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7/17/2019 analisis profibus

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Profibus

Este Bus de campo es un estndar de redes ampliamente utilizado a nivel

mundial, esto porque posee mltiples virtudes; tales como la compatibilidad con

mltiples elementos sensores con caractersticas inteligentes, Vlvulas decontrol, subredes como AS-i e interaces de usuario, etc! Este protocolo de

comunicaci"n es abierto, por los cual muc#os abricantes pueden comunicarse

entre s $ as procurar una interoperabilidad eiciente!

Este sistema nace apro%imadamente entre los a&os '()* $ '((+ bao el

inisterio .ederal Alemn de /nvestigaci"n $ 0ecnologa $ en conunto a una

gran cantidad de abricantes de elementos de automatizaci"n! Su establece

como estndar bao la norma Alemana 1/2 '(345 con las partes ' $ 3,

posterior a eso, la norma Europea E2 5+'*+ Volumen 3 ratiica este estndar;

tambi6n participa la 7omisi"n Electrot6cnica /nternacional /E7 8''5) 9 /E7

8'*)4-' para el protocolo de comunicaci"n e /E7 8'*)4-5 9 /E7 8'(') para

los conectores!

Algunas de las caractersticas ms relevantes de este protocolo son la

posibilidad de coniguraci"n, puesta en marc#a $ diagn"stico de errores $

allas; estas se soportan en base a la coniguraci"n de nodos, base de datos,

taretas de comunicaci"n sicas $ otras, con las cuales se logra realizar las $a

nombradas tareas $ acilitar los procesos de levantamiento de sistemas de

automatizaci"n!

Este protocolo posee un m6todo de acceso por paso de testigo con maestro-

esclavo a una velocidad de transmisi"n comprendida entre los (,8 :bitss-'3

bitss dependiendo del medio de transmisi"n de los datos, tales como elmodo el6ctrico que consta de dos #ilos apantallados, el "ptico que posee

cables de .< =cristal $ plstico> $ sin #ilos =inrarroos>!

0opologa

?a topologa de este protocolo puede ser de manera simple en orma de bus

lineal o en orma de rbol, en el que los repetidores estn constituidos como

nudo de partida de una e%pansi"n del bus!


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?a cantidad m%ima de nodos que se pueden conectar en cada tramo del bus,

sin tener la necesidad de incluir repetidores, alcanza el nmero de @3! A eectos

de limitaci"n, los repetidores cuentan como un nodo! El nmero de nodos que

soporta el bus es de '3*, en los que solo @3 pueden ser nodos activos!

Arquitectura protocolar

Este protocolo est basado en una serie de normas reconocidas! Su

arquitectura est basada en el modelo


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F1F =Fequest 1ata Dit# Fepl$> ensaes punto a punto cu$a unci"n es la de

solicitar datos a uno de los esclavos!

SF1 =Send and Fequest 1ata>ensaes punto a punto que permiten enviar

datos $ recibir datos de un esclavo! ?a respuesta a uno de estos mensaes estcondicionada por el tiempo total de ciclo del testigo entre todos los nodos

activos!

ensaes acclicos Estos mensaes tienen como inalidad acortar el tiempo de

respuesta de los datos crticos! A cada turno de aestro se puede enviar un

mensae de diusi"n conteniendo los valores crticos de todos los esclavos! ?a

lista de estos valores es conocida por todas las estaciones maestras en una

tabla! ?os mensaes pueden ser de 3 tipos

7F1F =7$clic Fequest 1ata Dit# Fepl$>!

7SF1 =7$clic Send and Fequest 1ata>!

Ventajas de Profibus

roibus posee una serie de ventaas, estas se deben a que es un protocolo de

comunicaci"n apto para dar soluci"n a todos los niveles de control, por lo tanto,

es necesaria la distribuci"n de tareas bien deinidas $ no centralizadas en un

solo elemento! Es por esto que roibus tiene distintas versiones, las cuales

trabaan en unci"n de las necesidades del usuario $ de los alcances que se

deban adoptar!

?as versiones de roibus son

- roibus .S =.ieldbus essages Speciications>


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Esta versi"n est dise&ada para un gran nmero de aplicaciones $

comunicaciones al nivel de c6lula, lugar donde los 7Gs $ ?7Gs se

comunican entre s!Bsicamente es la modiicaci"n de roibus 1 pero con tecnologa apta

para trabaar en ambientes peligrosos donde e%istan riesgos dee%plosi"n =seguridad intrnseca>!Esta versi"n permite la cone%i"n de sensores $ elementos inales de

control conectados a una lnea de bus comn en reas especialmente

protegidas!?a tecnologa que aplica esta destinada a reemplazar el estndar en

lazo 4-3+ mA establecido en instrumentaci"n $ control!

El uso de estas distintas versiones depende de la necesidad de

transmisi"n de datos a trav6s de una planta o proceso especico, $ la

elecci"n correcta brindara las meores soluciones de control a nivel tanto

de campo $ interoperaci"n entre controladores!


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Estructura de roibus segn necesidades!

Profibus DP

En el presente /norme 06cnico 1igital, se detallara especicamente laversi"n roibus 1, $a que es el sistema primordial que se utilizara para

eectos de traspaso de inormaci"n a trav6s de la planta =Feactor> $ la

sala de control donde estarn dispuestos los equipos!

1, es el peril id"neo para trabaar a nivel de campo, esto $a que posee

criterios importantes! Estos son

- Su capacidad de ser diagnosticado ante alguna alla o problema

presente en la red o en algn equipo o dispositivo, esto producido por

alguna complicaci"n dentro de las etapas del proceso o un accidente el

cual pueda da&ar uno de esto elementos de la red!

- Alta inmunidad a posibles intererencias que puedan generarse

eventualmente; especicamente los conocidos campos

electromagn6ticos!


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- Se caracteriza por ser amigable a nivel de coniguraci"n, maneo $

construcci"n de la red que soporta este protocolo!

?a metodologa que utiliza roibus para tener acceso a la red, es el

sistema que se conoce como aster-Slave =aestro-Esclavo>, en el cuale%iste un elemento controlador con caractersticas de alta potencia, el

cual realiza las unciones de maestro de la red $ que puede soportar

#asta '3* dispositivos conectados que poseen uncionalidad de

esclavos!

?os elementos conocidos como maestros son equipos con

caractersticas inteligentes $ que tambi6n son llamados estaciones

activas; $ su unci"n es controlar la red por medio de interrogaciones

sincronizadas a cada uno de sus esclavos, este sistema es conocido

como toen passing =paso de testigo>! ?os elementos esclavos son

estaciones pasivas, como m"dulos de entradasalida, aunque en

algunos casos tambi6n es posible conectar un aut"mata programable

como esclavo, $ que espera la conirmaci"n $o pregunta proveniente

desde el maestro; esto se debe a que bao esa condici"n no tienen

control sobre la red ni la capacidad de iniciar una comunicaci"n!

E%isten tambi6n dos categoras distintas que caracterizan a los

dispositivos dispuestos como maestros $ uno para los elementos

esclavos de la red, estos son

- 1' aestro 1 de clase '! Est conigurado como el elemento

central $ posee las capacidades para controlar a sus esclavos

conectados en su red $ tambi6n intercambia datos con las estaciones

descentralizadas =esclavos 1>, en base a un ciclo deinido $ peri"dico!

- 13 aestro 1 de clase 3! Son estaciones que tienen la unci"n de

coniguraci"n $ diagn"stico! Se usan durante el proceso de puesta en

marc#a, para conigurar los sistemas 1, o para realizar intervenciones


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durante el uncionamiento! Este tipo de maestro puede leer datos de

entrada, datos de salida $ datos de coniguraci"n de los esclavos!

- Esclavo 1 Es una unidad de perieria que puede leer entradas,

normalmente dispositivos de control, mando $ detecci"n, $ enva

inormaci"n a las salidas que se encuentren conectadas a 6l,

comnmente elementos de comando!

Estructura de los elementos presentes en la red

Caractersticas fsicas del estndar Profibus DP

- 6todo de acceso aso por testigo con maestro-esclavo!

- Velocidad de transmisi"n (!8 :bitss 9 '3 bitss!- 0iempo de datos Entre 5 $ '+ ms!- Volumen de datos Casta 348 b$tes!- edio de transmisi"n 7able de dos #ilos apantallado, cables de

ibra "ptica =cristal $ plstico> e inrarroo!- %! nI de nodos @3 estaciones por segmento $ #asta un total

de '3*!- 0ama&o de red El6ctrica a%! (!8 :m dependiendo de la

Velocidad! Jptica '5+ :m dependiendo de la

Velocidad!


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7able roibus 1

El cable de comunicaci"n roibus 1 posee aislaci"n de olioleina celular,

pantalla de Beldoil de '++K de cobertura ms alambre de drenae, malla de

cobre esta&ado de 85K $ c#aqueta de .F- V7 @++V *5L7!

Este cable esta dispuesto en FS-4)5, por lo tanto obedece a las

especiicaciones tpicas de ese elemento, no obstante, las caractersticas de

velocidad son entregadas por el protocolo en s!

Estructura de cable roibus

7omunicaci"n

?a comunicaci"n requiere especicamente que los dispositivos est6n

conectados a la red!


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Estructura tpica de cone%i"n de dispositivos!

Antes de conectar los elementos a la red dispuesta, es necesario

realizar la coniguraci"n $ programaci"n de cada equipo de manera

individual #aciendo uso del cable de programaci"n apropiado para cada

uno de ellos, lo anterior debido a que no se posee una tareta de

comunicaci"n roibus integrada a la computadora desde la cual se

realiza la coniguraci"n!

Eemplo de cables para cada elemento

El uso de las interaces entre dispositivos es primordial al momento de realizar

las coniguraciones especicas para cada elemento de la red, esto $ que cada

elemento trabaa bao sus propios t6rminos, $a sean velocidades, taretas de

comunicaci"n, niveles l"gicos de voltae, etc!


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ara los elementos que sern utilizados para el dise&o del sistema de control

aplicado al reactor qumico convertidor de gases, corresponden a la arca

S/EE2S AM!, la cual utiliza sotDare nativos de la marca para realizar la

programaci"n del ?7 =rogrammable ?ogic 7ontroller>, para el Variador de

recuencia $ para la pantalla C/ =Cuman ac#ine /nterace>!

Elementos a utilizar en el pro$ecto

?os equipos que sern utilizados en el sistema, son gran parte de la marca

S/EE2S AM, $a que nos proveen de las aplicaciones necesarias para

establecer la topologa de control propuesta $ poseen los elementos sicos

acorde con las necesidades del proceso, considerando la criticidad de las

variables presentes $ su rpida evoluci"n en ciertas condiciones de operaci"n;

sin dear de lado la seguridad intrnseca que requieren!

?7 S* @++ 7N @'5-3dp:Nn ?7 es un dispositivo que tiene la capacidad de

controlar diversos procesos, monitorear variables, tomar decisiones en base a

los programas que posea cargados, administrar redes de comunicaci"n, etc!

Este plc es un equipo modular $ ampliable que puede ser usado en grandes

aplicaciones donde sean necesarias muc#as entradas $ salidas! En conunto a

esto, posee la capacidad de realizar la comunicaci"n directa a una red por

medio de la salida integrada $ as conectar los elementos propuestos a la red

sin algn tipo de pasarela o convertidor de se&al!

?7 s* @++ cpu @'5-3dp

Estaci"n remota E0-3++ Este tipo de dispositivo orece sistemas de perieria

descentralizada =ES remotas> mu$ diversos, tanto para soluciones en panel


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el6ctrico remoto, o directamente en la mquina, as como para su uso en

ambientes potencialmente e%plosivos!

?a estructura modular permite ampliar los sistemas E0 3++ de orma sencilla $

en peque&os pasos! ?os m"dulos adicionales que pueden integrarse reducenlos costos $ poseen muc#as opciones de aplicaci"n! ?as posibilidades de

combinaci"n son los siguientes entradassalidas digitales $ anal"gicas,

m"dulos inteligentes con uncionalidad de 7N, unciones de seguridad,

arrancadores de motor, sistemas neumticos, variadores de recuencia, as

como diversos m"dulos tecnol"gicos!

"dulo E0-3++

/7F


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Variador de recuencia Siemens micromaster 44+

Caractersticas de la seal Profibus DP

FS-4)5

Este sistema se puede deinir como un sistema en bus de trasmisi"n multipunto

dierencial! Su uso especicamente para transmitir datos a altas velocidades a

trav6s de largas distancias, $ entre canales ruidosos, $a que disminu$e los

ruidos que aparecen en las tensiones que se producen en la lnea de

transmisi"n!

El medio sico que utiliza para la trasmisi"n es un par entrelazado que soporta

#asta @3 estaciones en un solo #ilo, $ a una distancia m%ima de '3++ metros

trabaando entre @++ $ '(3++ Bits!

En este estndar #a$ dos canales independientes conocidos como A $ B, que

transmiten niveles de voltae iguales, pero con polaridades opuestas =V


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conductor a tierra de este sistema de comunicaci"n es la gran ventaa de la

se&al dierencial observe en la igura 'a que la se&al transita con las ases

invertidas en los conductores del cabo, mientras el ruido transita con la misma

ase! En los terminales de entrada del ampliicador dierencial, la se&al de

comunicaci"n roibus llega en modo dierencial $ el ruido en modo comn,

rec#azndolo! or lo tanto, la ma$ora de todo el ruido inducido en el cable, en

general de origen electromagn6tico, ser rec#azado!

Se&al transportada por cable roibus

Posibilidades de conexin en campo de la red Profibus

Este protocolo, as como muc#os de los otros que e%isten en el mercado, tienela posibilidad de conectar sus dispositivos de distintas maneras; sin embargo,las caractersticas antes mencionadas, as como las velocidades, cantidad deequipos, etc!, no varan!

Al #ablar de topologa, consideramos como est dise&ada la red, sicamente

=por caractersticas en su #ardDare> o bien l"gicamente =basndose en las

caractersticas internas de su sotDare>! ?a topologa de red es la

representaci"n geom6trica de la relaci"n entre todos las ramas $ los

dispositivos que los enlazan entre s =#abitualmente denominados nodos>!

ara el da de #o$, e%isten al menos cinco posibles topologas de red bsicas

malla, estrella, rbol, bus $ anillo!


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?as topologas utilizadas por roibus son

- Estrella- Prbol- Bus

- Anillo

1isposiciones de las distintas topologas

0opologa Estrella

En esta topologa, cada dispositivo posee un enlace punto a punto dedicadocon el controlador central, normalmente llamado concentrador $ que en eectos

de Bus de campo se nombra como terminador! ?os elementos no estn

directamente enlazados entre s, sino a un concentrador o #ub central,

ormando un segmento! ?as se&ales de cada elemento conectado son

enviadas al #ub $ luego enviadas a todos los otros dispositivos conectados!

?a topologa en estrella no permite el traspaso de inormaci"n directo de

dispositivos! El controlador acta como un intercambiador, si un elemento


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quiere enviar datos a otro, enva los datos al controlador, el cual deriva la

inormaci"n al dispositivo inal!

El controlador usa sistemas de iltrado $ conmutaci"n parecidos a los utilizados

por las puertas de enlace, /nspecciona las direcciones de origen $ destino de

los mensaes, genera una tabla que le permite saber qu6 equipo se conecta a

qu6 puerto del controlador =en general este proceso se #ace por auto

aprendizae, es decir, de manera automtica pero el administrador del

controlador puede realizar austes adicionales>!

El buen uncionamiento de la comunicaci"n requiere que el tiempo de ida $

vuelta entre dos estaciones indeinidas de la red, $ que no supere el tiempo que

demora en emitirse la trama mnima permitida! Este tiempo, que depende de lavelocidad de la red, ia a su vez unas distancias m%imas entre las estaciones!

0opologa tipo estrella

0opologa Prbol

Esta disposici"n de red se caracteriza por que los nodos estn colocados en

orma de rbol! Si lo observamos de manera topol"gica, la cone%i"n en rbol es

parecida a una serie de redes en estrella interconectadas, e%cepto por que no


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tiene un nodo central! A su vez, tiene un nodo de enlace troncal, normalmente

ocupado por un #ub o sDitc# , desde el que se ramiican los dems nodos, al

que #a$ conectar las redes de manera individual en bus! or lo tanto, esta

topologa posee caractersticas de otras topologas pero con disposiciones de

elementos especicos!

0opologa tipo rbol

0opologa Bus


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?a topologa en bus es multipunto! El cable roibus acta como una red

troncal que conecta todos los equipos e instrumentos en la red! Este cable es el

medio sico por el cual las se&ales el6ctricas provenientes de los elementos

que conorman la red transmiten datos de las condiciones de las variables que

estn midiendo; este cable es comn para todos los dispositivos conectados $

transporta todas las transmisiones entre los dispositivos!

