Fundamentals of industrial communications in automation
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Fundamentals of industrial communications in automation - Jorge Gómez Rojas
Catalogación en la publicación – Biblioteca Nacional de Colombia
Gómez Rojas, Jorge, autor
Fundamentals of industrial communications in automation / Jorge Gómez Rojas, Francisco Ernesto Moreno García, Byron Medina Delgado. -- Primera edición -- Santa Marta : Editorial Unimagdalena, 2022.
1 recurso en línea : archivo de texto: PDF -- (Ingeniería y Tecnología. Ingeniería Electrónica)
Incluye datos curriculares de los autores -- Incluye referencias bibliográficas -- Requerimientos de sistema: Adobe Acrobat Reader
ISBN 978-958-746-548-8 (pdf) -- 978-958-746-549-5 (e-pub)
1. Sistemas de transmisión de datos 2. Comunicación en los negocios 3. Automatización I. Moreno García, Francisco Ernesto, autor II. Medina Delgado, Byron, autor
CDD: 621.3981 ed. 23
CO-BoBN - a1096835
Primera edición, agosto de 2022
2022 © Universidad del Magdalena. Derechos Reservados.
Editorial Unimagdalena
Carrera 32 n.o 22-08
Edificio de Innovación y Emprendimiento
(57 - 605) 4381000 Ext. 1888
Santa Marta D.T.C.H. - Colombia
editorial@unimagdalena.edu.co
https://editorial.unimagdalena.edu.co/
Colección Ingeniería y Tecnología, serie: Ingeniería Electrónica
Rector: Pablo Vera Salazar
Vicerrector de Investigación: Jorge Enrique Elías-Caro
Coordinador de Publicaciones y Fomento Editorial: Jorge Mario Ortega Iglesias
Diseño de Editorial: Luis Felipe Márquez Lora
Diagramación: Eduard Hernández Rodríguez
Diseño de portada: Andrés Felipe Moreno Toro
Ilustración de portada: Betty Santamaría Charris (2021)
Corrección de estilo: Nathalie Barrientos Preciado
Santa Marta, Colombia, 2022
ISBN: 978-958-746-548-8 (pdf)
ISBN: 978-958-746-549-5 (epub)
DOI: 10.21676/9789587465488
Impreso y hecho en Colombia - Printed and made in Colombia
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Las opiniones expresadas en esta obra son responsabilidad de los autores y no compromete al pensamiento institucional de la Universidad del Magdalena, ni genera responsabilidad frente a terceros.
Table of Contents
Foreword
Valoratives
Transversal (Cognitive, Interdisciplinary and Investigative)
Chapter 1: Introduction to automation
Introduction
Redo and Reset!
The analysis of unit operations in order to automate
Basic principles of industrial automation
Individual automation
Centralized automation
Distributed automation
Continuous processes
Batch processes
Individual process
Elements of automation
Action / Sensing (sensor) Level
Supervision level (Plant Level)
Management level (Factory level)
Chapter 2: Basics Concepts of Industrial Communications
Data Transfer in Industrial Environments
Types of signals
Physical medium
Number of channels
The OSI model
Data Communication
Time and Transmission
Protocols or Field Buses
Typical terminology and material found on a fieldbus
Hierarchical structure of industrial communications
Chapter 3: Main Field Protocol Technical Characteristics
I2C communication protocol
Examples of components and/or equipment that use the I2C Bus
SPI communication protocol
Examples of components and/or equipment that use SPI Bus
Hart communication protocol
The Hart protocol in the OSI model
The Hart signal
Transmission Mode and Format via Hart protocol
The evolution of the Hart protocol
Examples of components and/or equipment that use the Bus Hart
ASI Communication protocol - SERIPLEX
Example of component and/or equipment used by the AS-i Bus
Example of component and/or equipment used by the Seriplex Bus
CAN-Bus communication protocol
Example of component and/or equipment used by the CAN Bus
Modbus communication protocol
Physical medium
Access to the Medium
Protocol
The Request
The Response
Modbus Addressing
Function codes
Example 3.1 Implementation of a modbus communications network.
Profibus communication protocol
Rockwell communication protocols
Devicenet
Controlnet
Ethernet
Chapter 4: Scada system and principles to enter supervision
The Scada System
Facility Remote Control
Information processing
Presentation of Dynamic Graphics
Generating Reports
Presentation of Alarms
Storage of Historical Information
Presentation of Trend Graphs
Event Programming
Introduction to OPC Server
Bibliographic references
Appendices
Practical exercise No. 1
RS232 Supported Serial Communication Development Instructions
Objectives
References
Introduction
Transmission speed (baud rate)
Data bits
Stop bits
Parity
RS-232
Microcontroller programming to transmit to the PC
Practical exercise No. 2
Serial Digital Data Transmission Through FSK Modulation Instructions
Objectives
References
General Description
Transmitter prototype development- FSK receiver
The digital sequence to be transmitted
Implementation
Bit clock generator
Scroll log and frame generation
XR-2206 modulator
Channel adaptation
Communication channel
XR-2211 Demodulator
Practical Exercise No. 3
Development of an I2C Communication with Labview for Analog Channel Reading
Instructions
Objectives
Introduction
Development of the Communication Protocol
USB Connector
Interface Between LabVIEW® and the I2C Communication Protocol
Practical Exercise No. 4
Serial Communication between a Mega Arduino - Pc For Type K Thermocoupler Reading Via SPI
Instructions
Objectives
References
SPI Serial Communication
USB Serial Communication
MAX6675 Module
Arduino Mega
Process
Final Considerations
Practical exercise No. 5
Development and Implementation of an Spi-Can Communication Instructions
Objective
References
Necessary Elements
Introduction
Theoretical Foundation
CAN communication
Practical Development
Arduino One Programming (set of 2)
Communication Conversion (SPI/CAN and CAN/SPI)
3.3 Schematic diagram to assemble
Recommendations
Practical Exercise No. 6
Communication between a CLICK Koyo PLC and a ModBus Board RTU Via RS485 Relay
Instructions
Objectives
Specific objectives
References
Introduction
Theoretical Framework
Modbus
PLC
RELAY MODBUS BOARD RTU
Procedure for a Modbus Network Implementation
Relay Module Preparation
Slave Configuration and Programming (CLICK Koyo PLC)
Practical Exercise No. 7
Communication between an HMI 5056N Screen and a CLICK Koyo Via Modbus PLC
Instructions
Objective
Specific objectives
References
Introduction
Theoretical Framework
Modbus
PLC
HMI screen
Procedure for the Implementation of a Modbus Network
Slave programming (plc click koyo)
Code Description
Master configuration and programming (hmi 5056n).
