ruido eléctrico en las comunicaciones consiste en emplear fibra óptica. Los cables de fibra óptica contienen varios conductores ópticos. Cada conductor suele tener una sección muy pequeña y estar formado por un núcleo de cuarzo o de material de plástico sintético. Los índices de refracción del núcleo suelen ser del orden de 1.5, lo cual indica que la velocidad de la luz en su interior es del orden de 200.000 km/s. Se excitan mediante diodos láser con luz en el espectro del infrarrojo. Al final de la línea se coloca otro diodo receptor que recompone las señales eléctricas.

Presentan también una atenuación que depende de la longitud de onda. Dicha atenuación es del orden de 0,2 a 0,6 dB/km. Así pues, las distancias de enlace dependen del tipo de fibra empleado y de la calidad de los conectores. Para distancias cortas, puede usarse cable de fibra óptica de tipo plástico, y para distancias largas, cable de cuarzo.

Las principales características de la fibra óptica son las siguientes:

• Atenúa muy poco las señales, lo que permite su uso en líneas de transmisión largas sin necesidad de amplificadores.
• Es flexible y tiene un tamaño reducido, lo cual facilita su instalación.
• Es muy estable frente a variaciones de las condiciones ambientales.
• Posee un elevado ancho de banda, pudiendo transmitir a alta frecuencia y una gran cantidad de información.
• Es inmune a las radiaciones electromagnéticas, por lo tanto, es especialmente idónea para ser utilizada en ambientes con elevados niveles de ruido.
• Tampoco emite radiaciones electromagnéticas.
• La distorsión de las señales es reducida.

La fibra óptica puede funcionar en monomodo o en multimodo. La fibra monomodo tiene un núcleo de diámetro reducido y minimiza la distorsión y la atenuación de las señales. La fibra multimodo posee un núcleo de diámetro superior y es más fácil de acoplar a la fuente de luz, pero presenta mayor distorsión y atenuación. Dado que los sistemas electrónicos representan la información mediante señales eléctricas, es necesario convertirlas en radiaciones ópticas mediante un diodo luminiscente conocido también como LED (Light Emitting Diode) o un diodo LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Codificación y Sincronización de Datos

Las comunicaciones vía serie se utilizan exclusivamente en las comunicaciones entre autómatas, entre estos y unidades terminales remotas, y entre autómatas y ordenadores. Los buses paralelos quedan limitados a buses internos, comunicación con periféricos locales y algunos buses de instrumentación. El mensaje serie consiste en una secuencia de unos y ceros, codificados mediante niveles de tensión por flancos o por señales moduladas en frecuencia o en fase. Se debe realizar una operación intermedia de codificación, que consiste en pasar información binaria a información entregada al medio físico para su transmisión directamente o modulada. La comunicación digital se realiza siempre entre sistemas digitales síncronos en los que la duración de los bits está fijada por un generador de impulsos o reloj de una determinada frecuencia. La transmisión de la información en serie implica que los sucesivos bits estén separados solo por la variable tiempo. Para recomponer adecuadamente la información, el sistema receptor ha de ser capaz de determinar la duración de cada bit y de detectar el momento en el que se inicia la transmisión, lo cual implica la sincronización de los instantes en los que capta la información el receptor con los establecidos por el transmisor.

Por lo tanto, esta transmisión deberá estar sincronizada a fin de que el receptor sepa cada bit y pueda extraer la información de la línea con la frecuencia adecuada, aun en el caso de que se repitan varios ceros o unos. Se deben resolver dos problemas básicos:

• Codificación de Bits.
• Sincronización en sus tres aspectos: bits, caracteres y mensaje.

Enlaces Estándar: Nivel Físico

Nos centraremos en los enlaces más frecuentes en comunicaciones industriales en su aspecto físico, es decir, número de señales y su función, y los niveles de tensión. Atendiendo al número de líneas del medio físico, podemos establecer una clasificación muy general en dos categorías:

• Enlaces que contienen líneas de datos y líneas de control, y eventualmente una línea de cero de señal. El caso más típico es el enlace RS-232.
• Enlaces XON-XOFF en los que existen solo líneas de datos y, a lo sumo, una línea de cero de señal. Los casos más típicos son RS-422 y RS-485.