0opologa tipo bus roibus

0opologa Anillo

En una red en anillo, cada elemento posee dos QvecinosR en el sentido de

sistema de comunicaci"n! 0oda la inormaci"n presente en la red viaa a trav6sde un anillo conormado por la disposici"n de los dispositivos $ sus cone%ionespropiamente tal! ?os datos transmitidos recorren la red en una misma direcci"n,$a sea de izquierda a derec#a o viceversa; por lo tanto, una alla en cualquiertramo del anillo rompe la comunicaci"n en todo el sistema!


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0opologa tipo anillo roibus

Profibus PA (Process Automation

En eectos de acceso a los elemento de campo; especicamente a lostransmisores propuestos para realizar las mediciones de las variablespresentes en el proceso de conversi"n de 1i"%ido de Azure =S a 0ri"%ido deAzure =S, es necesario el uso de otro bus de comunicaci"n a ese nivel; estopor la e%igencia de precisi"n, coniabilidad, seguridad $ velocidad deprocesamiento de dic#as variables sicas! or estas razones es que seutilizar el protocolo roibus A, que es una e%tensi"n de roibus 1, perocon la caracterstica de seguridad intrnseca $ velocidad de transerencia de@'!35 :bitss!

or esta raz"n, la cone%i"n ente ambas redes no es complicado, $a que si la

velocidad de roibus 1 es cercana a la de A, solo es necesario utilizar unconversor de medios, por lo que la cone%i"n se #ace de un modo transparente!

El maestro de la red 1 tiene comunicaci"n de manera directa con los nodos

de la red A, usando las mismas direcciones; por lo tanto, la comunicaci"n es

directa!

7on el uso de roibus en procesos industriales permite a#orrar #asta un 4+ K

de los costos en planiicaci"n, cableado $ mantenimiento, adems de generar

un incremento de la uncionalidad $ de la seguridad de las comunicaciones!


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En la siguiente igura podemos observar una comparaci"n entre un sistema

convencional de control basado en estndar 4-3+mA $ un sistema utilizando

roibus

Bloque de unciones A

Este protocolo soporta intercambiabilidad e interoperabilidad de los elementos

de campo A desde dierentes abricantes! Este peril utiliza el bloque de

unciones internacionales para describir las unciones $ tareas de los

dispositivos $ los parmetros! ?os bloques de unciones representan dierentes

capacidades $ prestaciones aplicables a las ES anal"gicasdigitales! Adems

de las especicas unciones de bloques, dos de estas son utilizables para

acceder a las especiicaciones de los dispositivos, el bloque sico $ el bloque

de transductores! ?os parmetros de las ES pueden ser obtenidos a trav6s del

bus $ enlazados desde estas unciones de bloques del nivel de aplicaci"n! El

bloque sico, contiene inormaci"n general tal como el nombre del dispositivo,

abricante, versi"n, $ nmero de serie! El bloque de transductores, contiene

datos especicos, tales como parmetros de correcci"n, etc! En el bloque de E

anal"gica =A/>digital =1/>, se proporciona el valor de la se&al por el sensor, con

el estado $ la escala! En el bloque de S anal"gica =Adigital =1, se aplica

una salida anal"gica especiicada por el control del sistema! Nna aplicaci"n

contiene varias unciones de bloques! ?as unciones de bloques estn


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integradas dentro de los dispositivos de campo inteligentes por el abricante del

dispositivo $ son accesibles a trav6s de la comunicaci"n roibus!

Arquitectura F


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Arquitectura con Acoplador 1A

Acoplador 1A ?inEste tipo de acopladores estn compuestos por

- "dulo interaz roibus 1 / '5@-3 Cig# .eature!- Casta 5 acopladores 1A =E% iT o .17 '5*-+>!

Si se usan elementos de bus activos en calidad de bus de ondo es

posible conectar $ desconectar m"dulos durante la marc#a, como

tambi6n el dise&o redundante del m"dulo de interaz roibus 1!El acoplador propuesto conecta roibus 1 $ A $ desconecta o

desacopla las velocidades de transmisi"n!or esa raz"n, 1 puede alcanzar una velocidad de transmisi"n de

#asta '3 bitss!


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Arquitectura con acoplador 1A ?in

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