Apuntes Buses de Campo

8/19/2019 Apuntes Buses de Campo

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UNIVERSIDAD DE SANIAGO DE CHILEINGENIERIA ELECTRICA

Sistema Delta V y Buses de Campo

AS_ Interface Device Net

Foundation Fieldbus y Profibus

Profesor: Manuel Valenzuela PonceAlumnos: Mauricio Grandón

Iván MontanaresJuan Sepúlveda


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Comunicaciones Digitales en el Ambiente de la CIM.“ Sistema Delta V y Buses de Campo AS Interface, Device Net, Foundation Fieldbus y Profibus”

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CAPITULO I

Introducción

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

representante de Emerson Process Management en Chile. El seminario estaba centrado enel sistema Delta V y los buses de campo utilizados por este controlador.El trabajo estará orientado principalmente a mostrar una visión del funcionamiento

de cuatro de los principales Buses de Campo, los cuales son As Interface, Device Net,Foundation Fieldbus y Profibus. El sistema Delta V de igual forma será tratado pero demanera superficial, otro grupo se encargara de explicar este controlador.

Los buses de campo en la actualidad son lideres en las comunicaciones industrialesdebido a las caracteristicas positivas que estos poseen. La elección entre un bus u otro va adepender de la aplicación que se quiera realizar, es así como se tienen buses para losdiferentes niveles de automatización de la planta.

Lo que persigue este trabajo es entregar una guía de las principales caracteristicas delos buses de campo más destacados de cada nivel y los cuales son compatibles con elsistema Delta V.


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CAPITULO II

Buses de Campo

¿Qué es un Bus de Campo?

Un Bus de campo es un sistema de transmisión de datos(información) quesimplifica enormemente la instalación y operación de máquinas y equipamientosindustriales utilizados en procesos de producción.

Objetivo de un Bus de Campo

Sustituir la conexiones punto a punto entre los elementos de campo y el equipo decontrol a través del tradicional bucle de corriente de 4_20 mA. Típicamente son redesdigitales, bidireccionales, multipunto, montadas sobre un bus serie, que conectandispositivos de campo como PLC’s , transductores, actuadores y sensores. Cadadispositivo de campo incorpora cierta capacidad de proceso, que lo convierte en undispositivo inteligente. Cada uno de estos elementos será capaz de ejecutar funcionessimples de diagnostico, 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, reducirlos costos y mejorar la eficacia. Para lograr esto se basa en que la información que envían yreciben los dispositivos de campo es digital, lo que resulta mucho mas preciso que si serecurre 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 engeneral sobre cualquier anomalía asociada al dispositivo. Esta monitorización permiteaumentar la eficacia del sistema y reducir la cantidad de horas de mantenimientonecesarias.

Buses de campo Existentes

Debido a la falta de estándares, diferentes compañías han desarrollado diferentessoluciones, 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 diferentesrequerimientos de aplicación y tipo de dispositivos. Estos tres niveles son nivel de bit, nivelde byte y nivel de trama, lo que se aprecia en la siguiente figura.


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Figura 2.1 :Categorías de los Buses de Campo.

Estas tres categorías son llamadas Sensorbus, Devicebus, Fielbus respectivamente.

a.- Sensorbus: Muchos dispositivos discretos necesitan para transmitir únicamente algunos bits de información y en el mismo tiempo, switchs, botoneras, partidores de motores y otrosdispositivos simples “no tan inteligentes”. Una red Sensorbus transmite mensajes a nivel de

bits hacia el controlador.

Existen un bloque I/O como en As_i, que permite a varios sensores o actuadoresestar conectados en un nodo.Los buses de campo que se ubican en esta clasificación son: FIP I/O, Seriplex y

As_i, este ultimo será abordado en profundidad 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 bidireccionalentre dispositivos de niveles superiores, estas redes son generalmente empleadas donde unacantidad considerable de información es requerida o se necesita diagnostico de losdispositivos.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 describiránen detalle los buses DeviceNet, y Profibus DP &FMS.

c.- Fieldbus: Las redes fielbus son diseñadas para realizar una comunicación bidireccionalentre sensores y actuadores inteligentes y sistemas de control.

Uno de los objetivos de las redes Fieldbus es ser el reemplazo digital para latransmisión 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, lasredes Fieldbus típicas tienen baja velocidad de transmisión en comparación a las redesDevicebus y Sensorbus.

Otro punto diferenciador es la adición de la capa de aplicación (capa 7 del modeloOSI). El protocolo Fieldbus Foundation y Profibus PA, serán descritos en profundidad másadelante.


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CAPITULO IIISistema Delta V

¿Qué es Delta V?

DeltaV es el desarrollo más avanzado existente hoy en el marcado industrial para elcontrol de procesos. Está fabricado con tecnologías estándares y abiertas. DeltaV es másque 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 controldisponibles en módulos con ensamble "drag-and-drop", fácil de usar, optimiza la inversiónreduciendo el capital y costos de ingeniería, operación, entrenamiento y, mantención actualy futura. El controlador Delta V es parte de la arquitectura Plant Web la cual pertenece a laempresa Emmerson.

Delta V dentro de la arquitectura Plant Web provee de revolucionarios resultados enel 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 Webcon un sistema DCS tradicional, aquí se observara que el concepto de Plant Web se basa enla inteligencia de la planta y el control en terreno. La segunda figura muestra un red dedispositivos conectados al controlador Delta V mediante diversos protocolos decomunicación como lo son: Hart y Foundation Fieldbus H1.

Figura3.1 : Filosofía Plant Web versus DCS, se puede observar que Plant Web se basa en lainteligencia en terreno, y además se observa el controlador Delta V com parte de esta

filosofía.


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Figura3.2: Controlador Delta V, conectado a elementos de terreno mediante módulos Hart yFoundation Fieldbus H1, y al PC Workstation mediante una red Ethernet de Alta Velocidad

HSE

El controlador Delta V

Figura3.3: Controlador Delta V

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

• 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 delcontrolador soportan condiciones ambientales severas debido a que esta construidocon elementos electrónicos del más alto nivel.

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

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


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mencionados anteriormente el control de bus o sea el rol de maestro es realizado porel controlador Delta V. Profibus DP, FMS Y PA serán abordados más adelante.

Figura3.4: Se observa un Controlador Delta V montado con módulos paracomunicación mediante Fieldbus Foundation (FF) y Bus As:i

j) Módulo H1 Smart Carrier-. Este modulo se utiliza para permitir la comunicación deseñales de entrada / salida discretas con un segmento Fieldbus Foundation H1. Estemódulo soporta un máximo de 16 señales discretas para ser comunicadas. Con elsegmento Fieldbus. A segmento Fieldbus que

se comunica con tarjetaFieldbus del sistemaDelta V

Figura3.5: Modulo H1 Smart Carrier

Señales DiscretasEntradas / Salidas

k) Red de Control del Delta V-. Para comunicar el PC Workstation con el controladorDelta V se debe establecer un enlace Ethernet de uso exclusivo del sistema DeltaV,esta red puede ser redundante(se recomienda) para que el controlador no pierda enningún momento comunicación con la estación de trabajo “Workstation”. Cuando ladistancia entre el controlador y el PC Workstation no es demasiado grande, elenlace de la red Ethernet es del tipo 10 base T o Dual Speed 10/100 Base T, lo cualdependerá de los Hubs o Swiches que se utilizarán para la conexión. En caso de queel controlador se encuentre en zonas de condiciones ambientales severas el PCWorkstation no se podrá ubicar en las cercanías del controlador, con lo cual la redEthernet tendrá otras características..Como se menciono en algunas ocasiones el controlador Delta V queda montado enlugares de gran contaminación o áreas peligras, razón por la cual en dicho sector no

se puede ubicar el PC Workstation, para reparar este inconveniente se crea un redEthernet que enlaza el controlador Delta V con el PC Workstation, la red Ethernetse puede crear con un largo máximo de 2Km. Para evitar interferencias de origenelectromagnético en la red esta, se debe realizar con enlace de fibra óptica.

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


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CAPITULO IVBuses de Campo a nivel de Bit

Bus de Campo As_i

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

El bus AS-Interface es una red estándar de mercado, robusta y suficientementeflexible, 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 redAS-Interface representa “los ojos y los oídos” para el control del proceso, pero utilizandotécnicas de comunicación industrial.

Figura 4.1: Nivel donde se ubica As_iHoy 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 eldesarrollo de la red, y los fabricantes más importantes en este campo han decidido apostar

por la red ASInterface.Con todo esto se tiene garantizado el futuro de la instalación.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 deautomatización. Dentro de todas las técnicas de automatización, representa la solución mássencilla y económica.

Antes de que se empezase a desarrollar un sistema de bus para el nivel inferior decampo (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 debíanconectar al sistema de bus, serían fabricados por una gran cantidad de fabricantes

diferentes, lo que podría provocar que no todos los componentes de la red fuesen capacesde funcionar a la vez en el sistema.


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

En este primer paso de la red ASInterface se creó la asociación “ASInterfaceAssociation”. La función principal de esta asociación es la estandarización internacional dela red, el desarrollo tecnológico posterior y la certificación de los productos realizados porlos diferentes fabricantes.

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

homologado, si tiene el sello “ASInterface” 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 parasensores, 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 estánsobredimensionados o son demasiado potentes, por lo que difícilmente podían serutilizados. Utilizan cables de conexión demasiado caros o inadecuados para su conexióndirecta al proceso (por ejemplo, cables de fibra de vidrio, cables apantallados o poco

flexibles), y las velocidades de transmisión son demasiado elevadas. Los protocolosde datos no son deterministas o la electrónica de control está sobredimensionada cuando setrata de conectar participantes de red con pocas señales binarias. Debido a esto hay queconectar una gran cantidad de equipos binarios a la red, con el correspondiente aumento decosto.

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 datostransmitidos 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 sersencillo, 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 ambientalesexigentes (IP65/HIP67) como dentro de los armarios de distribución (IP20). Además puedesoportar temperaturas entre -25º y +85º.


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Figura 4.2: A pesar de qInterface posee un g

Protocolo

Sistema maestro simple

La red AS-Interface setécnica de polling cíclicomaestro) en toda la re de todos los

participantes de la jo y concreto polling).

ue exista polvo, humedad o temperaturas extremas, la red AS-rado de protección IP65 y soporta todo lo que “le echen.”

ha creado como un sistema maestro simple, utilizando la. Esto quiere decir que sólo existe un módulo de control (el

d. Este maestro consulta y actualiza los datos red (los esclavos), empleando para ello un tiempo fi

Figura 4.3: Configuración ínima para una red As_im


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Figura 4.4: Red As-i, donde el controlador Delta V es el maestro de la red.

La redEstos

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

r. Los telegramas de datos tienen una estructura fija y una longituddeterm

de 5 milisegundos, en caso de que el sistemaesté ocupado al máximo con 31 esclavos (cada uno de ellos gestionando 4 bits de entrada y4 bits de salida). En las redes As_interface que cumplen con la nueva especificación 2.1, eltiempo máximo de ciclo es de 10 milisegundos, utilizando 62 esclavos con 4 bits de entraday 4 bits de salida. Este tiempo es más que suficiente para la mayoría de los sistemas decontrol, y se puede considerar como “tiempo real”. El procedimiento de consulta entre elmaestro y los esclavos es determinista, es decir, se puede asegurar que el maestro va arefrescar los datos de cada esclavo conectado a la red en un intervalo de tiempodeterminado y conocido.

Capa Física

Transmisión de datos

El cable de transmisión de datos utilizado es un simple cable a 2 hilos, sin pantalla ysin hilo PE. Para lograr inmunidad al ruido, la transmisión se hace basándose n unacodificación Ma ce en pulsos decorriente, que producen pulsos positivos y negativos en la tensión de alimentación, queindican

nivel de campo inferioinada. 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 paravolver a consultar de nuevo a un esclavo, es

enchester. La señal con la codificación Manchester se tradu

las transmisiones en la señal. A partir de la detección de dichas transiciones sereconstruye la secuencia de bits transmitida.


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Figura 4.5: Codificación de la información en el bus As_i.

El cable característico para la red ASInterface es un cable plano y perfilado, el cual permite un montaje sencillo y eficiente gracias a un sistema de conexión totalmenteinnovador (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.

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

imitaciones en cuanto a la estructura (topología de red). La red AS nterface se puedeontar en árbol, línea, punto

a estánd r hasta un máximo de 31vo puede gestionar hasta 4 señales de entrada y 4 señales de salida (es

ecir, s d).

ñales de entrada y 186salida en toda la red).

s sensores inteligentes, con el chip de AS-Interface integrado, poseen una únicairecci

lm

-I a punto o línea con ramificaciones.ar de ASInterface se pueden conectaEn un sistem

sclavos. Cada esclaed e pueden tener hasta 124 señales de entrada y 124 señales de salida en toda la reEn 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 deentrada y 3 señales de salida (es decir, se pueden tener hasta 248 seseñales de

Lod ón de red y se comportan con relación al maestro como esclavos “normales”.


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Componentes A

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 redtal 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 decontrol del controlador(Controlador As_i, Delta V, PLC, etc.).

El esclavo de AS-Interface reconoce los bits de datos enviados por el maestro y ledevuelve sus propios datos. En un esclavo de AS-Interface estándar se pueden conectarhasta 4 sensores binarios de entrada y hasta 4 actuadores binarios de salida. Los esclavosinteligentes son aquellos que ya tienen integrados el chip de AS-Interface en el propiosensor 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 4.6: Topologías redes As_is_i

ace. Marca Siemra instalación en

Figura 4.7: Esclavos As_interf ens.a) Para armario de distribución b) Pa terreno


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Maestros

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

Él mismo organiza el tráfico de datos en el cable ASInterface y, en caso necesario, pone los datos de los sensores y actuadores a disposición del PLC o de un sistema de bussuperior (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 envíainformación al computador Workstation, como se aprecia en la siguiente figura.

Figura 4.8: 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, osupervisar la red constantemente y suministrar datos de diagnóstico.

En contraposición con otros sistemas de bus más complejos, la red ASInterface seconfigura 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.

Figura 4.9: Maestro de red As_i, Marca Siemens

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17Net, Foundation Fieldbus y


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Pasarelas

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

Para esto se necesita una pasarela (por ejemplo, el DP/AS-i-Link), la cual funcionacomo 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 alsistema 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 cabletiene una marca especial que lo caracteriza. La sección del cable es fija y asimétrica, y seencarga de transmitir los datos de toda la red y la alimentación a los sensores conectados enla red. Para los actuadores se necesita una alimentación auxiliar (tensión auxiliar de 24 VDC o 230 V AC). Para poder utilizar la misma técnica de instalación que con el cableamarillo, se utiliza un cable con las mismas características pero con un color diferente. Porejemplo, 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 uncable redondo estándar sin hilo PE.

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

Figura 4.10: Cables para redes As_i

Fuente de alimentación

La fuente de alimentación para la red AS-Interface suministra una tensión entre 29,5V DC y 31,6 V DC. La fuente cumple con la normativa IEC para “baja tensión conseparación galvánica (PEVL)”. La separación galvánica (PEVL) cumple con la normativa

IEC 742-1. Esta normativa también cumple con los requerimientos para la resistenciacontra cortocircuitos permanentes y sobrecargas.


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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 ASInterface se envían en forma de impulsos,utilizando una modulación Manchester(como se menciono anteriormente). Esta modulaciónse encarga de modular la tensión continua en la red. Cada segmento de red AS-Interfacenecesita su propia fuente de alimentación. Normalmente las salidas de la red se alimentan através del cable negro perfilado. Para este cable se puede utilizar una fuente de

alimentación normal de 24 V DC que cumpla con la especificación PELV (cable de protección a tierra).

También existen fuentes de alimentación mixtas: Con un solo equipo se suministrala 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, peroesta puede extenderse mediante repetidores y extensores hasta una longitud máxima de300m.

Repetidores

En caso de que la instalación necesite más de 100 metros, se puede ampliar la redcon 2 repetidores en serie hasta un máximo de 300 metros, 100 metros por cada nuevosegmento. El repetidor trabaja como un amplificador de señal. Los esclavos se puedenconectar 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 separacióngalvánica entre ambos segmentos de red, de tal forma que se aumenta la selectividad encaso de cortocircuito.

Figura 4.11: Red Así ampliada mediante un repetidor

Figura 4.12: Repetidores para red As_i, marca PEPPERL+FUCHS

Comunicaciones Digitale “ Sistema Delta V y Buse

19s en el Ambiente de la CIM.s de Campo AS Interface, Device Net, Foundation Fieldbus y Profibus”


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Extensores

El cable de AS-Interface se puede ampliar por medio de un extensor más unrepetidor. En esta configuración (Controlador – Extensor – Repetidor) no se puede conectarningún esclavo entre el Controlador y el extensor, pero tampoco se necesita ninguna fuentede alimentación en este segmento. Por eso, los extensores son recomendables cuando setiene mucha distancia (pero siempre menos de 300 metros) entre la instalación y el armario

de distribución donde está conectado el controlador.

Figura 4.13: 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 redASInterface.

Los esclavos utilizados en la red poseen 2 partes: La placa de montaje en la parteinferior y el propio módulo en la parte superior. Entre ambas se coloca el cable, como sitratase 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 deseguridad.

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

Así funciona: Cada uno de los módulos posee un par de pequeños pinchos(mostrados en la siguiente figura), los cuales penetran a través de la goma aislanteque rodea al cable plano de AS-Interface y contactan de forma segura con el hilo de cobreinterior. En caso de que se quite el esclavo de esta posición de la red, se retiran los pinchosdel 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.


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Figura 4.14: 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 queasegura que componentes de diferentes fabricantes sean compatibles entre sí.

• Está especialmente diseñada para el nivel “más bajo” del proceso de control. Lared 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 elmaestro “demora” 5mili segundos en consultar y esperar la respuesta de todoslos esclavos, esto permite obtener la información en “tiempo real”.

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

perforación del cable.• As_i es la red mas eficiente y económica para comunicar interconectar

elementos en el nivel más bajo de la planta.


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CAPITULO VBuses de Campo a nivel de Byte

Device Net

Tras el desarrollo de Device Net por Allen-Bradley en 1992, y su lanzamiento almercado en 1994 se fundo la organización independiente “ODVA” (asociación abierta devendedores de Device Net), en la actualidad existen alrededor de 300 fabricantes asociadosa ODVA alrededor del mundo, lo que permite tener una amplia gama de opciones aladquirir un sistema Device Net.

Device Net basa su funcionamiento en el bus de campo CAN, de probadatrayectoria en los circuitos de control de automóviles, por su robustez, inmunidad al ruidoresistencia a la vibración, a los golpes, y a las temperaturas extremas . La red CAN tiene laflexibilidad necesaria para las necesidades de hoy y del futuro, gracias a que basa sucomunicación 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, sinoque son destinados a la masiva producción de automóviles.

ODVA define Device Net como un enlace de comunicación de bajo costo paraconectar 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 entrecomponentes 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 diagnostico de dispositivosdiscretos. Esto se puede observar en la figura 2.1.

El Nivel Físico

El bus de campo DeviceNet es lineal con derivaciones múltiples, esto permiteagregar o remover con facilidad los componentes de la red sin afectar el funcionamiento delsistema. Cada red DeviceNet soporta 64 nodos, de los cuales uno de ellos es la tarjeta deInterfaz para transformar la información serial del bus en datos disponibles en el bus

paralelo del microprocesador de la plataforma lógica “PC o PLC”, en el caso delcontrolador DeltaV, el bus de campo se conecta en la tarjeta DeviceNet, donde el sistemaDelta V es el maestro y los dispositivos los esclavos. Para grandes sistemas que requierenmás de 64 nodos basta con instalar tarjetas adicionales al controlador, cada tarjetasoportando 63 nodos en la red.


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Figura 5.1: Derivaciones de una red Device Net.

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 enambientes severos, estos son prefabricados con extremos roscados que agilizan la labor deconexionado, garantizando una protección contra errores de alambrado por estar provistosde una clave mecánica para una forma de ubicación única. Además se requiere instalarterminadores en los extremos de la red necesarios para mantener balanceada la impedanciadel alambrado y procurar una mínima atenuación de las señales dentro del bus, esteterminador es de 121 ohm, 1% y ¼ W de película metálica.

Figura 5.2: Conector Tipo Abierto y Sellado

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


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Figura 5.3: 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 contarcon varias fuentes en la red, para asegurar la continuidad de servicio en caso de que falleuna de ellas.

Figura 5.4: Red Device Net con una única Fuente de PoderPara 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 cabletroncal 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 cableincluye un par trenzado que soporta la energía de la fuente de 24 v a lo largo de la red, masun par trenzado para la transmisión de datos un quinto hilo sirve de blindaje y a la vezcomo conductor de puesta a tierra. En el caso del cable grueso los conductores para laalimentación de 24 V son de calibre 15 AWG, mientras que los conductores de señal son decalibre 18 AWG.


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Figura 5.5 Cable de comunicación.

En el caso del cable mediano el calibre del cable de datos es 20 AWG y el dealimentación 17 AWG. En el caso del cable delgado se utilizan los cables 22 AWG paraalimentación y 24 AWG para datos.

La capacidad máxima del cable no se basa en la capacidad de los conductores, sinoen 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 lacaída de tensión producidas a lo largo del sistema. Los limites aceptables de voltaje en laslineas de alimentación son de 25 Vdc máximo y 11 Vdc minimo. El estrandar Device Nethabla de una caída de tensión máxima de 10 V, distribuido equitativamente entre losconductores V- y V +. Luego, conforme aumenta la longitud de la red, aumenta también lacapacitancia y por tanto disminuye la velocidad de respuesta.

DeviceNet soporta tres velocidades de red 125, 250 y 500 kbps, la longitud delcable de extremo a extremo de la red para transmitir a estas velocidades se puede observaren la siguiente tabla:

Velocidad 125 kbps 250 kbps 500kbpsLongitud cablegrueso

500 m 250 m 100 m

Longitud cablemediano

300m 250m 100m

Longitud cabledelgado

100 m 100 m 100 m

Longitud máximapor ramal

6 m 6 m 6 m

Longitud por ramalmáximo acumulado

156 m 78 m 39 m


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del campo de prioridades(en el dibujo es el cuarto bit puesto que el primero es el bitde inicio de marco), pierde su oportunidad de seguir transmitiendo datos y produceuna 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 5.7: Mecanismo de priorización no destructiva.

El campo de prioridad puede tener una de las cuatro formas mostradas en lasiguiente 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 otrostipos 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 enel campo de mensaje. A este tipo de mensaje se le llama mensaje de grupo 1. Loscuatro bits en el campo de identificación de mensaje de grupo 1 se aplican amensajes de entrada / salida, subdivididos como mensajes de cambio de estado,cíclicos, de interrogación individual o interrogación grupal.

Figura 5.8: Organización del campo de prioridad según numero de identificación de tipomensaje.

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 númerosde nodo repetidos o mensajes de reconocimiento de elemento maestro. Los mensajesde 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 sólocon un nodo a la vez y no se hace necesario aplicar la detección de colisiones dedatos.El bit final del campo de prioridad, llamado “RTR”, no es empleado en DeviceNet.


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Figura 5.9: Interrogación Individual de los nodos en la red.

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

Figura 5.10: Interrogación grupal de los nodos en la red.

Puesto que el maestro no tiene que emitir la misma orden de interrogación repetidasveces se optimiza el uso del bus. Generalmente los dispositivos que actúan con este tipode comunicación son los sensores del sistema.

En las redes peer to peer, que generalmente son del tipo “paso del testigo”, cadadispositivo transmite la información solo en el momento en que tiene su tiempoasignado, según su numero de nodo o su prioridad programada por el usuario.

Otro modelo de comunicación es el denominado como Múltiple maestro. Porejemplo, 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 tiempodefinido 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 uncambio Físico en su estado. Opcionalmente se puede programar un reporte de datos enel modo cíclico para verificar que el elemento esta activo. Este método de reporte dedatos es el indicado para optimizar el uso del bus en aplicaciones discretas, ya quereduce el trafico de datos haciendo posible que otros nodos puedan enviar sus mensajesen menos tiempo.

La mensajería cíclica puede aplicarse en redes del tipo Maestro / Esclavo, Múltiplemaestro y peer to peer.


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Ventajas de las redes Device Net.

A continuación se presentan algunas de las ventajas que hacen de un sistemaDevice Net una opción atractiva en aplicaciones de control de procesos industriales.• Device Net es ideal para aplicaciones de control de maquinarias: Por sus

características propias de protocolo, Device Net es una red a nivel de Bytes conamplia capacidad para encargarse del control discreto del equipo en una línea de

producción, así como las señales analógicas que se presentan típicamente enaplicaciones de control de maquinarias. A diferencia de las redes a nivel de bits,Device Net provee información de diagnostico para facilitar la localización yreparación de fallas.

• Device Net es una red abierta: Para el usuario final este punto es de crucialimportancia pues implica que no depende sólo de un proveedor para podersolucionar su problema de control. Se garantiza la conectividad suficiente paraintegrar múltiple productos, que con tecnologías convencionales normalmentetendría que comprar de fabricantes diferentes(y con protocolos incompatibles). Sereduce el inventario de repuestos gracias a al compatibilidad de productos. Tieneasegurado el respaldo técnico de más de un proveedor.

• Reducción de costos de programación y puesta en marcha: Device Net cuenta con

programas de configuración sumamente amigables para reducir al máximo eltiempo de configuración de red. La programación ofrecida para las aplicaciones decontrol por PC se basan en el uso de diagramas de flujo, además de la

programación tradicional por diagrama escalera. Estas herramientas facilitantambién la depuración de programas a la hora de realizar la puesta en marcha.

• Disminuyen los costos de mantenimiento: Los elementos de campo tieneinteligencia propia para advertir un problema antes que suceda una falla causandoserios daños, perdida de productos, a un largo tiempo de reparación de al máquina.

• Reducción de l tiempo de paro: Todos los nodos Device Net poseen mensajes deautodiagnóstico para una inmediata localización del elemento dañado. El cambiodel componente puede hacerse con la red energizada, con gran facilidad gracias alas conexiones roscadas en la red.

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

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

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

• Control por PC: Device Net se ha desarrollado con tarjetas de Interfaz para PLCs yPCs. El uso de un computador para el control del sistema conlleva numerosasventajas, como la posibilidad de integrar el sistema con otro tipo de programas de

control e interfaces de operario en la misma máquina( HMI, Human MachineInterface: interfase hombre máquina) la plataforma abierta del PC facilita la


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expansión del sistema, así como la compartición de información por medio de basesde datos comunes a otras secciones de la instalación. El PC posee una Interfazgráfica incorporada que permite configurar y controlar el sistema desde un solo

punto.

• El controlador Delta ofrece tarjetas Device Net que permiten conectar los diversosdispositivos Device Net con el controlador, lo que permite aplicar todas las

herramientas que ofrece Delta V, los cuales son Interfaz gráfica, determinación delas estrategias de control, alarmas, registro de históricos, configuración del sistema,etc.


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CAPITULO VIBuses de Campo a nivel de Trama


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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 campointeroperable internacionalmente. Éste sirve como una red de área local (LAN) para losdispositivos de control e instrumentación convirtiéndose en el nivel básico de las redesdigitales en la jerarquía de red de una planta o fábrica. El bus de campo Fieldbus se empleatanto en procesos como en aplicaciones de automatización de fabricación teniendoincorporada 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. Esimportante conocer la diferencia: El crecimiento de las tecnologías de comunicación digitalha hecho aparecer una amplia gama de redes a nivel de dispositivos las cuales se puedendividir en redes de bus, de sensores o en redes de bus de actuadores o CAN basadas en I/Oy en redes de control. Mientras que esto vale para trabajos de automatización discretos,éstas 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 unareducción en el costo de las instalaciones. Además, se busca un estándar bus de campointernacional que sea la base de todos los productos de instrumentación y control de maneraque sea un protocolo de bus de campo abierto y sin propietarios con lo que cualquiercompañía que lo desee lo pueda instalar. Por "sin propietario" se entiende queFOUNDATION Fieldbus no está controlado por ninguna compañía ni estándar impuesto,todo lo contrario, está controlado por una organización formada por más de 120 fabricantesy usuarios líderes en el sector de los aparatos de control e instrumentación.

Existen importantes diferencias entre esta tecnología y otros buses de campo. Fieldbus eslíder en cuanto a aplicaciones críticas se refiere. Los usuarios de esta tecnología tienen laventaja de que al ser un protocolo independiente, nunca podrá ser cambiado por unfabricante de manera individual. Este bus de campo proporciona ventajas significativas enla automatización, reduce el hardware así como el cableado, permite accesos remotos másrápidos. Con todo esto y con la tecnología adaptada gana en competitividad frente a otrosusuarios que trabajan sobre otro tipo de buses. Todos aquellos sectores o fábricas quetengan que utilizar buses de campo en sus instalaciones se verán reforzados al utilizar estetipo de buses.


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Beneficios de utilizar Fieldbus

Reducción de Hardware

La Foundation Fieldbus utiliza el estándar de “Bloques de Funciones” paraimplementar las estrategias de control. Los bloques de funciones son funcionesestandarizadas de automatización. Muchas funciones del sistema de control semejantes aentradas analógicas(AI), salidas analógicas(AO) y control Proporcional / Integral /

Derivativo, son ejecutados por los dispositivos de campo a través del uso de bloque defunciones.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 unaforma integrada y con menor cableado.

La distribución del control en los dispositivos de campo reduce la cantidad de I/O yequipamiento de control necesario incluyendo tarjetas, gabinetes y fuentes de poder.

Figura 6.1.1: Reducción de Hardware, comparación entre la estructura tradicional yFieldbus.

Instalación

El estándar Fieldbus Foundation permite conectar muchos dispositivos con un parsimple de alambres. Esto trae como consecuencia la utilización de una menor cantidad decables. Los cables utilizados por Fieldbus soportan seguridad intrínseca, en base al estándarIEC/ISA.

Figura 6.1.2. Cableado tradicional versus cableado Fieldbus.

En el cableado tradicional se tiene un cable por cada dispositivo, y en el cableado Fieldbusse tiene un cable para varios dispositivos. En el primero, una variable, una dirección, y enFieldbus Multivariables y bidireccional.


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Cantidad y calidad de los datos

En los sistemas de automatización, la totalidad de la información disponible alusuario no va mas allá que las variables de control. En Foundation Fieldbus , la totalidad esmas grande, debido principalmente por la facilitación de la comunicación digital. AdemásFieldbus 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 limites de los dispositivos de campo,resultando un lazo de control de mejor funcionamiento y menor degradación.

Los Dispositivos Fieldbus conceden Múltiples variables desde cada dispositivollevándolas 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 laescasa distorsión características de las comunicaciones digitales, permiten mejorara lascapacidades del control, que permiten mejorar la producción.

Mantenimiento

La auto prueba y capacidad de comunicación del microprocesador del dispositivoFieldbus, 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.

Interoperatibilidad

Foundation Fieldbus es además un protocolo abierto, esto significa que, dispositivosde diferentes fabricantes son capaces de trabajar a la vez.

Esta capacidad de operar con múltiples dispositivos, independientemente delfabricante en el mismo sistema sin una mínima perdida de funcionalidad es llamadainteroperatibilidad.

Tecnología Foundation Fieldbus

La tecnología Foundation Fieldbus se distribuye tres partes:• La capa física.• La comunicación “stack” o pila.• La aplicación de usuario.

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


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Figura 6.1.3: 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 comunicación de pila o Stack esta comprendida de la capa 2 y 7 en el modelo

OSI.• El protocolo Fieldbus Foundation no utiliza las capas 3, 4, 5, 6 del modelo OSI.• La “Aplicación” no esta definida por el modelo OSI. Fieldbus Foundation tiene un

uso específico a la “aplicación” del modelo.• 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 Commisión) 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 yviceversa. Las señales Fieldbus son codificadas usando la técnica bifásica Manchester-L. La señal es llamada “serie sincrónica” porque la señal de información de reloj esinsertada en la corriente de serie de datos. El dato es combinado con la señal de reloj paracrear la señal Fieldbus.


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Figura 6.1.4. 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 elfin de la transmisión. El preámbulo es usado por el receptor para la sincronización internadel reloj con la entrada de la señal Fieldbus.

N + N-

Figura 6.1.5: 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 la señales N+ y N- no son transmitidas en el medio del bit. El receptorutiliza 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 decampo y viceversa. Como se indico anteriormente esta capa se basa en los estándares de

IEC e ISA (IEC1158-2 e ISA-S50.02). Estas especificaciones permiten múltiplesvelocidades en la comunicación y los dispositivos son alimentados eléctricamente por la


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• En cada segmento a lo más se pueden instalar 4 repetidores• Topología: Bus / Árbol

Figura 6.1.7: Topologías de bus y árbol de redes Fieldbus Foundation conectadas alsistema de control Delta V.

H2_ High Speed Ethernet.(HSE)

Un dispositivo de conexión es utilizado para interconectar buses Fieldbuses de31.25Kbit/s y hace de acceso a la espina dorsal de la Ethernet de alta velocidad (HSE) de100 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 lossubsistemas pueden ser conectados al Fieldbus de 31.25Kbit/s o al HSE.

Figura 6.1.8: Configuración de red HSE.

Comunicaciones Digi “ Sistema Delta V y Bus

tales en el Ambiente de la CIM.es de Campo AS Interface, Device Net, Foundation Fieldbus y Profibus”

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Todos los mensajes Fieldbus Foundation de 31.25Kbit/s son comunicados con la redHSE usando los protocolos estándar de Ethernet ( TCP/IP, SNTP, SNMP, etc.), paraimplementar estas redes se utilizan gabinetes para instalar los Routers o Switch usados

para crear grandes redes Ethernet. Todo las partes del trayecto de la HSE pueden serinstalados en forma redundante según el nivel de tolerancia que se necesite para laaplicación.

Figura 6.1.9: Elementos utilizados en la red HSE.

La comunicación “stack” o pila:

A continuación se describirá la operación de las capas en el stack decomunicaciones.

La Capa de enlace de datos (DLL)

La capa 2, la capa de enlace de datos (DLL), controla la transmisión de mensajessobre el bus Fieldbus. La DLL maneja el acceso de datos al bus Fieldbus mediante una listadeterministica centralizada llamada Cronograma Activo de Enlaces LAS (Link ActiveScheduler).

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 enLAS, pero puede ejecutar bloques de funciones.


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Figura 6.1.10: 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 un LAS

primario (Link master Activo), y un LAS secundario (Link master stand_by). Sí puedehaber más de un dispositivo LM o Básico y mediante un puente se pueden interconectar dossegmentos 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 unsegmento.

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 estarcíclicamente transmitiendo.

Cuando es el tiempo de un dispositivo para enviar información al buffer, El LASobliga 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 endirección a todos los dispositivos del bus Fieldbus. Cualquier dispositivo que esteconfigurado para recibir el dato es llamado un “ suscriptor” (subscriber).

Figura 6.1.11: Esquema de comunicación programada.

Comunic “ Siste

aciones Digitales en el Ambiente de la CIM.ma Delta V y Buses de Campo AS Interface, Device Net, Foundation Fieldbus y Profibus”

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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 unmensaje de señal de permiso al dispositivo, PT (Pass Token). Cuando el dispositivo recibeel Pass Token, este es autorizado a enviar el mensaje hasta que este haya finalizado o hastaque el tiempo de permiso máximo finalice.

Pass Token

Figura 6.1.12 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 sininterrumpir las comunicaciones. El LAS envía mensajes de prueba (PN) a los nodos hacialas direcciones que no están en la lista. Sí un dispositivo esta presente en la dirección yrecibe el PN, este inmediatamente retorna un mensaje de respuesta de prueba (PR). Sí eldispositivo responde con una PR, el LAS agrega el dispositivo a la “Live List” y confirmaesta adición enviando al dispositivo un mensaje de activación de nodo.

El dispositivo permanecerá en la “Live List” mientras éste responda correctamente alos PTs enviados por el LAS. El LAS remueve dispositivos de la “Live List” si eldispositivo no usa el token o este retorna inmediatamente al LAS después de tres intentossucesivos.

Cuando un dispositivo es agregado o removido de la “Live List”, El LAS difundelos cambios de la “Live List” a todos los dispositivos. Esto permite a cada dispositivomantener actualizada una copia de la “Live List”.


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Tiempo de sincronización de enlace de datos

El LAS periódicamente emite un mensaje con el tiempo de distribución (TD) sobreel bus Fieldbus, así todos los dispositivos tienen exactamente el mismo tiempo de enlacede 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 deusuario están basadas en la información obtenida de estos mensajes.Señal de permiso (Token Passing)

El LAS envía un mensaje de señal de permiso (token pass) PT a todos losdispositivos de la “Live List”. El dispositivo es autorizado a transmitir mensajes no

programados cuando recibe el PT.

LAS Redundante

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

FALLA

Figura 6.1.13: 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 deenlace de datos para proveer un servicio de mensajes específicos para el bus Fieldbus (FMS). El tipo de servicios FAS esta descrito por el enlace virtual de comunicación (VCR).

El VCR es semejante al dial de velocidad de una memoria telefónica. Para realizaruna llamada internacional hay que indicar muchos dígitos, estos son , códigos de acceso,código de país, código de ciudad y finalmente el número especifico.

Esta información sólo necesita ingresar una vez y entonces un numero de velocidadde dial es asignado.

Después de la configuración, sólo el número de dial de velocidad se necesita paraestablecer la comunicación. Igualmente, luego de configurar, solo el numero VCR esnecesario para comunicarse con otro dispositivo Fieldbus.


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Así como existen diferentes tipos de comunicaciones telefónicas, también existen diferentestipos de VCRs.

Tipo VCR Cliente _ServidorUsado para:Mensajes de operador.Cambios de Set Point.Cambio de modo.Cambios finos.Cargas / DescargasManejo de alarmas.Acceso a vistas de pantalla.Diagnostico remoto.

TipoVCRDistribución dereportesUsado para:

Notificación deeventos y reportes detendencias.Enviar alarmas del

proceso al operador deconsola.Enviar reportes detendencia al

Data Link Layer Services

Tipo VCRPublicar / SuscribirUsado para:Publicar DatosEnviar transmisión PVhacia el bloque decontrol PID yoperador de consola

FAS (Fieldbus Access Sublayer)

Figura 6.1.14. Tipos de VCRs.

Especificación de mensajes Fieldbuses

La especificación de mensajes Fieldbus (FMS) permite utilizar aplicaciones paraenviar mensajes a través de otro Fieldbus usando una configuración estándar de formato demensajes. FMS describe los servicios de comunicación, formatos de mensajes, ycomportamiento del protocolo necesario para la estructura de mensaje, para la aplicación deusuario.

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 datosde dispositivos descritos en el diccionario de objetos. En un dispositivo habrá a lo menosdos VFDs.

El manejo de la red es parte del manejo de sistema y red. Este provee para laconfiguración 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 proveeacceso a la información base del manejo de redes (NMIB) y a la información base delmanejo 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


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Link Master). Los datos SMIB incluyen el TAG de los dispositivos y la dirección de lainformación, y la programación para la ejecución del bloque de funciones.

Figura 6.1.15 Dispositivo virtual de campo.

Servicios de comunicación

Los servicios de comunicación FMS proveen un modo estandarizado para lasaplicaciones 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 deaplicaciones.

Figura 6.1.16:Aplicación de usuario basado en bloques.

Comunicaciones Digitales en el“ Sistema Delta V y Buses de Ca

44 Ambiente de la CIM.mpo AS Interface, Device Net, Foundation Fieldbus y Profibus”


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Los tipos de bloques usados en la aplicación de usuario son descritos en la siguiente figura

Figura 6.1.17 Bloques de aplicaciones de usuario.

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 numero de serie. Existe sólo un bloque de recurso en undispositivo.

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 puede enlazarse sobre elFieldbus. La ejecución de cada bloque de funciones es exacta según el cronograma. Puedenhaber 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 definidas por el estándar FF-891.

Estos bloques de funciones se muestran en la figura siguiente.

Nombre Bloque de funciones SímboloEntrada análoga AISalida análoga AO

Bias BSelector de control CS

Entrada discreta DISalida discreta DO

Cargador manual MLProporcional Derivativo PD

Proporcional Integral Derivativo PID

Ratio RAFigura 6.1.18 Bloque de funciones.


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Los bloques de funciones pueden ser incorporados en los dispositivos Fieldbus,

según el rol que debe desempeñar dicho dispositivo. Por ejemplo, Un simple transmisor detemperatura 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 puedeobservar un sistema tradicional de control y un sistema basado en Fieldbus, se observa enel 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 decampo.

Figura 6.1.19 Sistema de control tradicional, el bloque de funciones se encuentra en elcontrolador 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 elhardware de salida. Este bloque contiene la información tal como fecha de calibración ytipo 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 internahacia el dispositivo y a través de la red Fieldbus.

Alert Objects, permite el reporte de alarmas y eventos en el bus Fieldbus. Además esconfigurable 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 almacenamientoen base de datos, otros dispositivos de la red Fieldbus pueden acceder a estos datos.


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provee los índices de partida de todas las otras entradas usadas en la aplicación del bloquede funciones.

La descripción del objeto VFD y sus datos asociados son accedidos remotamentesobre la red Fieldbus usando VCRs.

Sistema de manejo

Los bloques de funciones deben ejecutarse a intervalos definidos y en la sucesióncorrecta 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 demanejo de dispositivo de campo virtual(VFD) en cada dispositivo. Este VFD provee accesoa la información base del sistema de manejo(SMIB), y también a la información base demanejo 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 enel 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 deejecución de cada bloque de funciones, además se define transmisión de los datos alsiguiente bloque de función que forma parte de un enlace, lo que conforma el Cronogramade Ejecución.

Figura 6.1.21 Cronograma de ejecución del bloque de funciones. Se ejecutan tres bloquesde funciones FT 110, FC 110 y VP 110.

Comunicaciones “ Sistema Delt

Digitales en el Ambiente de la CIM.a V y Buses de Campo AS Interface, Device Net, Foundation Fieldbus y Profibus”

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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 unmilisegundo. Esto permite a su vez que las alarmas que generan los dispositivos cuentencon un “estampilla de tiempo” con precisión de un milisegundo. Como en un Bus Fieldbusse definen LAS y Maestros Reloj redundantes, se garantiza que en caso de falla de un LASmaestro, el LAS redundante toma el control y el sistema sigue funcionado correctamente.

Configuración del Sistema

La configuración de sistemas Fieldbus consta de dos fases:• Diseño del sistema• Configuración del dispositivo

Diseño del sistemaLos 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 todoslos dispositivos pueden ser conectados a un solo cable.

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

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

Figura 6.1.22 Sistema de Diseño Fieldbus, cuenta con dos redes Fieldbus de 32.25 Kbit/s.

Comunicaciones D “ Sistema Delt

igitales en el Ambiente de la CIM.a V y Buses de Campo AS Interface, Device Net, Foundation Fieldbus y Profibus”

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Configuración del dispositivo

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

Figura 6.1.23 Configuración dispositivos.

Después de la conexión de todos los bloques de función y configuración de otrosítem como nombre de dispositivos, TAG de lazos y la proporción de ejecución de lazosingresados, la configuración de dispositivos genera información para cada DispositivoFieldbus Foundation.

El sistema queda en funcionamiento, una vez que cada dispositivo haya recibido suconfiguración correspondiente.

Ventajas de las redes Fieldbus Foundation

Fieldbus Foundation genera un gran impacto en la tecnología utilizada en el controlde procesos, Fieldbus Foundation se diseño para marcar el camino en la próximageneración 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 cableado3. Reducción de Hardware y espacio requerido

4. Reducción de costos de mantenimiento debido al menor numero de dispositivos,mayor elección entre fabricantes y mejores diagnósticos.


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• Reduce el equipamiento de entradas / salidas del sistema(


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

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

Figura6.2.3: Configuración de Profibus entre maestros / esclavos y paso del testigo para lainformación.

Los datos que se desplazan por el canal físico son de 5 tipos diferentes:• Datos de entrada y de salida al proceso.• 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 corrienteeléctrica que se lleva de manera conjunta con esta línea de datos.

Las principales características de Profibus, según describe la norma EN 50170 (DIN19245) son:• Abierto. Profibus no pertenece a ninguna compañía, está controlado por un comité deestandarización, por lo tanto permite la comunicación entre equipos de diferentes marcassin 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 formahabitual.• Exactitud, gracias al reconocimiento de comandos y mensajes, Profibus es un sistemade comunicación altamente seguro puesto que los mensajes defectuosos son repetidos

hasta que la confirmación de recepción es enviada.


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• Multi-funcional, Profibus se adapta a todas las tareas de automatización, permitiendoel intercambio de datos entre controladores como entre elementos de campo.• De probada funcionalidad.• Capacidad de diagnóstico. El estándar Profibus define múltiples formas dediagnósticos entre el sistema de control de procesos y los dispositivos de campo.• Expansión del sistema. Un equipo adicional puede ser incorporado en cualquiermomento al bus sin necesidad de reformar la estructura existente, incluso sin enturbiar lacomunicación 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, reconocimiento de envío y solicitadatos 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 dedeslizamiento de sincronismo, secuencia especial para evitar pérdida y multiplicación delos 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 cablede transmisión, en una estación de red es transformada por los niveles superiores al irascendiendo.

El protocolo Profibus es acorde con el modelo de referencia para sistemas abiertosOSI/ISO, como se muestra en la siguiente figura:


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Figura6.2.4 : Protocolo Profibus, modelo ISO/OSI.

En los buses de campo los tres niveles imprescindibles son:• Nivel Físico:

o Lineal serie: En Profibus DP y FMS se utiliza la interfaz RS-485 ydispositivos de fibra óptica, pero en Profibus PA se utiliza IEC 1158-2.

o Bus lineal con terminadores en ambos extremos.

Figura 6.2.5: 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 ≤ 200 m.o Transceiver chip: SN75176 A, DS3695 u otros.

• La longitud del bus y el Nº de estaciones puede ser incrementado mediante el uso derepetidores (amplificadores bidireccionales)


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• Máximo de 32 estaciones (maestras, esclavas o repetidores) por segmento de bus.•

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