Arquitectura Hardware para Sistemas de Máquinas Desatendidas

La arquitectura hardware para sistemas de máquinas desatendidas se estructura en varios niveles, cada uno con funciones específicas:

Nivel 1: Elementos de Campo y Control Local

• Elementos de Campo: Sensores y actuadores. Constituyen el nivel más bajo del sistema integrado de control. Permiten al sistema de control actuar sobre los servicios del buque (actuadores) e informan sobre el estado de la planta (sensores), posibilitando un control en lazo cerrado.
• Unidades de Interfaz E/S: Unidades de adquisición de datos, periferia descentralizada, concentradores de señal o RTU (Remote Terminal Units). Los sensores y actuadores se conectan a estas unidades de entrada/salida del sistema integrado de control. Dichas unidades se distribuyen estratégicamente a lo largo de la cámara de máquinas del buque para concentrar por zonas las señales de sensores y actuadores. Están formadas por bastidores remotos con tarjetas de entrada/salida, equipadas con procesadores de comunicaciones para comunicarse con los autómatas programables que ejecutan las tareas de control.
• Buses de Campo de Comunicaciones: Las unidades remotas de E/S, periferias descentralizadas o concentradoras de señales se comunican con los PLC de control mediante buses de campo de comunicaciones industriales. Ejemplos incluyen PROFIBUS, MODBUS o CANBus. Para el control de servicios esenciales, es recomendable implementar buses redundantes.
• Autómatas Programables (PLC o API) y Controladores: En los PLC residen los programas o software de control de los sistemas del buque. Se comunican mediante los buses de campo a través de procesadores de comunicaciones con las unidades de interfaz de E/S. Además, se conectan con las estaciones de trabajo de control del buque a través de la red LAN del sistema de control.

Nivel 2: Redes Locales y Control Centralizado

• Redes Locales de Comunicaciones (LAN): Redes de alto nivel, a menudo redundantes, que comunican los PLC con los ordenadores de control ubicados en la sala de control de máquinas, sala de control de carga y puente de gobierno. Se ha extendido el uso de redes ETHERNET.
• Ordenadores con Sistema SCADA e Impresoras en Consolas de Control: Ordenadores en los que reside el programa SCADA, que actúan como interfaz hombre-máquina. Permiten a la tripulación, a través de mímicos que representan los distintos sistemas controlados por el equipo del buque, operar de forma remota los sistemas, así como establecer las funciones de control automáticas.

Nivel 3: Sistemas de Soporte y Almacenamiento

• Sistema de Extensión de Alarmas: La clasificación de máquina desatendida exige un sistema repetidor de alarmas en la zona de acomodación de la tripulación de máquinas. Este sistema informa a los maquinistas de guardia de las alarmas que se producen en la maquinaria mientras esta está desocupada. Normalmente, este sistema está integrado en la red LAN del sistema de control.
• Unidades de Almacenamiento: Los sistemas de control del buque disponen de ordenadores dedicados al almacenamiento de los distintos eventos que se han ido produciendo en el buque.

Nivel 4: Redundancia y Control Remoto

• Ordenador con Sistema SCADA e Impresoras en Puente de Gobierno: Con el objetivo de aportar redundancia al sistema de control, en el puente de gobierno se instala una estación de trabajo con el SCADA de control del buque, que permite el control remoto de los sistemas desde el puente de gobierno. Aporta redundancia a las estaciones de control de cámara de máquinas y de la sala de control de carga.

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)

Esta técnica es apta para topologías en bus y está descrita en IEEE-802.3. Una de las redes que utiliza esta técnica es ETHERNET. Funciona de la siguiente manera: cuando una estación quiere transmitir, comprueba si el medio está ocupado, detectando la existencia de datos de señal. Si el medio está libre, la estación se dispone a transmitir los datos, tomando el control del bus hasta finalizar la transmisión. Si el medio está ocupado, la estación seguirá intentando hasta que esté libre. Si dos estaciones intentan transmitir sus datos al mismo tiempo, se les obliga a esperar a cada una un tiempo aleatorio diferente para poder iniciar la transmisión. Esta técnica permite retirar o añadir una estación sin necesidad de parar la red, pero, a diferencia de otras, no se podrá asegurar un tiempo determinado de transmisión de los datos, ya que este dependerá del nivel de ocupación de la red.