Gauge and Display indicator
Meter Display Configuration
Numeric Display Settings
Indicator and virtual potentiometer
Practical Exercise No. 8
Communication between ATV71 Variator and TWIDO PLC Via Modbus, Using Macro Drive.
Instructions
Objectives
References
Modbus Protocol
Exercise. Implementation of a modbus network
Master configuration (twido)
Open Twido Suite software
Configure components ports
Configure macro drive
Select the Modbus-Port 1 network channel and the address in the network
Program: go to edit program
Animation of tables
Configure atv71 speed drive parameters
Authors
To my family, especially to Nelcy who is my life’s engine
"My God, I thank you for giving me life. To my loving wife Sandra and my kids Mariangel and Juan Francisco, for being the joyfulness engines of/in my life and blessings that God has given me.
To my parents Elizabeth and Ernesto as well as my sister Flor for being an important part of my life. Amen"
To my wife Oriana Alexandra and to our children, Oriana and Byron
This book represents an important piece of supporting material that will be providing guidance on the Data transmission in Industrial Automation subject. Additionally, the importance and commitment in the deepen study of more specialized issues in automation is highlighted.
On the other hand, the generation and transfer of knowledge through a textbook without the slightest profit is very satisfactory, simply put, from a personal and professional standpoint it represents something valuable that allows us to see the great things of engineering within the reach of the academic community.
Foreword
Globalization has been consequential in the considerable increase in industrial competition. This increase in the search for market leadership has caused in the industry the need to automate their processes, so that competitive advantages can be offered.
The use of automated systems demands the additional training of qualified professionals in this specific area with the necessary knowledge to face the day-to-day operational difficulties and adversities as well as also providing reliable solutions to such situations by using versatile technological tools in their implementation.
In the academic area, the teaching on how to use such technological tools, PLC (programmable logic controllers) for example, has been done along with pedagogical evolved methods taking into consideration the need to acquire knowledge followed up with hands on practice that support said applications.
Contrary to the idea of extending the range of topics to be taught, this academic material, designed as support material for low-income students, is strictly oriented for knowledge consolidation and adaptation, within subjects such as Industrial Communications, PLC, Industrial Automation and Supervision, through these applications within this extensive area of electronic engineering and electromechanical engineering.
This textbook helps the development of the following competences:
Valoratives
•Analysis and conceptualization of the different subjects to work.
•Development of the ability to synthesize and implement the systems involved.
•Valuation of practical work to face and troubleshoot in an engineering environment
Transversal (Cognitive, Interdisciplinary and Investigative)
•Cognitive: Logical reasoning ability in order to analyze, determine, and synthesize solutions.
•Communicative: Studies development such as research and/or consulting.
•Interdisciplinary: Encourage collaborative work with people from different disciplines
•Investigative: Promote the development of technological and/or scientific research.
Chapter 1: Introduction to automation
Introduction
Nowadays society is on a constant relationship with autonomous systems, which were which were developed to ease the tasks in the industrial sector as well as in our homes. The Coexistence with automation is a priority and we hardly notice it:
•At the work site, for example the machinery in the production and assembly lines of any factory being it a robot that does heavy work or receives raw material for further processing or even a system in charge of quality control, control of any variable either for its drive or adjustment within any unit operation.
What is a unit operation?
A unit operation is a total and harmonic set of an industrial transformation process where physical energy of a component is exchanged or a raw material in another different product than initially processed.
Redo and Reset!
•In a home, several tasks can be done using a remote control several such as a garage door opening or closing, burglar alarms, and so on.
One can say that our lives are surrounded by automation. Our body is a complex machine composed of self-controlled subsystems: vision, digestion, breathing, movement, etc. Which, in comparison, our body has a very close resemblance to an automatic system in general: sensors, comparison and control. Even in the basic example of taking an object with a hand, we use vision (sensors) to locate the object, the information is processed by our brain (controller), which then gives an order to execute some action through our hands (actuators). There are other subsystems that are interacting with each other with additional information to the controller, for example weight, shape, among others. In any event, they will support the most accurate and faster-controlled actions.
The analysis of unit operations in order to automate
Consider any system, such as the one in the following figure: