Buses de Campo

Ingeniería Eléctrica Universidad de Santiago de Chile

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE INGENIERIA ELECTRICA

Buses de Campo:

AS_ Interface, DeviceNet,

Foundation Fieldbus y Profibus

Profesor: Manuel Valenzuela Ponce


Comunicaciones Industriales “ Sistema Delta V y Buses de Campo AS Interface, Device Net, Foundation Fieldbus y Profibus”

2

Índice

Introducción ......................................................................................................................... 3

CAPITULO I........................................................................................................................ 4

Buses de Campo................................................................................................................... 4

¿Qué es un Bus de Campo?.................................................................................................. 4

CAPITULO II ...................................................................................................................... 7

Sistema Delta V.................................................................................................................... 7

¿Qué es Delta V?.................................................................................................................. 7

Buses de Campo y el Sistema Delta V............................................................................... 12

CAPITULO III ................................................................................................................... 13

Buses de Campo a nivel de Bit .......................................................................................... 13

Bus de Campo As_i............................................................................................................ 13

CAPITULO IV................................................................................................................... 26

Buses de Campo a nivel de Byte........................................................................................ 26

DeviceNet........................................................................................................................... 26

CAPITULO V .................................................................................................................... 36

Buses de Campo a nivel de Trama..................................................................................... 36

Foundation Fieldbus........................................................................................................... 36

CAPITULO VI……………………...……………………………………………………58 Profibus .............................................................................................................................. 59

CAPITULO VII ................................................................................................................. 76

Comentarios y Conclusiones.............................................................................................. 76

Referencias Bibliográficas ................................................................................................. 77



3

INTRODUCCION

El presente trabajo esta basado en un seminario realizado por la empresa INECO

CHILE, representante de Emerson Process Management en Chile. El seminario está centrado en el sistema Delta V y los buses de campo utilizados por este controlador.

El trabajo está orientado principalmente a mostrar una visión del funcionamiento de

cuatro de los principales Buses de Campo, los cuales son: AS-Interface, DeviceNet, Foundation Fieldbus y Profibus.

Los buses de campo en la actualidad son líderes en las comunicaciones industriales

debido a las caracteristicas positivas que estos poseen. La elección entre un bus u otro va a depender de la aplicación que se quiera realizar, es así como se tienen buses para los diferentes niveles de automatización de una planta.

Este trabajo es una guía de las principales caracteristicas de los buses de campo más -destacados de cada nivel y los cuales son compatibles con el sistema Delta V. El sistema Delta V de Emerson es un integrador de los distintos buses de campo más comunes del mercado.



4

CAPITULO I

Buses de Campo

¿Qué es un Bus de Campo? Un Bus de campo es un sistema de transmisión de datos (información) que simplifica enormemente la instalación y operación de máquinas y equipamientos industriales utilizados en procesos de producción. Objetivo de un Bus de Campo Sustituir las conexiones punto a punto entre los elementos de campo y el equipo de control a través del tradicional bucle de corriente de 4-20 mA. Típicamente son redes digitales, bidireccionales, multipunto, montadas sobre un bus serie, que conectan dispositivos de campo como controladores industriales, controladores de lógica programable (PLC’s), transductores, actuadores y sensores. Cuando un dispositivo de campo (sensor o actuador) incorpora cierta capacidad de proceso, que lo convierte en un dispositivo inteligente. Cada uno de estos elementos será capaz de ejecutar funciones simples de diagnóstico, control o mantenimiento, así como de comunicarse a través del bus. La misión de los buses de campo es reemplazar los sistemas de control centralizados por redes de control distribuido, con el objeto de mejorar la calidad del producto, reducir los costos y mejorar la eficacia. Para lograr esto se basa en que la información que envían y reciben los dispositivos de campo, es digital, lo que resulta mucho más preciso que si se recurre a métodos analógicos. Como cada elemento de campo es un dispositivo inteligente, cualquier nodo de la red puede informar en caso de fallo del dispositivo asociado, y en general sobre cualquier anomalía asociada al dispositivo. Esta monitorización permite aumentar la eficacia del sistema y reducir la cantidad de horas de mantenimiento necesarias. Buses de campo Existentes

Debido a la falta de estándares, diferentes compañías han desarrollado diferentes soluciones, cada una de ellas con diferentes prestaciones y campos de aplicación. Tipos de Buses de Campo Los Buses de campo pueden ser agrupados en tres niveles basados en los diferentes requerimientos de aplicación y tipo de dispositivos. Estos tres niveles son nivel de bit, nivel de byte y nivel de trama, lo que se aprecia en la siguiente figura.


Figura 1.1: Categorías de los Buses de Campo. Estas tres categorías son llamadas Sensorbus, Devicebus, Fielbus respectivamente: a.- Sensorbus: Muchos dispositivos discretos necesitan transmitir únicamente algunos bits de información al mismo tiempo, como por ejemplo: switches, botoneras, partidores de motores y otros dispositivos simples “no tan inteligentes”. Una red Sensorbus transmite mensajes a nivel de bits hacia el controlador. Existen bloques de entrada/salida (I/O) digitales que trabajan con algunos bits y que permiten a varios sensores o actuadores estar conectados en un nodo. Los buses de campo que se ubican en esta clasificación son: FIP I/O, Seriplex y As-i (Interfaz sensor – actuador), este último será abordado más adelante. b.- Devicebus: En estos buses se manejan mensajes de hasta 200 bytes dependiendo del protocolo utilizado, las redes Devicebus permiten establecer la comunicación bidireccional entre dispositivos de niveles superiores, estas redes son generalmente empleadas donde una cantidad considerable de información es requerida o se necesita diagnóstico de los dispositivos. Los buses de campo que se ubican en esta clasificación son: CAN, DeviceNet, SDS, LonWorks, Interbus, S P-Net, WorldFIP, Profibus DP & FMS, más adelante se describirán en detalle los buses DeviceNet, y Profibus DP &FMS.


5



6

c.- Fieldbus: Las redes fieldbus son diseñadas para realizar una comunicación bidireccional entre sensores y actuadores inteligentes y sistemas de control. Uno de los objetivos de las redes Fieldbus es ser el reemplazo digital para la transmisión análoga de variables de proceso de 4-20 mA, en los procesos industriales. Ejemplo de implementación de redes Fieldbus son Fundation Fieldbus H1 y Profibus PA. Debido a los diferentes requerimientos para el proceso versus instalaciones discretas, las redes Fieldbus típicas tienen baja velocidad de transmisión en comparación a las redes Devicebus y Sensorbus. Otro punto diferenciador es la adición de la capa de aplicación (capa 7 del modelo OSI). El protocolo Fieldbus Foundation y Profibus PA, serán descritos en más adelante.


CAPITULO II

Sistema Delta V ¿Qué es Delta V?

Delta V es el desarrollo más avanzado existente hoy en el marcado industrial para el control de procesos. Está fabricado con tecnologías estándares y abiertas. Delta V es más que una solución PLC/HMI y un sistema DCS tradicional: posee una base de datos única, es un sistema robusto, seguro, íntegro y escalable, con diversas estrategias de control disponibles en módulos con ensamble "drag-and-drop", fácil de usar, optimiza la inversión reduciendo el capital y costos de ingeniería, operación, entrenamiento y, mantención actual y futura. El controlador Delta V es parte de la arquitectura Plant Web la cual pertenece a la empresa Emerson. Delta V dentro de la arquitectura Plant Web provee de revolucionarios resultados en el funcionamiento de la planta, debido a que integra completamente la capacidad de “Planta Inteligente” o sea se basa en el control en los elementos de campo., utilizando buses de campo como Hart, Foundation Fieldbus, Device Net, Profibus, As-i y módulos para realizar control avanzado del proceso.

A continuación se observan dos figuras: la primera, compara la filosofía Plant Web con un sistema DCS tradicional, aquí se observara que el concepto de Plant Web se basa en la inteligencia de la planta y el control en terreno. La segunda figura muestra un red de dispositivos conectados al controlador Delta V mediante diversos protocolos de comunicación como lo son: Hart y Foundation Fieldbus H1.

Figura 2.1: Filosofía Plant Web versus DCS, se puede observar que Plant Web se basa en la inteligencia en terreno y además se observa el controlador Delta V como parte de esta filosofía.


7


Figura 2.2: Controlador Delta V, conectado a elementos de terreno mediante módulos Hart y Foundation Fieldbus H1 y al PC Workstation mediante una red Ethernet de Alta Velocidad HSE El controlador Delta V

Figura 2.3: Controlador Delta V


8



9

Las principales caracteristicas de Hardware que posee el controlador Delta V son: Instalación flexible. El controlador Delta V esta diseñado para ser instalado en cualquier sector de la planta, debido a que posee las siguientes características:

• Robusta estructura DIN para unir los módulos del controlador • Gabinete de alta densidad, resistente a ambientes extremos. • Riel DIN para montaje en terreno. • El controlador Delta V esta bajo el estándar ISA-S71.04-1985 Clase G3, para ambientes

severos, esta norma certifica que los elementos electrónicos del controlador soportan condiciones ambientales severas debido a que esta construido con elementos electrónicos del más alto nivel.

• Expansión en funcionamiento-. A diferencia de otras soluciones de automatización, componentes del sistema incluyendo controladores, entradas / salidas, dispositivos de campo y Workstation pueden ser agregadas y removidas mientras el sistema se encuentra energizado y en funcionamiento. Existe la posibilidad de ampliar o actualizar el sistema sin la necesidad de detener el proceso de la planta.

• Interfaces clásicas de campo-.El sistema Delta V soporta gran rango de señales análogas, discretas, termocuplas, y RTDs.

• Seguridad Intrínseca-. El Controlador Delta V puede ser utilizado en zonas de atmósfera explosiva donde se requiere de seguridad intrínseca

• Es escalable-.El controlador puede ser modificado o adaptado de acuerdo a lo que sea requerido por el proceso, mediante la incorporación de módulos. Componentes del Sistema Delta V El Sistema Delta V esta constituido por una serie de módulos, los que tienen diversas funcionalidades, estos módulos se van insertando dependiendo de las características que se requieren para el sistema de control de la planta. Los módulos que conforman el sistema Delta V son:

a) Fuentes de poder: Las fuentes de poder son de 120/230 Volt alternos, 24 Volt DC. b) Controladores: Es aquí donde yacen las estrategias de Control y es este el controlador

que realiza el papel de maestro en los respectivos buses de campo. Los controladores idealmente deben ser instalados en parejas, esto, para tener un sistema redundante. En un Carrier pueden haber solamente dos controladores.

c) Módulos de entradas y salidas, tanto análogas como digitales: Estos módulos se utilizan para realizar control con señales de entrada / salida discretas, como también señales análogas tradicionales de lazo de corriente de 4 – 20 mili amperes.

d) Modulo Fieldbus Foundation: Este módulo permite la comunicación del controlador con “instrumentación inteligente” Fieldbus Foundation de terreno, la comunicación se realiza mediante Fieldbus Foundation H1 de 31.25 Kbit/s, el maestro que administra el Bus de comunicación es el sistema Delta V, esta comunicación posee grandes ventajas las que se abordaran más adelante al tratar el bus Foundation Fieldbus.


e) Módulo Serial: El modulo serie esta diseñado para soportar protocolos de tipo serial. Dentro de los protocolos de tipo serial que pueden ser conectados al controlador se encuentra Modbus, Modbus Plus y Data Highway Plus de Allen Bradley. Cabe señalar que a este módulo serie se pueden conectar diversos buses de campo como DeviceNet, Profibus, etc., esto se puede realizar conectando en bus de campo a un Gateway que transforma la señal del bus de campo en una señal serial, esto se puede realizar para disminuir costos en tarjetas de los Buses de Campo.

f) Módulo Hart: El controlador Delta V soporta comunicación con instrumentos de terreno en forma digital mediante el protocolo HART.

g) Módulo As-i: El controlador Delta V soporta comunicación con elementos del nivel más bajo de la planta, esto es, sensores y actuadores que se comuniquen mediante el protocolo As_i. La administración es realizada por el controlador DeltaV, siendo este el maestro de la red, las cualidades de este bus serán abordadas más adelante.

h) Módulo DeviceNet: El controlador soporta comunicación mediante protocolo de comunicación DeviceNet, la Administración de la red es realizada por el controlador Delta V, el cual es el Maestro del Bus. Las características de DeviceNet serán abordadas más adelante.

i) Modulo Profibus: El controlador soporta comunicación con dispositivos de campo mediante el protocolo de comunicación Profibus DP. Al igual que el los protocolos mencionados anteriormente el control de bus o sea el rol de maestro es realizado por el controlador Delta V. Profibus DP, FMS y PA serán abordados más adelante.

Figura 2.4: Se observa un Controlador Delta V montado con módulos para comunicación mediante Fieldbus Foundation (FF) y Bus As-i.


10


j) Módulo H1 Smart Carrier: Este módulo se utiliza para permitir la comunicación de

señales de entrada / salida discretas con un segmento Fieldbus Foundation H1. Soporta un máximo de 16 señales discretas para ser comunicadas. Con el segmento Fieldbus.

Figura 2.5: Modulo H1 Smart Carrier

A segmento Fieldbus que se comunica con tarjeta Fieldbus del sistema Delta V

Señales Discretas Entradas / Salidas

k) Red de Control del Delta V: Para comunicar el PC Workstation con el controlador Delta V se debe establecer un enlace Ethernet de uso exclusivo del sistema Delta V, esta red puede ser redundante (se recomienda) para que el controlador no pierda en ningún momento la comunicación con la estación de trabajo “Workstation”. Cuando la distancia entre el controlador y el PC Workstation no es demasiado grande, el enlace de la red Ethernet es del tipo 10 base T o Dual Speed 10/100 Base T, lo cual dependerá de los Hubs o Swiches que se utilizarán para la conexión. En caso de que el controlador se encuentre en zonas de condiciones ambientales severas el PC Workstation no se podrá ubicar en las cercanías del controlador, con lo cual la red Ethernet tendrá otras características. Como se mencionó en algunas ocasiones el controlador Delta V queda montado en lugares de gran contaminación o áreas peligrosas, razón por la cual en dicho sector no se puede ubicar el PC Workstation, para salvar este inconveniente se crea un red Ethernet que enlaza el controlador Delta V con el PC Workstation, la red Ethernet se puede crear con un largo máximo de 2 Km. Para evitar interferencias de origen electromagnético en esta red, se debe realizar con enlace de fibra óptica.

l) Estación de Trabajo “Workstation”: Es donde se realizan todas las actividades concernientes al sistema de control de la planta, como los son: definir estrategias de control, supervisión de la planta, configuraciones, etc.


11


Buses de Campo y el Sistema Delta V Como se mencionó anteriormente el sistema Delta V permite una Interfaz de comunicación, entre el controlador y los buses de campo (mediante tarjetas, como la observada en la figura). El soporte de estándares de Delta V asegura el libre uso de los dispositivos seleccionados por el usuario. As_i, Profibus DP, Hart, Foundation Fieldbus y Device Net son los principales Buses de Campo soportados por DeltaV, estos buses digitales serán abordados en los siguientes capítulos. En la figura se observa una tarjeta de comunicación Fieldbus Foundation del sistema Delta V.

Figura 2.6: Tarjeta o Módulo de comunicación Fieldbus Foundation del controlador Delta V


12


CAPITULO III

Buses de Campo a nivel de Bit

Bus de Campo As_i

As_i es un bus de campo desarrollado inicialmente por Siemens, para la interconexión de actuadores y sensores binarios.

El bus AS-Interface es una red estándar de mercado, robusta y suficientemente flexible, que cumple con todos los requerimientos para un bus de comunicación industrial.

Está especialmente diseñada para el nivel “más bajo” del proceso de control. La red AS-Interface representa “los ojos y los oídos” para el control del proceso, pero utilizando técnicas de comunicación industrial.

Figura 3.1: Nivel donde se ubica As-i.

Hoy en día no hay competencia para la red AS-Interface en el nivel Actuador / Sensor.

Además existe una organización internacional que se encarga de controlar el desarrollo de la red, y los fabricantes más importantes en este campo han decidido apostar por la red AS-Interface.

Con todo esto se tiene garantizado el futuro de la instalación.


13



14

La red AS-Interface es un sistema, con el que se pueden conectar elementos sencillos (sensores, actuadores, y aparatos de servicio), dentro del nivel más bajo de automatización. Dentro de todas las técnicas de automatización, representa la solución más sencilla y económica.

Antes de que se empezase a desarrollar un sistema de bus para el nivel inferior de campo (el cual debe ser abierto e independiente del fabricante), había que resolver un problema muy normal en el mundo de la automatización: Los componentes que se debían conectar al sistema de bus, serían fabricados por un gran número de diferentes proveedores, lo que podría provocar que no todos los componentes de la red fuesen capaces de funcionar o ser compatibles entre si.

Para que todos los componentes fuesen compatibles entre sí, en 1990 se produjo un acuerdo entre los 11 fabricantes, lo más importantes en el campo Sensor / Actuador.

En este primer paso de la red AS - Interface se creó la asociación “AS - Interface

Association”. La función principal de esta asociación es la estandarización internacional de la red, el desarrollo tecnológico posterior y la certificación de los productos realizados por los diferentes fabricantes.

El usuario puede reconocer que un producto AS-Interface está probado y homologado,

si tiene el sello “AS - Interface” y su correspondiente número de prueba. Requerimientos en la red As_interface

En el nivel más bajo de control hay que cumplir con los requerimientos para sensores, actuadores, contactores, arrancadores de motor, columnas de señalización, botoneras, etc. Estos equipos necesitan normalmente unos pocos bits de información para poder funcionar en el sistema.

Para este tipo de aplicaciones, los sistemas superiores de bus ya existentes están

sobredimensionados o son demasiado potentes, por lo que difícilmente podían ser utilizados. Utilizan cables de conexión demasiado caros o inadecuados para su conexión directa al proceso (por ejemplo, cables de fibra de vidrio, cables apantallados o poco flexibles), y las velocidades de transmisión son demasiado elevadas. Los protocolos de datos no son deterministas o la electrónica de control está sobredimensionada cuando se trata de conectar participantes de red con pocas señales binarias. Debido a esto hay que conectar una gran cantidad de equipos binarios a la red, con el correspondiente aumento de costo.

Además la red tiene que ser sencilla de montar y el usuario debe ser capaz de ponerla en

servicio de forma rápida y sin grandes conocimientos técnicos. Los costos por cada conexión deben ser bajos y deben ser acordes con los datos

transmitidos por la red. La red AS-Interface tiene que ser capaz de conectar sensores y actuadores binarios, y

debe servir de conexión con los niveles de control superiores. Todo esto que tiene ser sencillo, económico y adecuado a cada proceso industrial.


El resultado técnico es espectacular: La red AS-Interface cumple con todos estos requerimientos de una forma precisa, tanto en aplicaciones con condiciones ambientales exigentes (IP65/HIP67) como dentro de los armarios de distribución (IP20). Además puede soportar temperaturas entre -25º y +85º.

Figura 3.2: A pesar de que exista polvo, humedad o temperaturas extremas, la red AS-Interface posee un grado de protección IP65 y soporta todo lo que “le echen.”


15


Protocolo Sistema maestro simple

La red AS-Interface se ha creado como un sistema maestro simple, utilizando la técnica de polling cíclico. Esto quiere decir que sólo existe un módulo de control (el maestro) en toda la red. Este maestro consulta y actualiza los datos de todos los participantes de la red (los esclavos), empleando para ello un tiempo fijo y concreto polling).

Figura 3.3: Configuración mínima para una red As-i

Figura 3.4: Red As_i, donde el controlador Delta V es el maestro de la red.

La red AS-Interface está optimizada para una pequeña cantidad de datos. Estos datos tienen que ser suficientes para cumplir con los requerimientos en el nivel de

campo inferior. Los telegramas de datos tienen una estructura fija y una longitud determinada.


16


En cada ciclo de actualización entre el maestro y los esclavos, se intercambian hasta 4 bits de datos útiles para cada entrada y hasta 4 bits de datos útiles para cada salida. Requerimientos en tiempo real

El tiempo máximo de ciclo, es decir el tiempo máximo que necesita el maestro para volver a consultar de nuevo a un esclavo, es de 5 milisegundos, en caso de que el sistema esté ocupado al máximo con 31 esclavos (cada uno de ellos gestionando 4 bits de entrada y 4 bits de salida). En las redes As_interface que cumplen con la nueva especificación 2.1, el tiempo máximo de ciclo es de 10 milisegundos, utilizando 62 esclavos con 4 bits de entrada y 4 bits de salida. Este tiempo es más que suficiente para la mayoría de los sistemas de control, y se puede considerar como “tiempo real”. El procedimiento de consulta entre el maestro y los esclavos es determinista, es decir, se puede asegurar que el maestro va a refrescar los datos de cada esclavo conectado a la red en un intervalo de tiempo determinado y conocido. Capa Física

Transmisión de datos

El cable de transmisión de datos utilizado es un simple cable a 2 hilos, sin pantalla y sin

hilo PE. Para lograr inmunidad al ruido, la transmisión se hace basándose en una codificación Manchester. La señal con la codificación Manchester se traduce en pulsos de corriente, que producen pulsos positivos y negativos en la tensión de alimentación, que indican las transmisiones en la señal. A partir de la detección de dichas transiciones se reconstruye la secuencia de bits transmitida.

Figura 3.5: Codificación de la información en el bus As_i.

El cable característico para la red AS-Interface es un cable plano y perfilado, el cual

permite un montaje sencillo y eficiente gracias a un sistema de conexión totalmente innovador (la técnica de perforación). Por supuesto que, además del cable plano amarillo, también se puede utilizar un cable redondo estándar a 2 hilos de 1,5 mm2.

Sin embargo, por motivos económicos, se suele utilizar el cable plano amarillo. Más adelante se describirá el cable utilizado por As_i.


17


Topologías de Red

La red AS-Interface se puede montar como una instalación eléctrica estándar. Gracias al robusto principio de funcionamiento sobre el que se asienta, no hay

limitaciones en cuanto a la estructura (topología de red). La red AS-Interface se puede montar en árbol, línea, punto a punto o línea con ramificaciones.

En un sistema estándar de AS-Interface se pueden conectar hasta un máximo de 31 esclavos. Cada esclavo puede gestionar hasta 4 señales de entrada y 4 señales de salida (es decir, se pueden tener hasta 124 señales de entrada y 124 señales de salida en toda la red). En los sistemas AS-Interface que cumplen con la nueva especificación ampliada 2.1, se pueden conectar hasta 62 esclavos. Estos esclavos pueden controlar hasta 4 señales de entrada y 3 señales de salida (es decir, se pueden tener hasta 248 señales de entrada y 186 señales de salida en toda la red).

Los sensores inteligentes, con el chip de AS-Interface integrado, poseen una única dirección de red y se comportan con relación al maestro como esclavos “normales”.

Figura 3.6: Topologías redes As_i

Componentes As_i

El componente más importante de toda la red AS-Interface es tan pequeño, que fácilmente cabe en la uña de un dedo, y sin embargo, sin él no sería posible concebir la red tal como es hoy en día, estamos hablando del chip de AS-Interface.

Esclavos

Los esclavos son módulos de E/S descentralizados, conectados con el programa de control del controlador (Controlador As_i, Delta V, PLC, etc.).

El esclavo de AS-Interface reconoce los bits de datos enviados por el maestro y le devuelve sus propios datos. En un esclavo de AS-Interface estándar se pueden conectar hasta 4


18


sensores binarios de entrada y hasta 4 actuadores binarios de salida. Los esclavos inteligentes son aquellos que ya tienen integrados el chip de AS-Interface en el propio sensor o actuador. Para estos esclavos, los costos de la electrónica son muy bajos.

Hay esclavos de AS-Interface de todos los tipos posibles: Módulos normales (módulos digitales, módulos analógicos, módulos neumáticos, etc.) o módulos inteligentes (arrancadores de motor, columnas de señalización, botoneras, etc.).

Figura 3.7: Esclavos As_interface. Marca Siemens.

a) Para armario de distribución b) Para instalación en terreno Maestros

El maestro de AS-Interface es el que se encarga de recoger y enviar los datos de la

Red. Él mismo organiza el tráfico de datos en el cable AS-Interface y, en caso necesario,

pone los datos de los sensores y actuadores a disposición del PLC o de un sistema de bus superior (por ejemplo, PROFIBUS) a través de las denominadas pasarelas DP/AS-Interface, en el caso del controlador Delta V, este es el que aplica la estrategia de control y envía información al computador Workstation, como se aprecia en la siguiente figura.


19


Figura 3.8: Red As-i conectada al controlador Delta V.

Aparte de la correspondiente consulta sobre el estado de las señales de los esclavos, el

maestro también es capaz de transmitir parámetros de configuración a los esclavos, o supervisar la red constantemente y suministrar datos de diagnóstico.

En contraposición con otros sistemas de bus más complejos, la red AS-Interface se configura de forma automática, sin que el usuario tenga que utilizar ningún software de parametrización.

El usuario no necesita realizar ningún ajuste, como por ejemplo, derechos de acceso, velocidad de red, tipo de telegrama, etc.

El maestro ejecuta todas sus funciones de manera automática. Lo cual es absolutamente necesario para el correcto funcionamiento de la red.

Además el propio maestro se encarga de realizar el diagnóstico de todo el sistema. Reconoce los fallos en cualquier punto de la red, indica el tipo de fallo y determina qué

esclavo ha sido el que lo ha producido.


20


Figura 3.9: Maestro de red As_i, Marca Siemens

Pasarelas

Si se tienen estructuras de automatización complejas, la red AS-Interface se puede conectar a un sistema de bus superior (por ejemplo, PROFIBUS).

Para esto se necesita una pasarela (por ejemplo, el DP/AS-i-Link), la cual funciona como maestro de AS-Interface, pero como esclavo del sistema de bus superior (por ejemplo, PROFIBUS). La red AS-Interface se encarga de suministrar sus señales binarias al sistema de bus superior para su posterior tratamiento en el programa del controlador. Cable

El cable plano amarillo es el cable estándar para la red AS-Interface. Este cable tiene una marca especial que lo caracteriza. La sección del cable es fija y asimétrica, y se encarga de transmitir los datos de toda la red y la alimentación a los sensores conectados en la red. Para los actuadores se necesita una alimentación auxiliar (tensión auxiliar de 24 V DC o 230 V AC). Para poder utilizar la misma técnica de instalación que con el cable amarillo, se utiliza un cable con las mismas características pero con un color diferente. Por ejemplo, para el cable de alimentación auxiliar a 24 V DC se utiliza un cable plano perfilado de color negro, y para el cable de alimentación auxiliar a 230 V AC se utiliza el mismo cable pero en color rojo.

El aislamiento del cable es normalmente un recubrimiento de goma (EPDM). Para aplicaciones que necesiten más requerimientos ambientales, por ejemplo más resistencia a productos químicos, se utiliza un cable perfilado del tipo TPE (Thermoplastic Elastometer) o del tipo PUR (Poliurethan). Como medio de transmisión también se puede utilizar un cable redondo estándar sin hilo PE.

No es necesario que el cable tenga pantalla debido a la técnica de transmisión empleada.


21


Figura 3.10: Cables para redes As_i Fuente de alimentación

La fuente de alimentación para la red AS-Interface suministra una tensión entre 29,5 V DC y 31,6 V DC. La fuente cumple con la normativa IEC para “baja tensión con separación galvánica (PEVL)”. La separación galvánica (PEVL) cumple con la normativa IEC 742-1. Esta normativa también cumple con los requerimientos para la resistencia contra cortocircuitos permanentes y sobrecargas.

Gracias al acoplamiento integrado de datos, la fuente de alimentación para AS-Interface permite transmitir datos y suministra energía a los sensores conectados en la red. Para ello, los datos transmitidos en la red AS-Interface se envían en forma de impulsos, utilizando una modulación Manchester (como se menciono anteriormente). Esta modulación se encarga de modular la tensión continua en la red. Cada segmento de red AS-Interface necesita su propia fuente de alimentación. Normalmente las salidas de la red se alimentan a través del cable negro perfilado. Para este cable se puede utilizar una fuente de alimentación normal de 24 V DC que cumpla con la especificación PEVL (cable de protección a tierra).

También existen fuentes de alimentación mixtas: Con un solo equipo se suministra la tensión AS-Interface y la tensión auxiliar de 24 V DC para las salidas. Componentes adicionales:

La red AS-Interface funciona sin problemas hasta una longitud de 100 metros, pero esta puede extenderse mediante repetidores y extensores hasta una longitud máxima de 300 m.

Repetidores

En caso de que la instalación necesite más de 100 metros, se puede ampliar la red con 2 repetidores en serie hasta un máximo de 300 metros, 100 metros por cada nuevo segmento. El repetidor trabaja como un amplificador de señal. Los esclavos se pueden conectar en cada uno de los 3 segmentos de la red AS-Interface. Cada segmento necesita su propia fuente de alimentación. Además el repetidor se encarga de realizar una separación galvánica entre ambos segmentos de red, de tal forma que se aumenta la selectividad en caso de cortocircuito.


22


Figura 3.11: Red Así ampliada mediante un repetidor

Figura 3.12: Repetidores para red As_i, marca PEPPERL+FUCHS.

Extensores

El cable de AS-Interface se puede ampliar por medio de un extensor más un repetidor. En esta configuración (Controlador – Extensor – Repetidor) no se puede conectar ningún esclavo entre el Controlador y el extensor, pero tampoco se necesita ninguna fuente de alimentación en este segmento. Por eso, los extensores son recomendables cuando se tiene mucha distancia (pero siempre menos de 300 metros) entre la instalación y el armario de distribución donde está conectado el controlador.


23


Figura 3.13: Red As-i ampliada mediante un Extensor y un repetidor.

Conexión AS-Interface

Técnica Modular

La técnica modular es una de las características fundamentales de la red AS-Interface. Los esclavos utilizados en la red poseen 2 partes: La placa de montaje en la parte

inferior y el propio módulo en la parte superior. Entre ambas se coloca el cable, como si se tratase de un sándwich.

El módulo superior contiene la electrónica de AS-Interface, así como las conexiones para los sensores y actuadores. Técnica de perforación

El cable plano de AS-Interface se conecta a cada uno de los esclavos en cualquier posición de la red, de una forma increíblemente fácil y cumpliendo con todas las normas de seguridad.

Todo esto es posible debido a la técnica de perforación empleada por los participantes de red.

Funcionamiento: Cada uno de los módulos posee un par de pequeños pinchos(mostrados en la siguiente figura), los cuales penetran a través de la goma aislante que rodea al cable plano de AS-Interface y contactan de forma segura con el hilo de cobre interior. En caso de que se quite el esclavo de esta posición de la red, se retiran los pinchos del cable, y los orificios hechos anteriormente en la goma se cierran de forma automática, conservando el grado de protección en el aislamiento del cable (cable EPDM).

Debido a la forma asimétrica del cable plano, no es posible equivocarse en la polaridad de conexión, ya que en cada esclavo el cable sólo entra en una posición posible. Además no se necesita que el cable posea ningún tipo trenzado o aislamiento adicional.


24


Figura 3.14: Se pueden observar los pinchos que penetran la goma aislante. Ventajas de las redes As_i

• El protocolo As_i esta respaldado por la As Interface Association, lo que asegura que componentes de diferentes fabricantes sean compatibles entre sí.

• Está especialmente diseñada para el nivel “más bajo” del proceso de control. La red AS-Interface representa “los ojos y los oídos” para el control del proceso, pero utilizando técnicas de comunicación industrial.

• Permite conectar dispositivos de control que se encuentran en zonas con condiciones ambientales exigentes, como también soporta temperaturas entre –25º C y +80º C.

• Utiliza un control de acceso al medio del tipo Maestro Esclavo, donde el maestro “demora” 5 miliseg. en consultar y esperar la respuesta de todos los esclavos, esto permite obtener la información en “tiempo real”.

• La transmisión de datos se realiza por el mismo cable que está la alimentación. • El montaje es muy fácil de realizar, ya que se realiza mediante la técnica de

perforación del cable. • As_i es la red más eficiente y económica para comunicar interconectar elementos en

el nivel más bajo de la planta.

Desventajas de la red AS-i

• Es una red de muy bajo nivel que solo maneja algunos bits de información a la vez desde y hacia los dispositivos de campo.

• No provee información de diagnóstico de la red ni de los dispositivos conectados a ella.


25


CAPITULO IV

Buses de Campo a nivel de Byte DeviceNet

Tras el desarrollo de DeviceNet por Allen-Bradley en 1992, y su lanzamiento al mercado en 1994 se fundo la organización independiente “ODVA” (Asociación Abierta de Vendedores de DeviceNet), en la actualidad existen alrededor de 300 fabricantes asociados a ODVA alrededor del mundo, lo que permite tener una amplia gama de opciones al adquirir un sistema Device Net. Device Net basa su funcionamiento en el bus de campo CAN, de probada trayectoria en los circuitos de control de automóviles, por su robustez, inmunidad al ruido resistencia a la vibración, a los golpes, y a las temperaturas extremas . La red CAN tiene la flexibilidad necesaria para las necesidades de hoy y del futuro, gracias a que basa su comunicación en el modelo productor / consumidor que soporta redes maestros / esclavo, redes multi-maestro y redes en comunicación Peer to Peer. El circuito integrado CAN es fabricado por unas 15 empresas alrededor del mundo, entre ellas están: Intel, Motorola, Siemens. La mayoria de estos chips no son siquiera empleados en redes Device Net, sino que son destinados a la masiva producción de automóviles. ODVA define Device Net como un enlace de comunicación de bajo costo para conectar dispositivos industriales como lo son: Interruptores de fin de carrera, válvulas, variadores de frecuencia, tableros de control e interfaces de operarios, etc., en una red, eliminando costosos sistemas de alambrado. Device Net permite reducir el costo y tiempo para alambrar dispositivos de automatización y a la vez facilita el intercambio entre componentes similares de múltiples proveedores. Como se menciono anteriormente Device Net es un bus de dispositivos a nivel de bytes, de forma que permite leer el estado e información de diagnóstico de dispositivos discretos. Esto se puede observar en la figura 4.1. El Nivel Físico El bus de campo Device Net es lineal con derivaciones múltiples, esto permite agregar o remover con facilidad los componentes de la red sin afectar el funcionamiento del sistema. Cada red Device Net soporta 64 nodos, de los cuales , uno de ellos es la tarjeta de Interfaz para transformar la información serial del bus en datos disponibles en el bus paralelo del micro procesador de la plataforma lógica “PC o PLC”. En el caso del controlador DeltaV el bus de campo se conecta en la tarjeta Device Net, donde el sistema Delta V es el maestro y los dispositivos los esclavos. Para grandes sistemas que requieren más de 64 nodos basta con instalar tarjetas adicionales al controlador, cada tarjeta soportando 63 nodos en la red.


26


Figura 4.1: Derivaciones de una red DeviceNet.

Se ofrecen 2 tipos de conectores para el cableado de la red: los de tipo abierto, donde el

usuario final realiza sus conexiones, y los conectores sellados para uso en ambientes severos, estos son prefabricados con extremos roscados que agilizan la labor de conexionado, garantizando una protección contra errores de alambrado por estar provistos de una clave mecánica para una forma de ubicación única. Además se requiere instalar terminadores en los extremos de la red necesarios para mantener balanceada la impedancia del alambrado y procurar una mínima atenuación de las señales dentro del bus, este terminador es de 121 ohm, 1% y ¼ W de película metálica.

Figura 4.2: Conector tipo Abierto y sellado.

Dentro de los conectores del tipo sellado están los “mini” y los “micro”, los cuales están orientados para diferentes tipos de equipos y conexionado (troncal o ramal). Ambos formatos están en versión macho y hembra y con diferente posición de pines.


27


Figura 4.3: Conectores sellados mini y micro.

En la red debe incluirse a lo menos una fuente de 24 Vdc para la alimentación de los circuitos de comunicación de los nodos, es decir, para el chip CAN. Es preferible contar con varias fuentes en la red, para asegurar la continuidad de servicio en caso de que falle una de ellas.

Figura 4.4: Red Device Net con una única Fuente de Poder

Para establecer la cantidad de fuentes de alimentación se debe tener presente los consumos de cada nodo, la distancia total e individual de cada nodo y el tipo de cable troncal utilizado. En Device Net se especifican 3 tipos de cables: El llamado cable grueso, el cable mediano y el cable delgado, que soportan 8, 8 y 4 A respectivamente. Cada cable incluye un par trenzado que soporta la energía de la fuente de 24 V a lo largo de la red, más un par trenzado para la transmisión de datos y un quinto hilo sirve de blindaje y a la vez como conductor de puesta a tierra. En el caso del cable grueso los conductores para la alimentación de 24 V son de calibre 15 AWG, mientras que los conductores de señal son de calibre 18 AWG.


28


Figura 4.5 Cable de comunicación.

En el caso del cable mediano el calibre del cable de datos es 20 AWG y el de

alimentación 17 AWG. En el caso del cable delgado se utilizan los cables 22 AWG para alimentación y 24 AWG para datos. La capacidad máxima del cable no se basa en la capacidad de los conductores, sino en la limitación de los conectores. Los cables tróncales o ramales pueden ser del tipo delgado o grueso. Los conductores son denominados de la siguiente forma: a.- Drenaje: Se utiliza para aterrizar el sistema. b.- CAN H, CAN L: Transportan de un nodo a otro la señal de datos. c.- Bus -, Bus +: Estos son los encargados de transmitir el voltaje de alimentación de 24 V, para la alimentación de los circuitos de comunicación y microprocesadores de los nodos. Esto se puede apreciar en la figura anterior. La distancia del cableado es función de la velocidad de transmisión de datos y de la caída de tensión producida a lo largo del sistema. Los límites aceptables de voltaje en las lineas de alimentación son de 25 Vdc máximo y 11 Vdc mínimo. El estándar DeviceNet habla de una caída de tensión máxima de 10 V, distribuido equitativamente entre los conductores V- y V +. Luego, conforme aumenta la longitud de la red, aumenta también la capacitancia y por tanto disminuye la velocidad de respuesta. DeviceNet soporta tres velocidades de red 125, 250 y 500 kbps, la longitud del cable de extremo a extremo de la red para transmitir a estas velocidades se puede observar en la siguiente tabla:


29


Velocidad 125 kbps 250 kbps 500kbps Longitud cable grue 500 m 250 m 100 m Longitud cmediano

300m 250m 100m

Longitud cable delg 100 m 100 m 100 m Longitud máxima ramal

6 m 6 m 6 m

Longitud por ramáximo acumulado

156 m 78 m 39 m

Protocolo Device Net se comunica por medio del chip CAN, pero realiza las funciones de protocolo con microprocesadores separados y software adicionales. Esto es especialmente aplicable en dispositivos que requieren amplia capacidad de procesamiento, como los elementos maestros. Device Net basa su protocolo completamente en la especificación CAN que contempla la metodología de acceso al bus, así como el significado de las señales eléctricas.

Device Net puede ser una red maestro-esclavo, Peer to peer o Múltiples maestros. El método de control de colisiones es el denominado CSMA/NBA, cuyas siglas significan Carrier Sence Múltiple Access with Non – Destructive Bitwise Arbitration (portador de acceso múltiple con priorización no destructiva). Los nodos pueden acceder al bus cuando este está libre, y cuando ocurren colisiones de mensajes se establece una prioridad de acceso de acuerdo al número de identificación del nodo o el tipo de mensaje. El nodo con menor número de dirección será el de mayor prioridad. Se dice que es una priorización no destructiva por que no se pierde ningún mensaje durante la colisión de datos, al ser almacenado por los nodos en espera de su oportunidad para reintentar transmitir su mensaje. El formato de mensajes Device Net se puede observar en la siguiente figura:

Figura 4.6. Formato de mensaje DeviceNet.

El mensaje está conformado por las siguientes secciones:

• Inicio de marco: Corresponde al primer bit del mensaje – Un bit dominante de valor “0” – que demarca el inicio del mensaje y sincroniza el reloj de todos los demás nodos de la red.


30


Para señales CAN, el Bus está inactivo cuando hay un “1” lógico en el bus(bit recesivo), correspondiente a un voltaje alto, mientras que el “0” lógico, como señal de bajo voltaje, es en realidad un bit dominante.

• Campo de prioridad: Contiene 11 bits para determinar cuál de los nodos tiene derecho de usar el bus en caso de colisión de datos, de acuerdo al número de nodo y el tipo de mensaje. Al transmitir dos nodos a la vez, el derecho del bus será del primer nodo que coloque un “0” en el Bus antes que el otro. Como se puede apreciar en la siguiente figura, la señal de Bus seguirá solamente aquellos nodos que tengan prioridad. Cuando el nodo 2 coloca un “1” en el tercer bit del campo de prioridades (en el dibujo es el cuarto bit puesto que el primero es el bit de inicio de marco), pierde su oportunidad de seguir transmitiendo datos y produce una salida inactiva (“1” lógico) hasta que tenga oportunidad de enviar su mensaje. Los nodos 1 y 3 continúan su contienda por el Bus hasta que el nodo 3 produce un “0”, obteniendo la hegemonía sobre el bus.

Figura 4.7: Mecanismo de priorización no destructiva.

El campo de prioridad puede tener una de las cuatro formas mostradas en la siguiente figura. Siguiendo el razonamiento anterior es fácil ver que el primer tipo de mensaje, donde el bit 10 tiene un valor de cero, tiene prioridad sobre los otros tipos de mensaje. Si dos nodos transmiten mensajes con esta misma configuración ( los dos bits de la posición 9 son cero), entonces competirán según el contenido en el campo de mensaje. A este tipo de mensaje se le llama mensaje de grupo 1. Los cuatro bits en el campo de identificación de mensaje de grupo 1 se aplican a mensajes de entrada / salida, subdivididos como mensajes de cambio de estado, cíclicos, de interrogación individual o interrogación grupal.


31


Figura 4.8: Organización del campo de prioridad según numero de identificación de tipo mensaje. En los mensajes de grupo 2 se da prioridad al número de identificación del nodos. Este tipo de mensajes corresponde, por ejemplo, a mensajes de revisión de números de nodo repetidos o mensajes de reconocimiento de elemento maestro. Los mensajes de grupo 4 son los de menor prioridad y sólo se emplean durante la programación previa de los nodos, ya que en ese momento el maestro establece comunicación sólo con un nodo a la vez y no se hace necesario aplicar la detección de colisiones de datos. El bit final del campo de prioridad, llamado “RTR”, no es empleado en Device Net. Dada la importancia del número de identificación del nodo, dentro de la red se realizan revisiones de error para sacar de servicio los nodos con el mismo número de identificación. Un paso previo a la puesta en marcha de la red consiste en la programación inicial de cada nodo para adjudicarse el número de identificación correcto. En el campo de prioridad se asignan 6 bits para el número de identificación, suficientes para representar un número de 0 a 63.

• Campo de Control: El bit “IDE” es un bit indicador de CAN; el bit “RO” no es utilizado; el espacio “DLC”(Data Length Code-Código de longitud de mensaje) indica la cantidad de bytes enviados en el mensaje. Puesto que el campo para el DLC es de 4 bits(suficiente para representar un número de 0 a 8, la máxima cantidad de bytes que Device Net puede enviar en el campo de mensaje).

• Campo de Mensaje: Puede contener de 0 a 8 bytes. Algunos dispositivos de campo requieren más espacio para enviar información, por lo que se fragmenta la información en mensajes de 8 bytes cada uno.

• Campo de Redundancia Cíclica (CRC Cyclic Redundancy Check, Chequeo de redundancia cíclica): Como parte de la inteligencia de los nodos, éstos realizan un complejo algoritmo para determinar si existen errores en el campo de mensajes. Este campo sirve para enviar al maestro la información de diagnóstico para poder monitorear constantemente el estado de cada uno de los nodos de la red. En caso de que alguno muestre una falla, de inmediato se puede saber desde el control central cuál es el nodo que hay que revisar.

• Bit de reconocimiento: El nodo transmisor coloca dos “1” s en este espacio. Si un nodo recibió el mensaje correctamente, produciendo un resultado positivo en la revisión de redundancia cíclica, coloca un bit dominante en este espacio para hacerle ver al nodo transmisor que el mensaje se recibió correctamente.

• Final de marco: Contiene recesivos (“1”s) para indicar que el mensaje ha terminado y que otro nodo puede transmitir. El método de comunicaciones de Device Net opera bajo el paradigma “Productor / Consumidor”, por lo que está habilitado para cualquiera de los variados


32



33

modelos de comunicación de redes: Maestro / Esclavo, Múltiples Maestros, Peer to Peer, Producción de datos cíclicos y mensajes de campo de estado. No todos los dispositivos para Device Net tienen todas estas funcionalidades.

Hay varias formas en que un maestro Device Net se comunica con los demás nodos de la red. Uno de los métodos es el de interrogación individual (“polling”), donde cada esclavo es interrogado individual y secuencialmente enviando su correspondiente mensaje de respuesta como se observa en la siguiente figura. Ésta es la forma de comunicación que típicamente se realiza con los dispositivos de salida, los cuales podrían recibir, por ejemplo, un comando para actuar sobre el sistema. Y a que ese comando interactúa de forma directa con el proceso, se emite de forma individual por razones de seguridad.

Figura 4.9: Interrogación Individual de los nodos en la red.

Otro método es de interrogación grupal (“Bit strobe”), donde el maestro emite un solo comando de interrogación a todos los nodos, esperando recibir la respuesta individual de cada nodo al que corresponda contestar este tipo de comando, como se puede observar en la siguiente figura:

Figura 4.10: Interrogación grupal de los nodos en la red.



34

Puesto que el maestro no tiene que emitir la misma orden de interrogación repetidas veces se optimiza el uso del bus. Generalmente los dispositivos que actúan con este tipo de comunicación son los sensores del sistema. En las redes peer to peer, que generalmente son del tipo “paso del testigo”, cada dispositivo transmite la información solo en el momento en que tiene su tiempo asignado, según su número de nodo o su prioridad programada por el usuario. Otro modelo de comunicación es el denominado como Múltiple maestro. Por ejemplo, la red puede estar formada por dos o más PLCs provistos con tarjeta Device NET y controlar la red simultáneamente. Con los comandos de mensajería cíclica (“Cyclic I/O”), el elemento maestro y esclavo emite sus datos de manera independiente y periódica, según un ajuste de tiempo definido por el usuario. Finalmente, en el modo de comunicación de cambio de estado (“Change of State”-COS), aquellos nodos diseñados para este fin envían su mensaje cada vez que ocurre un cambio Físico en su estado. Opcionalmente se puede programar un reporte de datos en el modo cíclico para verificar que el elemento esta activo. Este método de reporte de datos es el indicado para optimizar el uso del bus en aplicaciones discretas, ya que reduce el trafico de datos haciendo posible que otros nodos puedan enviar sus mensajes en menos tiempo. La mensajería cíclica puede aplicarse en redes del tipo Maestro / Esclavo, Múltiple maestro y peer to peer. Ventajas de las redes Device Net. A continuación se presentan algunas de las ventajas que hacen de un sistema Device Net una opción atractiva en aplicaciones de control de procesos industriales.

• DeviceNet es ideal para aplicaciones de control de maquinarias: Por sus características propias de protocolo, DeviceNet es una red a nivel de Bytes con amplia capacidad para encargarse del control discreto del equipo en una línea de producción, así como las señales analógicas que se presentan típicamente en aplicaciones de control de maquinarias. A diferencia de las redes a nivel de bits, DeviceNet provee información de diagnóstico para facilitar la localización y reparación de fallas.

• DeviceNet es una red abierta: Para el usuario final este punto es de crucial importancia pues implica que no depende sólo de un proveedor para poder solucionar su problema de control. Se garantiza la conectividad suficiente para integrar múltiples productos, que con tecnologías convencionales normalmente tendría que comprar de fabricantes diferentes (y con protocolos incompatibles). Se reduce el inventario de repuestos gracias a la compatibilidad de productos. Tiene asegurado el respaldo técnico de más de un proveedor.

• Reducción de costos de programación y puesta en marcha: DeviceNet cuenta con programas de configuración sumamente amigables para reducir al máximo el tiempo de configuración de red. La programación ofrecida para las aplicaciones de control por PC se basan en el uso de diagramas de flujo, además de la programación tradicional por diagrama escalera. Estas herramientas facilitan también la depuración de programas a la hora de realizar la puesta en marcha.

• Disminuyen los costos de mantenimiento: Los elementos de campo tienen inteligencia propia para advertir un problema antes que suceda una falla causando serios daños, pérdida de productos, o un largo tiempo de reparación de la máquina.



35

• Reducción del tiempo de paro: Todos los nodos DeviceNet poseen mensajes de autodiagnóstico para una inmediata localización del elemento dañado. El cambio del componente puede hacerse con la red energizada, con gran facilidad gracias a las conexiones roscadas en la red.

• Ahorro de tiempo: Los elementos de campo inteligentes pueden ser calibrados en el campo, tiene la habilidad de mantener bases de datos y pueden realizar funciones de diagnóstico remotas.

• Facilidad de expansión: Los cambios de alambrado son mínimos a la hora de agregar nuevos elementos a una red diseñada con la suficiente previsión para crecimiento futuro.

• Ahorro de espacio: Se reduce considerablemente el tamaño de las consolas de control con lógica de Relés, PLCs, DCS, etc. No se requiere incluir tarjetas de Entrada / Salida dedicadas para el alambrado de los dispositivos de campo, sino tan solo la tarjeta de Interfaz para la red.

• Control por PC: Device Net se ha desarrollado con tarjetas de Interfaz para PLCs y PCs. El uso de un computador para el control del sistema conlleva numerosas ventajas, como la posibilidad de integrar el sistema con otro tipo de programas de control e interfaces de operario en la misma máquina (HMI, Human Machine Interface: interfaz hombre máquina) la plataforma abierta del PC facilita la expansión del sistema, así como la compartición de información por medio de bases de datos comunes a otras secciones de la instalación. El PC posee una Interfaz gráfica incorporada que permite configurar y controlar el sistema desde un solo punto.

• El controlador Delta ofrece tarjetas Device Net que permiten conectar los diversos dispositivos Device Net con el controlador, lo que permite aplicar todas las herramientas que ofrece Delta V, los cuales son Interfaz gráfica, determinación de las estrategias de control, alarmas, registro de históricos, configuración del sistema, etc.


CAPITULO V

Buses de Campo a nivel de Trama Foundation Fieldbus

FOUNDATION Fieldbus, es un sistema de comunicación

bidireccional, serie y digital que interconecta equipos de control y de medidas tales como sensores, actuadores y controladores, y se plantea como objetivo crear un estándar de bus de campo interoperable internacionalmente. Éste sirve como una red de área local (LAN) para los dispositivos de control e instrumentación convirtiéndose en el nivel básico de las redes digitales en la jerarquía de red de una planta o fábrica. El bus de campo Fieldbus se emplea tanto en procesos como en aplicaciones de automatización de fabricación teniendo incorporada la capacidad de distribuir las aplicaciones de control a través de la red.

Fieldbus se suele confundir con las redes de dispositivos lo cual no es cierto. Es importante conocer la diferencia: El crecimiento de las tecnologías de comunicación digital ha hecho aparecer una amplia gama de redes a nivel de dispositivos las cuales se pueden dividir en redes de bus de sensores o en redes de bus de actuadores o CAN basadas en I/O y en redes de control. Mientras que esto vale para trabajos de automatización discretos, estas redes carecen de una capa de usuario la cual se necesita para la automatización de procesos.

La demanda por la tecnología de este bus de campo radica en el deseo de los fabricantes de tener un control distribuido de sus plantas. Éste busca una tecnología que le proporcione una auténtica interoperabilidad, mejoras en el control a nivel de campo y una reducción en el costo de las instalaciones. Además, se busca un estándar de bus de campo internacional que sea la base de todos los productos de instrumentación y control de manera que sea un protocolo de bus de campo abierto y sin propietarios con lo que cualquier compañía que lo desee lo pueda instalar. Por "sin propietario" se entiende que FOUNDATION Fieldbus no está controlado por ninguna compañía ni estándar impuesto, todo lo contrario, está controlado por una organización formada por más de 120 fabricantes y usuarios líderes en el sector de los aparatos de control e instrumentación. Existen importantes diferencias entre esta tecnología y otros buses de campo. Fieldbus es líder en cuanto a aplicaciones críticas se refiere. Los usuarios de esta tecnología tienen la ventaja de que al ser un protocolo independiente, nunca podrá ser cambiado por un fabricante de manera individual. Este bus de campo proporciona ventajas significativas en la automatización, reduce el hardware así como el cableado, permite accesos remotos más rápidos. Con todo esto y con la tecnología adaptada gana en competitividad frente a otros usuarios que trabajan sobre otro tipo de buses. Todos aquellos sectores o fábricas que tengan que utilizar buses de campo en sus instalaciones se verán reforzados al utilizar este tipo de buses.


36


Beneficios de utilizar Fieldbus Reducción de Hardware La Foundation Fieldbus utiliza el estándar de “Bloques de Funciones” para implementar las estrategias de control. Los bloques de funciones son funciones estandarizadas de automatización. Muchas funciones del sistema de control semejantes a entradas analógicas (AI), salidas analógicas (AO) y control Proporcional / Integral / Derivativo (PID), son ejecutados por los dispositivos de campo a través del uso de bloque de funciones. La lógica, del diseño de los bloques-orientados de funciones consiste en la distribución de las funciones en los dispositivos de campo de diferentes fabricantes, en una forma integrada y con menor cableado. La distribución del control en los dispositivos de campo reduce la cantidad de I/O y equipamiento de control necesario incluyendo tarjetas, gabinetes y fuentes de poder.

Figura 5.1: Reducción de Hardware, comparación entre la estructura tradicional y Fieldbus. Instalación El estándar Fieldbus Foundation permite conectar muchos dispositivos con un par simple de alambres. Esto trae como consecuencia la utilización de una menor cantidad de cables. Los cables utilizados por Fieldbus soportan seguridad intrínseca, en base al estándar IEC/ISA.


37


Figura 5.2. Cableado tradicional versus cableado Fieldbus.

En el cableado tradicional se tiene un cable por cada dispositivo, y en el cableado Fieldbus se tiene un cable, por muchos dispositivos. En el primero, una variable, una dirección, y en Fieldbus Multivariables y bidirección Cantidad y calidad de los datos

En los sistemas de automatización, la totalidad de la información disponible al usuario no va más allá que las variables de control. En Foundation Fieldbus, la totalidad es mas grande, debido principalmente por la facilitación de la comunicación digital. Además Fieldbus ha incrementado la resolución y no tiene distorsión (no hay conversión Análogo / Digital y Digital Análogo), lo que da mas fiabilidad al control. Todo esto se añade al hecho que el control esta desarrollado dentro de los límites de los dispositivos de campo, resultando un lazo de control de mejor funcionamiento y menor degradación.

Los Dispositivos Fieldbus conceden Múltiples variables desde cada dispositivo llevándolas hacia el sistema de control por archivos, por ejemplo, análisis de tendencias, estudios de procesos de automatización, y generación de reportes. La alta resolución y la escasa distorsión características de las comunicaciones digitales, permiten mejorar las capacidades del control que permiten mejorar la producción. Mantenimiento

La auto prueba y capacidad de comunicación del microprocesador del dispositivo

Fieldbus, esta orientado a reducir el tiempo y a mejorar la seguridad de mantenimiento preventivo, operación de la planta y mantenimiento, el personal puede ser notificado. Esto permite que una acción correctiva pueda ser iniciada pronto y sin peligro.


38


Interoperatibilidad

Foundation Fieldbus es además un protocolo abierto, esto significa que, dispositivos de diferentes fabricantes son capaces de trabajar a la vez. Esta capacidad de operar con múltiples dispositivos, independientemente del fabricante en el mismo sistema sin una mínima perdida de funcionalidad es llamada interoperatibilidad. Tecnología Foundation Fieldbus

La tecnología Foundation Fieldbus se distribuye en tres partes:

• La capa física. • La pila o stack de comunicación. • La aplicación de usuario. •

La interconexión de sistemas abiertos OSI es el modelo acordado de comunicación para modelar estos componentes.

Figura 5.3: Modelo OSI V/S Modelo Fieldbus Foundation.

• La capa física es la capa 1 del modelo OSI. • La capa de enlace de datos (Data Link Layer (DLL)) es la capa 2 del modelo OSI. • La especificación de mensajes Fieldbus (Fieldbus Message Specification (FMS)) es la

capa 7 del modelo OSI. • La pila o stack de comunicación está comprendida de la capa 2 a 7 en el modelo OSI. • El protocolo Fieldbus Foundation no utiliza las capas 3, 4, 5, 6 del modelo OSI. • La “Aplicación” no está definida por el modelo OSI. Fieldbus Foundation tiene un uso

específico a la “aplicación” del modelo.


39


• Cada capa en el modelo de sistema de comunicación es responsable por una porción que es transmitido en el bus Fieldbus Foundation. La capa Física

La capa física esta definida por estándares aprobados, como lo son IEC (International Electrotechnical Comisión) e ISA (The International Measurement and Control). La capa física recibe mensajes desde la pila de comunicaciones “stack” y convierte los mensajes en señales físicas y los envía hacia en medio de transmisión Fieldbus y viceversa. Las señales Fieldbus son codificada usando la técnica bifásica Manchester-L. La señal es llamada “serie sincrónica” porque la señal de información de reloj es insertada en la corriente de serie de datos. El dato es combinado con la señal de reloj para crear la señal Fieldbus.

Figura 5.4. Codificación bifásica Manchester- L

El receptor Fieldbus de la señal interpreta una transmisión positiva en el medio del bit,

esto es, un “cero” lógico e interpreta una transmisión negativa con un “uno” lógico. Un carácter especial esta definido por el preámbulo, delimita la partida y delimita el fin de la transmisión. El preámbulo es usado por el receptor para la sincronización interna del reloj con la entrada de la señal Fieldbus.


40


Figura 5.5: Preámbulo, delimita la partida y delimita el fin de la transmisión

Los códigos espaciales N+ y N- están en el limitador de partida y limitador de parada. Nótese que las señales N+ y N- no son transmitidas en el medio del bit. El receptor utiliza el limitador de partida para buscar el comienzo del mensaje Fieldbus. Después de buscar este limitador el receptor acepta el dato hasta que el receptor detecte el limitador de parada. La capa física convierte los datos del “Stack” a las señales físicas en el bus de campo y viceversa. Como se indicó anteriormente esta capa se basa en los estándares de IEC e ISA.(IEC 1158-2 e ISA S50.02). Estas especificaciones permiten múltiples velocidades en la comunicación, y los dispositivos son alimentados eléctricamente por la misma capa física. Estos estándares poseen seguridad intrínseca, por lo que se puede utilizar con barreras de seguridad intrínseca de ser necesario. Las dos versiones a nivel de capa Física son:

N + N-

• H1 Señales Fieldbus 31.25 Kbits/s. • H2 High Speed Ethernet.(HSE) 100 Mbits/s

H1_ Señales Fieldbus 31.25 Kbits/s Los dispositivos entregan una señal de transmisión +10 mA hacia una carga equivalente de 50 Ώ para crear un voltaje peak to peak de 1.0 Volt modulado en el peak de la corriente continúa (DC) de la fuente de voltaje. La fuente de Voltaje puede tener un rango desde 9 a 32 Volt, sin embargo para aplicaciones de seguridad intrínseca permite fuentes de poder dependiendo de las clasificaciones de barreras.


41


Figura 5.6: Señales Fieldbus.

Las señales Fieldbus de 31.25 Kbit/s también soporta seguridad intrínseca (I:S) con

dispositivos bus de potencia. Para realizar esto, la barrera es ubicada entre la fuente de poder y el dispositivo ubicado en la zona peligrosa.

La longitud del Fieldbus está determinado por la velocidad de la comunicación, tipo de cable, tamaño del alambre, alimentación y opción de seguridad intrínseca. Las principales características de H1 son:

• Velocidad: 31.25 Kbits/s. • Seguridad Intrínseca: Sí • Alimentación segmento: Sí • Longitud máxima del cable: 1900 m • Longitud máxima de ramificaciones: 120 m. • Número de dispositivos / segmentos : 2-32 • Cuando se utiliza el Controlador Delta V, el número máximo de dispositivos por

segmento es de 6 a 8. • En cada segmento a lo más se pueden instalar 4 repetidores • Topología: Bus / Árbol


42


Figura 5.7: Topologías de bus y árbol de redes Fieldbus Foundation conectadas al sistema de control Delta V. H2 High Speed Ethernet (HSE). Un dispositivo de conexión es utilizado para interconectar buses Fieldbuses de 31.25 Kbit/s y hace de acceso a la espina dorsal de la Ethernet de alta velocidad (HSE) de 100 Mbits/s. Las interfaces I/O de los subsistemas mostrados en la figura siguiente permiten otras redes semejantes como DeviceNet y Profibus. Las interfaces I / O de los subsistemas pueden ser conectados a Fieldbus de 31.25 Kbit/s o HSE.

Figura 5.8: Configuración de red HSE.

Comunicaciones“ Sistema Delt

Industriales a V y Buses de Campo AS Interface, Device Net, Foundation Fieldbus y Profibus”

43


Todos los mensajes Fieldbus Foundation de 31.25 Kbit/s son comunicados con la red HSE usando los protocolos estándar de Ethernet ( TCP/IP, SNTP, SNMP, etc.), para implementar estas redes se utilizan gabinetes para instalar los Routers o Switch usados para crear grandes redes Ethernet. Todas las partes del trayecto de la HSE pueden ser instaladas en forma redundante según el nivel de tolerancia que se necesite para la aplicación.

Figura 5.9: Elementos utilizados en la red HSE. La pila o stack de comunicación.

A continuación se describirá la operación de las capas en el stack de comunicaciones. La Capa de enlace de datos (DLL) La capa 2, la capa de enlace de datos (DLL), controla la transmisión de mensajes sobre el bus Fieldbus. La DLL maneja el acceso de datos al bus Fieldbus mediante una lista deterministica centralizada llamada Cronograma Activo de Enlaces LAS (Link Active Scheduler). Tipos de dispositivos Dos tipos de dispositivos están definidos en la especificación DLL.

• Link master (Maestros de enlace): Son capaces de convertirse en LAS (Cronograma activo de enlaces).

• Basic Devices (Dispositivos básicos): No poseen la capacidad de convertirse en LAS, pero puede ejecutar bloques de funciones.


44


Figura 5.10: Segmento Foundation Fieldbus, incluye dispositivos básicos y Link master, donde uno de estos es un LAS. Cabe señalar que el estándar Fieldbus Foundation solamente admite una LAS primario (Link master Activo), y un LAS secundario (Link master stand_by). Sí puede haber más de un dispositivo LM o Básico y mediante un puente se pueden interconectar dos segmentos diferentes. La posibilidad de contar con un LAS primario y un LAS secundario, permite contar con un grado de redundancia a nivel de control de las comunicaciones en un segmento. Comunicación programada El cronograma activo de enlaces (LAS) tiene una lista de tiempos de transmisión para todos los datos de los buffers de todos los dispositivos que necesitan estar cíclicamente transmitiendo. Cuando es el tiempo de un dispositivo para enviar información al buffer, El LAS obliga al dispositivo a enviar el dato. Esto es llamado complet data (CD). Sobre el recibo completo de los datos, el dispositivo emite o publica en el buffer en dirección a todos los dispositivos del bus Fieldbus. Cualquier dispositivo que este configurado para recibir el dato es llamado un “ suscriptor” (subscriber).


45


Figura 5.11: Esquema de comunicación programada.

La transferencia programada de datos es típicamente usada en la transferencia cíclica

de datos de lazos de control entre dispositivos en el bus Fieldbus.

Comunicación no programada Todos los dispositivos en el bus Fieldbus otorgan la opción de enviar mensajes o datos no programados entre transmisiones de mensajes programados. El LAS concede el permiso al dispositivo para que use el bus Fieldbus enviando un mensaje de señal de permiso al dispositivo (token passing) (paso de testigo). Cuando el dispositivo recibe el token (testigo), este es autorizado a enviar el mensaje hasta que este haya finalizado o hasta que el tiempo de permiso máximo finalice.


46


Figura 5.12 Esquema de comunicación no programada.

Lista de mantenimiento La lista de todos los dispositivos que responden al token pass (PT) es llamada la “Live List”. Nuevos dispositivos pueden ser añadidos al bus Fieldbus en cualquier momento sin interrumpir las comunicaciones. El LAS envía mensajes de prueba (PN) a los nodos hacia las direcciones que no están en la lista. Sí un dispositivo esta presente en la dirección y recibe el PN, este inmediatamente retorna un mensaje de respuesta de prueba (PR). Sí el dispositivo responde con una PR, el LAS agrega el dispositivo a la “Live List” y confirma esta adición enviando al dispositivo un mensaje de activación de nodo. El dispositivo permanecerá en la “Live List” mientras éste responda correctamente al los PTs enviados por el LAS. El LAS remueve dispositivos de la “Live List” si el dispositivo no usa el token o este retorna inmediatamente al LAS después de tres intentos sucesivos. Cuando un dispositivo es agregado o removido de la “Live List”, El LAS difunde los cambios de la “Live List” a todos los dispositivos. Esto permite a cada dispositivo mantener actualizada una copia de la “Live List”. Tiempo de sincronización de enlace de datos El LAS periódicamente emite un mensaje con el tiempo de distribución (TD) sobre el bus Fieldbus, así todos los dispositivos tienen exactamente el mismo tiempo de enlace de datos. Esto es importante porque la programación de las comunicaciones en el bus Fieldbus y la programación de la ejecución de los bloques de funciones en la aplicación de usuario están basadas en la información obtenida de estos mensajes. Señal de permiso (Token passing) El LAS envía un mensaje de señal de permiso (token passing) PT a todos los dispositivos de la “Live List”. El dispositivo es autorizado a transmitir mensajes no programados cuando reciben el PT.

Pass Token


47


LAS Redundante Un bus Fieldbus puede tener múltiples Maestros de Enlace (Master Link). Si el LAS falla, uno de los otros Master Link queda automáticamente como LAS y la operación del Fieldbus continua. El Bus Fieldbus es diseñado para fallas operacionales. Los Link Master pueden ser controladores como el sistema Delta V, sensores (de presión flujo, etc) , válvulas de control, etc. Basados en tecnologías Fieldbus Foundation.

Figura 5.13: LAS redundante, transferencia automática ante una falla del LAS principal.

Acceso a las capas bajas Fieldbus FAS (Fieldbus Access Sublayer) La FAS utiliza rasgos de comunicación programada y no programada de la capa de enlace de datos para proveer un servicio de especificación de mensajes para el bus Fieldbus (FMS). El tipo de servicios FAS está descrito por el recurso de comunicación virtual (VCR). El VCR es semejante al dial de velocidad de una memoria telefónica. Para realizar una llamada internacional hay que indicar muchos dígitos, estos son: códigos de acceso, código de país, código de ciudad y finalmente el número específico. Esta información sólo necesita ingresar una vez y entonces un número de velocidad de dial es asignado. Después de la configuración, sólo el número de dial de velocidad se necesita para establecer la comunicación. Igualmente, luego de configurar, solo el número VCR es necesario para comunicarse con otro dispositivo Fieldbus. Así como existen diferentes tipos de comunicaciones telefónicas, también existen diferentes tipos de VCRs.

FALLA


48


Especificación de mensajes Fieldbuses La especificación de mensajes Fieldbus (FMS) permite utilizar aplicaciones para enviar mensajes a través de otro Fieldbus usando una configuración estándar de formato de mensajes. FMS describe los servicios de comunicación, formatos de mensajes, y comportamiento del protocolo necesario para la estructura de mensaje, para la aplicación de usuario.

Los datos comunicados sobre el Fieldbus son descritos por una “Objet description” (descripción de objeto). La descripción Objeto esta reunida en un estructura llamada “object dictionary”OD. (diccionario objeto). Dispositivo de campo virtual Un Dispositivo de campo virtual (VFD) es usado para visualización remota de datos de dispositivos descritos en el diccionario de objetos. En un dispositivo habrá a lo menos dos VFDs. El manejo de la red es parte del manejo de sistema y red. Este provee para la configuración de la comunicación de la pila “stack”. El dispositivo de campo virtual usado para el manejo de la red es también usado para el manejo del sistema. Este VFD provee acceso a la información base del manejo de redes (NMIB)y a la información base del manejo de sistemas (SMIB). Los datos de NMIB incluyen relaciones virtuales (VCR), variables dinámicas, estadísticas y manejador activo de enlaces LAS (si el dispositivo es un Link Master). Los datos

Tipo VCR Cliente _ Servidor Usado para: Mensajes de operador. Cambios de Set Point. Cambio de modo. Cambios finos. Cargas / Descargas Manejo de alarmas. Acceso a vistas de pantalla. Diagnostico remoto.

TipoVCR Distribución de reportes Usado para: Notificación de eventos y reportes de tendencias. Enviar alarmas del proceso al operador de consola. Enviar reportes de tendencia al histograma de datos.

Data Link Layer Services

Tipo VCR Publicar / Suscribir Usado para: Publicar Datos Enviar transmisión PV hacia el bloque de control PID y operador de consola

FAS (Fieldbus Access Sublayer)

Figura 5.14: Tipos de VCRs.


49


SMIB incluyen el TAG de los dispositivos y la dirección de la información, y la programación para la ejecución del bloque de funciones.

Figura 5.15 Dispositivo virtual de campo. Servicios de comunicación

Los servicios de comunicación FMS proveen un modo estandarizado para las aplicaciones tal como la función de bloques para la comunicación sobre el bus Fieldbus. Los servicios específicos de comunicación están definidos para cada tipo de objeto. La aplicación de usuario La Fieldbus Foundation tiene definido un estándar aplicación de usuario basado en “bloques”. Los bloques son la representación de diferentes tipos de funciones de aplicaciones.


50


Comunicaciones Industriale“ Sistema Delta V y Buses de Campo AS Interface, Device Net, Foundation Fieldbus y Profibus”

s 51

Figura 5.16: Aplicación de usuario basado en bloques. Los tipos de bloques usados en la aplicación de usuario son descritos en la siguiente figura

Figura 5.17 Bloques de aplicaciones de usuario.



52

A continuación se describen estos tres bloques. Bloque de recursos (Resourse Block) El bloque de recursos describe características de los dispositivos Fieldbus, nombre del dispositivo, fabricante y número de serie. Existe sólo un bloque de recurso en un dispositivo. Bloque de Funciones (Function Block) El bloque de funciones (FB) provee el comportamiento de los sistemas de control. Las entradas y salidas de los parámetros del bloque de funciones pueden enlazarse sobre el Fieldbus. La ejecución de cada bloque de funciones es exacta según el cronograma. Puede haber muchos bloques de función en una aplicación de usuario sencilla. Fieldbus Foundation tiene definido un sets de bloques de funciones estándar. Diez bloques de funciones estándar para control básico son definidos por el estándar FF-891. Estos bloques de funciones se muestran en la figura siguiente.

Nombre Bloque de funciones SímboloEntrada análoga AI Salida análoga AO Bias B Selector de control CS Entrada discreta DI Salida discreta DO Cargador manual ML Proporcional Derivativo PD Proporcional Integral Derivativo PID Ratio RA

Figura 5.18 Bloque de funciones. Los bloques de funciones pueden ser incorporados en los dispositivos Fieldbus, según el rol que debe desempeñar dicho dispositivo. Por ejemplo, Un simple transmisor de temperatura puede contener un bloque de función AI. Una válvula de control contiene un bloque de función PID además del bloque AO esperado. En las siguientes figuras se puede observar un sistema tradicional de control y un sistema basado en Fieldbus, se observa en el primero que el bloque de funciones se encuentra en el controlador, en cambio en el sistema basado en Fieldbus el bloque de funciones se encuentra en los dispositivos de campo.


Figura 5.19 Sistema de control tradicional, el bloque de funciones se encuentra en el controlador. Y sistema de control basado en tecnología Fieldbus, el bloque de funciones se ubica en los dispositivos de campo. Bloque Transductor (Transducer Blocks) El bloque transductor requiere hacer la lectura de los sensores y comandar el hardware de salida. Este bloque contiene la información tal como fecha de calibración y tipo de sensor. Existe usualmente un bloque transductor por cada entrada o salida del bloque de funciones.

Los objetos adicionales siguientes son definidos por la aplicación de usuario: Link Objects, define los enlaces entre la entrada del bloque de funciones y la salida interna hacia el dispositivo y a través de la red Fieldbus. Alert Objects, permite el reporte de alarmas y eventos en el bus Fieldbus. Además es configurable por el usuario. Trend Objects, posee las siguientes funcionalidades y beneficios:

• Los datos históricos son almacenados en el dispositivo • Los dispositivos pueden publicar datos históricos para tendencias y almacenamiento en

base de datos, otros dispositivos de la red Fieldbus pueden acceder a estos datos. View Objects, son grupos predefinidos de conjunto de bloques de parámetros que pueden ser usados por la interface hombre / máquina. La función de bloque define cuatro especificaciones por cada tipo de bloque. La siguiente figura muestra un ejemplo de cómo generalmente las variables del bloque de funciones están trazadas en las vistas VIEW.


53


Figura 5.20: Bloque de funciones trazadas en las vistas (view).

Solamente una parte del listado de parámetros de bloque es mostrado en el ejemplo. VIEWOperation Dynamic: Información requerida por el operador de planta para pone

funcionamiento el proceso. VIEWOperation Static: La información puede ser leída una vez y luego mostrada junto con

datos dinámicos. VIEWAll Dynamic: Cualquier información es cambiada y puede necesitar ser referenciad

una pantalla de detalles. VIEWOther Static: Información de configuración y mantenimiento. Definición de dispositivos Fieldbus

La función de un dispositivo Fieldbus esta determinada por el arreglo e interconexión de bloques. La funciones de dispositivos son hechas visibles al sistema de comunicación Fieldbus por el usuario. El encabezado del diccionario de objeto de la aplicación de usuario apunta a un directorio que es la primera entrada en la aplicación del bloque de funciones. El directorio provee los índices de partida de todas las otras entradas usadas en la aplicación del bloque de funciones. La descripción del objeto VFD y sus datos asociados son accedidos remotamente sobre la red Fieldbus usando VCRs. Sistema de manejo


54


Los bloques de funciones deben ejecutarse a intervalos definidos y en la sucesión correcta para corregir la operación del sistema de control. El sistema de manejo sincroniza la ejecución de los bloques de funciones y la comunicación de parámetros de bloques de funciones en el Fieldbus. Toda la información necesitada por el manejo de sistemas tal como la función de bloque de cronograma es trazada por la descripción de objeto en la red y el sistema de manejo de dispositivo de campo virtual (VFD) en cada dispositivo. Este VFD provee acceso a la información base del sistema de manejo (SMIB), y también a la información base de manejo de red (NMIB). Función bloque de cronograma Con el fin de garantizar la ejecución de los bloques de funciones en forma secuencial y cíclica, desde el punto de vista de la ejecución de cada bloque de funciones en el tiempo, se utiliza el Cronograma de ejecución, El operador de un segmento Fieldbus puede definir la secuencia de ejecución de cada bloque de funciones en cada dispositivo. Esto entrega un diagrama de tiempo, el la cual queda plasmada la secuencia de ejecución de cada bloque de funciones, además se define transmisión de los datos al siguiente bloque de función que forma parte de un enlace, lo que conforma el cronograma de ejecución.

Figura 5.21 Cronograma de ejecución del bloque de funciones. Se ejecutan tres bloques de funciones FT 110, FC 110 y VP 110.


55


Aplicación de distribución de tiempo La Foundation Fieldbus provee una función de aplicación de distribución de tiempo. El reloj de aplicación es normalmente configurado a igual hora que la hora local. La distribución del tiempo dentro de un segmento Fieldbus es ejecutado por un reloj maestro, permitiendo que todos los dispositivos conozcan el tiempo dentro de un milisegundo. Esto permite a su vez que las alarmas que generan los dispositivos cuenten con un “estampilla de tiempo” con precisión de un milisegundo. Como en un Bus Fieldbus se definen LAS y Maestros Reloj redundantes, se garantiza que en caso de falla de un LAS maestro, el LAS redundante toma el control y el sistema sigue funcionando correctamente. Configuración del Sistema

La configuración de sistemas Fieldbus consta de dos fases:

• Diseño del sistema • Configuración del dispositivo

Diseño del sistema

Los sistemas de diseño para sistemas Fieldbus son muy similares a los diseños de sistemas de control distribuido (DCS) con las siguientes diferencias:

1-. La primera diferencia esta en el alambrado físico, donde la conexión análoga punto a punto cambia de la señal de 4-20 mA a un alambrado de Bus digital donde todos los dispositivos pueden ser conectados a un solo cable.

Cada dispositivo en el Fieldbus tiene un único TAG y corresponde a una dirección en la red.

2-. La segunda diferencia es la capacidad de distribuir algunas funciones del sistema de control desde el controlador hacia los dispositivos de Fieldbus Foundation. Esto disminuye considerablemente la cantidad de controladores montados en la planta.

Figura 5.22 Sistema de Diseño Fieldbus, cuenta con dos redes Fieldbus de 32.25 Kbit/s.

Comunicaciones“ Sistema Delt

Industriales a V y Buses de Campo AS Interface, Device Net, Foundation Fieldbus y Profibus”

56


Configuración del dispositivo Una vez completado el diseño del sistema y se han escogido los instrumentos, la configuración de los dispositivos es realizada por la conexión del bloque de funciones de entrada y salida a un mismo tiempo en cada dispositivo requerido por la estrategia de control.

Figura 5.23 Configuración dispositivos.

Después de la conexión de todos los bloques de función y configuración de otros ítem como nombre de dispositivos, TAG de lazos y la proporción de ejecución de lazos ingresados, la configuración de dispositivos genera información para cada Dispositivo Fieldbus Foundation. El sistema queda en funcionamiento, una vez que cada dispositivo haya recibido su configuración correspondiente. Ventajas de las redes Fieldbus Foundation

Fieldbus Foundation genera un gran impacto en la tecnología utilizada en el control de procesos, Fieldbus Foundation se diseño para marcar el camino en la próxima generación de sistemas y productos de automatización y control. Fieldbus Foundation:

• Provee funciones avanzadas añadidas a los instrumentos. • Provee aumento de la visión del operador. • Posibilita la migración de funciones a nivel de campo. • Reduce los costos: 1. Reducción en el diseño de Ingeniería. 2. Reducción en la instalación del cableado 3. Reducción de Hardware y espacio requerido 4. Reducción de costos de mantenimiento debido al menor número de dispositivos, mayor

elección entre fabricantes y mejores diagnósticos.


57


• Reduce el equipamiento de entradas / salidas del sistema (<50%) • Proporciona un mayor flujo de información (Ingeniería, mantenimiento, funciones de

soporte, etc...) En la actualidad Fieldbus Foundation es la tecnología líder en los proceso de control debido a las bondades indicadas anteriormente.

Figura 5.24: Comparación de tecnología Fieldbus con otras tecnologías. Existen ciertos puntos diferenciadores de Fieldbus Foundation:

• Soporta seguridad Intrínseca, usa el estándar de IEC / ISA. • Posee seguridad en el intercambio de mensajes con datos de proceso, separa los datos de

proceso, críticos en el tiempo, de los que no lo son. Por ejemplo: mensajes a operadores, downloads, etc.

• Posee bloque de funciones, define que bloques de función están en un dispositivo, permite la interoperabilidad entre dispositivos.

• Es soportado por los mayores fabricantes de equipos de automatización. • La alimentación a los dispositivos se realiza mediante el mismo bus.


58


CAPITULO VI

Profibus

Profibus (PROcess FIeld BUS) es un bus industrial abierto independiente de

proveedores, creado para la comunicación entre dispositivos de campo de entrada / salida con PLCs y PCs, que sigue los estándares europeos ( de origen Alemán) EN 50170 y EN 5024, a partir de la norma DIN 19245, que aseguran tal condición, la organización que vela por este bus de campo es Profibus internacional (PI), dentro de esta organización se encuentran inscritos más de 800 participantes de todo el mundo. Este es un bus que define todas las características de una red de comunicación serie industrial. Se utiliza como medio de intercambio de información y dispositivos distribuidos en campo.

El siguiente dibujo es muy representativo del uso más habitual de Profibus.

Figura 6.1: Conexión Industrial utilizando Profibus en sus distintos perfiles. Características generales

Este bus se basa en la comunicación controlada entre maestro-esclavo. Definimos de manera particular estos dispositivos como: • Dispositivos maestros (Master Devices). Este es el dispositivo que administra la comunicación del bus. Entre estas estaciones activas rota un permiso de acceso y control que les permite enviar mensajes sin necesidad de petición a los esclavos asociados a ese maestro.


59


Figura 6.2: Sistema Delta V actuando como Maestro de la red Profibus-DP.

• Dispositivos secundarios (Slaves Devices). Periféricos asignados a los maestros. Consisten en una serie de dispositivos lo suficientemente inteligentes como para seguir las normas del protocolo, entre los que podemos encontrar: sensores, actuadores tipo relé, convertidores de frecuencia, electro válvulas, etc. Su papel es pasivo, pudiendo sólo transmitir cuando se les a ha realizado una petición previa. Suelen ocupar poco tiempo de comunicación pero son muy numerosos.

La configuración mínima puede ser: Dos maestros o un maestro y un esclavo.

Figura 6.3: Configuración de Profibus entre maestros / esclavos y paso del testigo para la información. Los datos que se desplazan por el canal físico son de 5 tipos diferentes: • Datos de entrada y de salida al proceso.


60



61

• Funciones de diagnostico y verificación. • Configuración de dispositivos. • Programas entre los controladores. • Parámetros de control.

Además de la línea de comunicación al dispositivo se le debe de dotar de corriente eléctrica que se lleva de manera conjunta con esta línea de datos.

Las principales características de Profibus, según describe la norma EN 50170 (DIN 19245) son: • Abierto. Profibus no pertenece a ninguna compañía, está controlado por un comité de estandarización, por lo tanto permite la comunicación entre equipos de diferentes marcas sin la necesidad de una pasarela (Getaway) de protocolo. • Independiente de fabricantes, los equipos para Profibus son ofrecidos por muchos proveedores los cuales han de estar certificados. • Transmisión digital. La comunicación bidireccional entre sistemas de control de procesos y dispositivos de campo es soportada a través de par trenzado, de forma habitual. • Exactitud, gracias al reconocimiento de comandos y mensajes, Profibus es un sistema de comunicación altamente seguro puesto que los mensajes defectuosos son repetidos hasta que la confirmación de recepción es enviada. • Multi-funcional, Profibus se adapta a todas las tareas de automatización, permitiendo el intercambio de datos entre controladores como entre elementos de campo. • De probada funcionalidad. • Capacidad de diagnóstico. El estándar Profibus define múltiples formas de diagnósticos entre el sistema de control de procesos y los dispositivos de campo. • Expansión del sistema. Un equipo adicional puede ser incorporado en cualquier momento al bus sin necesidad de reformar la estructura existente, incluso sin enturbiar la comunicación existente. • Bajo costo. Reduce cableado y simplifica en consecuencia los planos de estos, competencia de precios entre fabricantes al ser independiente, etc. • En constante renovación gracias a Profibus Internacional (PI). • Cubre necesidades de tiempo real. • Tiene gran compatibilidad electromagnética. • Fácil configuración. • Topología de la red: bus lineal o árbol con terminadores. • Redundancia: un segundo medio de transmisión es opcional. • Transmisión: halfduplex, asíncrona, sincronización por start/stop, sin bit stuffing. • Acceso al bus: híbrido

o Token passing (paso de testigo), entre estaciones maestras. o Maestro / esclavo entre estaciones maestras y esclavas. • Direccionamiento:

o 7 bits (rango de dirección: 0 a 127) o 127: dirección global para broadcast y multicast. o Extensión de las direcciones, parra direcciones regionales, direcciones de

segmento y direcciones de puntos de acceso a servicios (LSAP). • Servicios de transferencia:


o Acíclicas: Envía los datos with/without, reconoce envío y solicita datos de respuesta.

o Cíclicos: Envía datos en forma cíclica y espera respuesta. • Longitud de la trama:

o Hasta 255 bits por trama. o De 0 a 256 Bytes de datos de la capa 2 por cada DATA UNIT sin extensión de

dirección. • Integridad de los datos: mensajes con distancia Hamming = 4, detección de deslizamiento de sincronismo, secuencia especial para evitar pérdida y multiplicación de los datos. • Numero de estaciones: 32 por segmento y hasta 127 con repetidores. • Velocidad de transmisión: depende del medio. Modelo ISO OSI

En el modelo ISO OSI de siete niveles, la información que es recogida por el cable de transmisión, en una estación de red es transformada por los niveles superiores al ir ascendiendo. El protocolo Profibus es acorde con el modelo de referencia para sistemas abiertos OSI/ISO, como se muestra en la siguiente figura:

Figura 6.4 : Protocolo Profibus, modelo ISO/OSI.

En los buses de campo los tres niveles imprescindibles son:


62


• Nivel Físico: o Lineal serie: En Profibus DP y FMS se utiliza la interfaz RS-485 y dispositivos de

fibra óptica, pero en Profibus PA se utiliza IEC 1158-2. o Bus lineal con terminadores en ambos extremos. o

Figura 6.5: Terminador de red Profibus

o Medio de transmisión: par trenzado y apantallado. o Longitud: ≤ 1200 metros, dependiendo de la velocidad. o Numero de estaciones: 32 (maestros, esclavos y repetidores). o Velocidad: 9.6 / 19.2 / 93.75 kbits/s si longitud ≤ 1200 m 500 kbit/s si longitud

≤ 200m. o Transceiver chip: SN75176 A, DS3695 u otros.

• La longitud del bus y el Nº de estaciones puede ser incrementado mediante el uso de repetidores (amplificadores bidireccionales) • Máximo de 32 estaciones (maestras, esclavas o repetidores) por segmento de bus. • 2 topologías:

o Lineal, con un máximo de 3 repetidores entre 2 estaciones o Árbol, permite más de 3 repetidores


63


En la siguiente figura podemos ver las topologías lineal y de árbol:

Figura 6.5: Topología lineal (tres repetidores y 122 estaciones).

Figura 6.6: Topología en árbol (127 estaciones, y 5 repetidores).

• Nivel de enlace de datos Protocolos de transmisión:

o El intercambio de mensajes tiene lugar en ciclos. Un Ciclo de Mensaje (action frame), consiste en el envío de una trama por una estación maestra y el reconocimiento o la respuesta, por parte de la maestra o esclava correspondiente.


64


o Las únicas excepciones a este ciclo (ciclo sin reconocimiento) son: la transmisión de datos sin reconocimiento la transmisión del testigo

o Todas las estaciones, excepto la receptora monitorizan las peticiones pero responden cuando son direccionadas.

o El reconocimiento o la respuesta llegará dentro de un tiempo predefinido Slot Time, de no ser así el iniciador repite la petición si no es una “primera petición”.

o Un reintento o una nueva petición no se emitirá por el iniciador antes de la expiración de un periodo de espera, el Idle Time.

o Si el esclavo no responde tras un predefinido número de reintentos se marca como “no operativo” y las siguientes peticiones que se le hagan no habrá reintentos.

o Recepción del testigo: • La comunicación es siempre iniciada por la estación que posee el testigo. Todas las estaciones, excepto la iniciadora, monitorizan todas las peticiones, pero sólo responden las que identifiquen su dirección en el mensaje. • El testigo se pasa de estación en estación según el orden numérico ascendente de las direcciones de estación. • La estación con dirección más alta se lo pasa a la de dirección más baja • Cada estación (TS=This Station) conoce su predecesora (PS=Previous Station) y su sucesora (NS=Next Station).

o Estas direcciones han sido determinadas durante la inicialización y, más tarde, se aplica periódicamente un algoritmo para reconocer los cambios.

o

Figura 6.7: Rotación del testigo.

Cada estación guarda una lista de estaciones activas (LAS). Si una maestra recibe el

testigo de una estación que no está marcada en su LAS como su predecesora (PS), no lo aceptará. Si se produce un reintento de la misma PS, la estación asumirá que el anillo lógico ha cambiado y marcará la nueva maestra en la lista como su predecesora. Tiempos de rotación del testigo: • Una vez que una maestra recibe el testigo comienza a contar el tiempo de rotación real del testigo (Real Rotation Time TRR), que acabará cuando se reciba el próximo testigo.


65



66

• El tiempo máximo que debería tardar el testigo en volver es el tiempo de rotación objetivo (Target Rotation Time TTR). • Se define en función del número de estaciones maestras que pueda haber, la duración de los ciclos de mensajes de alta prioridad y un margen suficiente para los mensajes de baja prioridad y los posibles reintentos (se parametrizan con este valor todas las estaciones activas). • El tiempo de mantenimiento de testigo (Token Holding Time TTH) es el tiempo que dispone la maestra para sus tareas, en ese ciclo y es la diferencia de tiempo entre el TTR y el TRR: TTH = TTR - TRR Prioridades • El usuario de la capa FDL (la capa de aplicación) puede elegir para los mensajes dos prioridades: baja o alta. • Cuando una estación maestra recibe el testigo siempre procesa primero los mensajes de alta prioridad y luego los de baja prioridad

o Una vez que un ciclo de mensaje, sea de alta o de baja prioridad, es iniciado, siempre debe concluirse, incluyendo los reintentos si son necesarios.

o Independientemente del TRR, por cada recepción del testigo, cada estación maestra debe ejecutar al menos un ciclo de alta prioridad, incluyendo los reintentos en caso de error. • La prolongación del TTH provocada por algunos de estos casos dará lugar al acortamiento del tiempo para los ciclos de mensajes en la próxima recepción del testigo


El procedimiento para el paso de testigo es el siguiente:

Figura 6.8: Algoritmo del paso de testigo. En Profibus se tiene una gran dependencia de los tiempos que se encuentran presentes para todo tipo de mensajes y paso del testigo, por ejemplo: • Objetivos de los tiempos:

o Monitorizar la actividad del bus para determinar errores o Sincronizar las diferentes estaciones • Definición de tiempos:

o Bit Time: TBIT (Tiempo de Bit) o Idle Time: TID (Tiempo de Estado Ausente o Idle) o Slot Time: TSL o Time-out: TOUT o GAP Update Time: TGUD (Actualización del GAP) o Real Rotation Time: TRR (Tiempo de Rotación Real) o Target Rotation Time: TTR (Tiempo de Rotación Objetivo)

Servicios FDL • Los servicios de transferencia de datos son accesibles a través de la capa 2 (FDL), y los servicios de gestión, a través de la capa FMA1/2 asociada a las capas 1 y 2


67



68

• Los servicios se llevan a cabo usando una serie de primitivas (con sus correspondientes parámetros) denotadas por FDL_XXXX.request. Tras completar el servicio se devuelve al usuario una primitiva FDL_XXXX.confirm. Si ocurre algo inesperado en la estación remota se le indica al usuario por FDL_XXXX.indication. Hay cuatro servicios de transferencia de datos: SDA : (Send Data with Acknowledge), Permite al usuario en una estación maestra enviar datos a una única estación remota y recibir inmediatamente la confirmación. En la estación remota se entrega el L_sdu al usuario remoto, si se ha recibido sin errores. Al usuario local la capa FDL le envía confirmación de la recepción de los datos, si ha recibido reconocimiento de la estación remota. Si dentro del Slot Time no se recibe la confirmación, se realizará el número indicado de reintentos, tras los cuales se remitirá un reconocimiento negativo al usuario local. Entre la transferencia de los datos y la recepción de su reconocimiento ningún otro tráfico tiene lugar en el bus. SDN : (Send Data with No Acknowledge), Además de enviar datos a una única estación, permite enviar a todas las estaciones (broadcast) o a un grupo de ellas (multicast). Para estos dos casos los bits 1 a 7 de la dirección destino deben estar a 1 (dirección global 127). El grupo de estaciones para multicast se identifica por una dirección de LSAP. El usuario local recibe confirmación de la transferencia de los datos, pero no de si se han recibido correctamente. No hay reintentos, una vez que los datos son enviados alcanzan todos los usuarios remotos a la vez, pero sólo los controladores FDL que identifiquen su propia dirección y que hayan recibido sin error lo pasarán a su usuario remoto. SRD : (Send and Request Data with Reply), Permite transferir datos a una única estación remota y al mismo tiempo solicitar datos que el usuario remoto había dejado disponibles previamente. La transferencia de datos, en este caso, es opcional. Tan pronto como se recibe la trama sin error, se transmiten los datos solicitados. El usuario local recibe los datos pedidos o una indicación de que no estaban disponibles (ambos casos suponen la confirmación de la recepción de los datos transferidos) o una confirmación de la no recepción de los datos transmitidos. Entre la transmisión original y la respuesta ningún otro tráfico tiene lugar en el bus CSRD : (Cyclic Send and Request Data with Reply), La funcionalidad de este servicio es la misma que la del SRD. Las acciones se realizan cíclicamente con cada estación de las incluidas en la lista Poll List definida por el usuario local. En la lista también se deben indicar el número y la secuencia de las transferencias y peticiones. En la lista pueden aparecer repetidas las direcciones FDL, para permitir ordenar las estaciones convenientemente. Después de cada transferencia y petición se espera una respuesta o confirmación inmediata. Durante un CSRD se permiten los servicios acíclicos SDA, SDN y SRD.


• Nivel de aplicación: Es en donde se realizan las aplicaciones que permiten a los usuarios entrar en los sistemas de comunicaciones. Así se definen las funciones de las aplicaciones que utilizarán para realizar los mensajes entre los dispositivos del bus, la comunicación entre sistemas de automatización y dispositivos de campo. Así FMS contiene el protocolo de aplicaciones, y ofrece al usuario de un grupo de servicios de comunicación amplio y potente. Mediante el protocolo LLI (Lower Layer Interface, interfaz para el nivel inferior), permite a las aplicaciones acceder al nivel de enlace FDL (Fieldbus Data Link) del nivel de enlace de datos. En la siguiente figura se muestra la arquitectura de Profibus FMS según el nivel de aplicación:

Figura 6.9: Arquitectura de Profibus-FMS

Comentario [MZ1]: Aquí mismo, en la 20

• El nivel de aplicación puede dividirse en: • Interfaz de nivel de aplicación (ALI) • Relaciona el interfaz del proceso industrial concreto con el interfaz del nivel de aplicación

estandarizado en Profibus. • Relaciona objetos del proceso industrial con objetos de comunicación que son los conocidos

por Profibus • Especificación de mensajes de Fieldbus (FMS) • Implementa el protocolo entre los dispositivos • Genera y codifica las unidades de datos del protocolo (PDU) • Decodifica e interpreta la información en recepción • Interfaz de bajo nivel (LLI) • Relaciona los servicios del nivel 7 aplicación con los servicios de nivel 2 enlace de datos • Gestión de red (FMA 7).


69



70

• A través de este parte el usuario accede a las funciones de gestión de red. • FMS es una normalización de la capa de aplicación diseñada para proporcionar servicios de

mensajería entre y con dispositivos programables en entornos CIM. • Define un conjunto de objetos FMS que pueden existir dentro de un dispositivo. • Define un conjunto de servicios de mensajería para acceder y manipular estos objetos. • Define el comportamiento del dispositivo (de los objetos) frente a dicho conjunto de

servicios de mensajería. • FMS está optimizado para comunicación de propósito general. Está orientado a la comunicación de objetos entre dispositivos inteligentes a nivel de célula. • FMS es un subconjunto de las funciones MMS (Manufacturing Message Specification, ISO 9506) definidas en MAP. • Comunicaciones orientadas a la conexión pueden ser permanentes o temporales. • Las principales áreas de aplicación son: • Transmisión de gran cantidad de datos p.e. programas, bloques de datos.... • Integración varias partes del proceso descentralizadas en un proceso común. • Comunicación entre estaciones inteligentes • VFD: Virtual Field Device • Es el objeto más significativo del FMS. Es un modelo que representa de manera abstracta el

comportamiento de las máquinas reales, en sus características comunes, por lo que se refiere a su operación externa visible desde el sistema de comunicaciones.

• La finalidad de este objeto es que todos los servicios se realicen sobre este dispositivo virtual, y por lo tanto, obtener así una independencia de las máquinas reales específicas a las que estos servicios se refieren.

• La implementación específica de las transformaciones entre las directivas sobre la FD y las máquinas reales deberán organizarse de manera individualizada para cada máquina real conectada al sistema de conexiones Profibus - FMS.


El dispositivo de campo virtual es representado de la siguiente forma:

Figura 6.10 : VFD, dispositivo de campo virtual.

En el caso del DP, las funciones de aplicación disponibles para el usuario y el papel de

algunos dispositivos se especifican en la interfaz de usuario. Esta última, y para el caso del DP enlaza directamente con el nivel de enlace o nivel 2, por medio de DDLM. Perfiles.

Profibus ofrece protocolos de comunicaciones según la aplicación tanto para alta velocidad como para grandes cantidades de direccionamiento, caso de los sensores y actuadores, tanto para buses con largos tiempos de respuesta como para aplicaciones de comunicación compleja. Los tres perfiles compatibles que ofrece Profibus son: Profibus-FMS, fieldbus Message Specification

Es el perfil de comunicación capaz de manejar todas las tareas intensivas de transferencia de datos cíclicos y acíclicos, muy comunes en las comunicaciones industriales, por lo que se le considera la solución universal para la transferencia de información en el nivel superior y de campo en el modelo jerárquico de automatización. En principio, este perfil se diseño para permitir la comunicación a nivel de celda. En él, los DCSs, PLCs y PCs se comunican intensivamente unos con otros. FMS ha estado disponible desde 1990 y su certificación se encuentra englobada dentro de DIN 19245 y EN 50170. Sin Embargo, como consecuencia de desarrollos técnicos recientes y la utilización del protocolo de Internet TCP/IP en el nivel de celdas, se espera que en el futuro este componente tenga un papel menos significativo.


71


Figura 6.11 : Configuración Profibus FMS Profibus-DP, Decentralized Periphery

Es el perfil de comunicación utilizado con más frecuencia. Está optimizado para ofrecer mayor velocidad, eficiencia y bajo costo de conexiones porque fue diseñado específicamente para establecer la comunicación crítica entre los sistemas de automatización y los equipos periféricos. Con múltiples ventajas adicionales es capaz de reemplazar, tanto la transmisión paralela de señales en aplicaciones de automatización de manufactura como a la transmisión de señales analógicas de 4-20 mA o protocolo Hart utilizadas en el control de procesos. Aunque se dispone de esta modalidad desde 1993 queda también englobada dentro de las mismas certificaciones del perfil FMS. A una velocidad de 12 Mbits/seg., el perfil requiere un milisegundo para distribuir 512 bits de datos de entrada y salida entre estaciones. En el perfil se incluye extensas funciones de diagnóstico que facilitan la localización de fallas. Los mensajes de diagnóstico se transmiten sobre el bus y se recuperan en la estación maestra. A un bus DP se pueden conectar un máximo de 126 dispositivos (maestros o esclavos). Las especificaciones de configuración del sistema definen el número de estaciones, la asignación de domicilios de la estación, la consistencia de los datos de entrada / salida, el formato de los mensajes de diagnóstico y los parámetros del bus. En general, en el perfil DP se reconocen tres tipos de dispositivos: Maestro Clase 1, Maestro Clase 2 y esclavo. El primero es el controlador central que intercambia de manera cíclica información con las estaciones distribuidas, tales como PLCs o PCs. El segundo se trata de dispositivos de operación, ingeniería y configuración.

Se utilizan básicamente en la fase de mantenimiento y diagnóstico para configurar los dispositivos conectados al bus, para avaluar los valores y parámetros medidos y solicitar el estado del dispositivo. El tercero es un dispositivo periférico (dispositivo entrada / salida, interface hombre / máquina, válvula de control, transductor de medición, etc.) que recolecta información de entrada y envía información de salida a los periféricos. Hay algunos dispositivos esclavos que sólo suministran información de entrada o salida, la cual depende del tipo de dispositivo. Sólo se permite hasta un máximo de 246 bytes en datos de entrada y 246


72


bytes en datos de salida. Cuando se selecciona un bus de comunicaciones la mera velocidad de transmisión no es el único criterio de evaluación sino que se consideran otros factores tales como: la instalación sencilla, capacidad para diagnosticar el funcionamiento y tecnología de transmisión libre de errores. El perfil DP, de acuerdo con las especificaciones disponibles, satisface tales requerimientos.

Figura 6.12: Configuración Profibus-DP. Profibus-PA, process automation

Se diseño especialmente para la automatización de procesos en áreas de elevado riesgo

de explosión. Este permite que los sensores y actuadores sean conectados en un bus común. Profibus-PA permite la comunicación de datos y la alimentación sobre el bus utilizando la tecnología de dos cables según el estándar internacional IEC 1158-2.

Además, define la conducta de los dispositivos de campo durante las comunicaciones vía Profibus. Es también la modalidad dominante que se utiliza en la automatización de procesos industriales. Los perfiles de dispositivos determinan las funciones específicas de los mismos. En este perfil se definen, de manera independiente al fabricante, los parámetros y la conducta de los dispositivos de campo típicos. Tales como transductores de medición, posicionadores, válvulas de control, etc.

La descripción de funciones y el comportamiento del dispositivo se basa en el modelo de bloques de función reconocidos internacionalmente. Por tal motivo, gracias a DDL, el lenguaje para descripción de dispositivos y los bloques de función se puede proveer la interoperabilidad e intercambio de dispositivos. Esto último quiere decir que, siempre que sea compatible con Profibus, un dispositivo de un fabricante en particular puede ser reemplazado en el bus por el de cualquier otro fabricante sin necesidad de utilizar interfaces especiales. Esta modalidad fue certificada en 1995 dentro de DIN 19245 Parte 4.


73


Figura 6.13: Configuración Profibus-PA


74



75

Transmisión sin riesgos

En Profibus-PA se utiliza la tecnología de transmisión específica en IEC 1158-2. Es una transmisión síncrona a 31.25 kbit/s que satisface requerimientos muy importantes en las industrias química y petroquímica: seguridad intrínseca y suministro de energía a través del bus mediante el simple uso del cable de cobre de dos hilos. De esta manera, es posible utilizar Profibus en áreas peligrosas. Los limites y opciones de esta tecnología se encuentran definidos en el modelo FISCO, Fieldbus Instrinsically Safe concept, desarrollado en Alemania por PTB, Physikalisch Technische Bundesanstalt, Instituto Físico Técnico Federal, aunque en la actualidad, cuando se utilizan buses de campo en áreas peligrosas, es una guía aceptada internacionalmente.

Cada segmento del bus tiene sólo una fuente de energía: la unidad de suministro de energía. No se alimenta energía al bus cuando una estación esta enviando mensajes. Cada dispositivo de campo consume una corriente básica constante de 10 mA cuando se encuentra en estado estable (steady state). Se pueden utilizar tipologías lineales, en árbol y en estrella.

Para operar una red Profibus en áreas peligrosas se necesita que todos lo componentes utilizados sean aprobados y certificados de acuerdo con el modelo FISCO. Por otro lado, en el campo, se necesita utilizar un acoplador de segmento o un link que permita la transición entre los segmentos RS-485 e IEC 1158-2. Los acopladores de segmento son convertidores de señal que adaptan señales de RS-485 al nivel de señales de IEC 1158-2. Cuando se usan acopladores de seguridad en el segmento RS-485 se restringe a un máximo de 93.75 kbits/s. Cuando se emplean links no hay limites en la velocidad soportada por el segmento RS-485. Las señales de comunicación se generan en el dispositivo emisor mediante la modulación de ±9 mA. Ventajas de Profibus

• Soporta una gran variedad de equipos que van desde PC´s y PLC´s hasta robots, pasando por todo tipo de elementos de campo, la mayoria de las aplicaciones industriales gracias a las tres posibilidades que ofrece Profibus (FMS, DP y PA). Desde máquinas sencillas, pasando por aplicaciones a nivel de célula.

• Puede ser utilizado tanto en aplicaciones en las que el tiempo de respuesta de las comunicaciones es crítico, como en redes de comunicaciones complejas que involucren un gran número de necesidades de comunicación.

• Permite conectar gran cantidad de dispositivos por segmento a diferencia de lo que ocurre con Foundation Fieldbus.

• Capacidad de diagnóstico. El estándar Profibus define múltiples formas de diagnósticos entre el sistema de control de procesos y los dispositivos de campo.



76

CAPITULO VII

Comentarios y Conclusiones

• El sistema Delta V es una poderosa herramienta, lo que en conjunto con los buses de campo están logrando que los procesos industriales sean cada vez más eficientes y económicos. Este es un contolador que esta adaptado para comunicarse con cualquiera de los Buses de Campo mencionados en esta presentación y otros como Hart, Modbus, etc. Esto permite que el controlador no sea limitado a un cierto protocolo de comunicaciones, sino, es un controlador abierto que permite variados tipos de comunicaciones esto en conjunto con sus poderosas herramientas para realizar diversos tipos de control están revolucionando las comunicaciones y el control industrial.

• Esta tecnología basada en sistema Delta V y Buses de Campo en Chile ya esta siendo puesta en funcionamiento, uno de los proyectos más importante es la Celulosa Arauco Constitución ubicada en Valdivia, donde el Control se realizara mediante Delta V y la instrumentación y comunicación es Foundation Fieldbus. Cabe destacar que está Celulosa es una de las más grandes de Latinoamérica.

• Los Buses de Campo proveen de variados beneficios como reducción de cableado, mejora de la comunicaciones, etc, pero para “obtener” un provecho adecuado de ellos, estos deben ser debidamente seleccionados para que no queden sobredimensionados o subdimensionados y cumplan con los requerimientos para los que se necesitan, la intención de esta presentación es entregar una orientación respecto a cuatro buses de campo en particular y sus principales características.

• En base a lo anterior si lo que se desea es conectar elementos primarios de control como lo son actuadores y sensores, el bus de campo que se recomienda usar es As-Interface, el cual está diseñado para trabajo en terreno y transmisión de “poca” cantidad de información bit, As-i es líder a nivel de sensores y actuadores. En cambio si lo que se desea es conectar elementos superiores de control como lo son PLCs, variadores de frecuencia, DeviceNet es una buena alternativa, este es un protocolo que maneja más información y trabaja a nivel de byte, esto permite que provea información de diagnóstico lo que facilita enormemente la detección de fallas, dicha función no pueden ser realizados por buses de campo a nivel de bit, como es As-i. En un nivel superior a estos se encuentran los protocolos que trabajan a nivel de tramas de información, como lo son Profibus y Foundation Fieldbus, estos son buses de campo que agregan la capa de aplicación de usuario lo que los distingue notablemente del resto. Estos permiten calibración remota de los instrumentos, análisis status, implementación de estrategias de control en terreno (FF), pueden trabajar en ambientes explosivos (Profibus PA, FF), etc. O sea su campo de aplicación debido a la cantidad de funciones e información que manejan es muy amplia.



77

Referencias Bibliográficas: [1] Empresa Ineco, “Seminario de Sistema Delta V y Buses de Campo”, Santiago 2003. [2] Serrano C., “Sistema de Automatización DeviceNet”, Universidad de Santiago. [3] Fisher-Rosemount Systems, Inc., “Busses and Delta V System”. Emerson Process Management. [4] Smar International, “Fieldbus Tutorial, A Foundation Fieldbus Technology Overview” [5] http://www.siemens.es [6] http://www.easydeltav.com [7] http://www.profibus.com

Date post:	23-Oct-2015
Category:	Documents
Upload:	fena-endeudado-spectraeum
View:	109 times
Download:	0 times

Buses de Campo

Documents