Curso sobre Controladores LógicosProgramables (PLC).

Por Ing. Norberto Molinari.

Entrega Nº 27.

Capitulo 5.

Redes Digitales de Datos en Sistemas deControl de Procesos.

5.10.2.1 El comité ISA SP50.El comité ISA (Instruments Society of America) SP50 fue el responsable de una tareade normalización actualmente muy difundida: desarrolló la norma SP50.1 quenormalizó la señal de 4 a 20mA, allá por 1975. El comité fue reconvocado en 1984 parauna nueva tarea, la normalización del FieldBus. El objetivo era establecer una normapara protocolo de comunicaciones digital, serial y bidireccional para sensores yactuadores inteligentes montados en áreas de proceso. Un objetivo adicional era que elnuevo protocolo debía permitir el uso del cableado ya instalado.

En forma simultánea la IEC (International Electrotechnical Commision) empezó atrabajar en el desarrollo de un FieldBus, con la comisión SC65WG6.

Pronto ambos institutos unificaron sus fuerzas, y muchos miembros de unacomisión formas parte también de la otra.

Para su diseño, el FieldBus fue dividido en distintos niveles según el modelo ISO / OSI.De los 7 niveles del modelo, el comité SP50 implementa solo tres: el nivel físico, el deenlace de datos y el de aplicación. Los demás niveles son omitidos. Además se agregaun nuevo nivel, el nivel de usuario, que es el que permite la íntercambiabilidad deinstrumentos.

Este nivel consiste en una detallada descripción de la base de datos que identifica lafunción de un equipo, por medio de bloques funcionales como “entrada analógica”,”lazo PID”, y otros. Como veremos, este concepto de 8° nivel o “capa del usuario”también es incluido en el desarrollo de ISP. Cada nivel es estudiado por un subcomité, yaprobado por separado.

El desarrollo del FieldBus SP50 resultó extremadamente lento, debido a la grancantidad de usuarios y proveedores que participan de los comités con voz y voto. Seesperaba que la primer revisión de esta norma sea emitida en 1995, permitiendo así eldesarrollo de productos basados en la misma.

5.10.2.2. La norma alemana Profibus y el grupo ISP

Profibus, o Process FieldBus, es una norma alemana para FieldBus, que contó con elaporte inicial de Bosch, Klockner-Moeller y Siemens. Ya existen más de 100 empresasque cuentan con productos ProfiBus. La definición del ProfiBus se basó en la tecnologíadisponible: RS-485 para el nivel 1, IEC 955 para el nivel 2, y un subconjunto de MMSpara el nivel 7. El protocolo IEC955 especifica un modelo de control de acceso al mediodenominado maestro volante (flying master), que es una combinación de los métodos decontrol de acceso al medio token bus y maestro-esclavo.

En este modelo, algunas estaciones son definidas como maestras, y otras como esclavas.Las estaciones maestras acceden al bus por medio de un esquema token bus. Mientrasuna estación maestra posee el testigo, realiza transacciones con sus esclavos según elesquema maestro esclavo. Luego, envía al testigo a la siguiente estación del anillológico (Fig.5.39).

Desde 1989 existe un grupo de usuarios de Profibus que promociona este FieldBus.

Cuando Yokogawa, Siemens, Rosemount y Fisher fundan a ISP (Interoperable SystemProject) el 15 de septiembre de 1992, buscaron tomar como base una tecnologíaexistente y probada, para lograr una rápida implementación. Se seleccionó entonces latecnología de Profibus, que fue integrada dentro de ISP.

Se cubrieron las tres capas del modelo ISO/OSI que utiliza el FieldBus: la capa física, lade enlace, y la de aplicación. Sin embargo, el comité ISP pretende que el FieldBuspermita la interoperabilidad de los equipos. En tal sentido, define comointeroperabilidad la habilidad de sustituir un instrumento de un fabricante con unoequivalente de cualquier otro fabricante, sin degradar su rendimiento (ni el del equipo niel de la red), ni limitar su funcionalidad.

Este nivel de detalle no es satisfecho por MMS, ya que era para su implementación serequiere una definición desde el punto de vista de la estructura de los parámetros deconfiguración del dispositivo Para ello, se deberá definir el formato de la base de datosde un transmisor de presión diferencial, de un controlador, de un caudalímetro vortex,etc.

Esta funcionalidad es cubierta por el Lenguaje De Descripción De Dispositivos (DeviceDescription Language, DDL).DDL es un desarrollo de Rosemount, quien lo implementóen su protocolo HART.

El Directorio del Proyecto ISP asigna una gran importancia al FieldBus, considerándolocomo la próxima transición tecnológica de importancia en el control de procesos(Fig.5.40).

Hacia fines de 1993 el ISP contaba con un directorio con voz y voto formado por seisempresas (los cuatro miembros fundadores, más Foxboro y ABB), y más de un centenarde miembros adherentes, que tienen voz pero no voto, entre los que podemos citar a:AEG Modicon, Brooks, Eckardt, Endress Hauser, Fuji, Hartmann & Braun, Magnetrol,Siebe y Valment.

Los miembros de ISP cuentan con experiencia proveniente de la comisión IEC/SP50, elGrupo de Usuarios HART y la Organización de Usuarios de Profibus. Esta experiencia,y la escasa cantidad de miembros productos que cumplan con ISP sean lanzados almercado en este año (1994).

Fig. 5.39 Esquema de comunicaciones maestro volante ( Flying Master )

5.10.2.3 La norma francesa FIP y el grupo WORLDFIP

FIP (Factory Instrumentation Protocol) es una norma de FieldBus desarrollada enFrancia. Un club FIP se ocupa de difundir la aplicación de FIP a nivel internacional,fomentando el desarrollo de productos y brindando soporte técnico. El club FIP cuentacon más de 120 miembros de los más variados orígenes; Bélgica, Bulgaria, Inglaterra,Francia, Alemania, Italia, España, etc.

FIP está basado en el modelo Productor – Distribuidor – Consumidor (PDC). Deacuerdo a este modelo. Los programas de aplicación que se ejecutan en las estacionespueden cumplir tres funciones:

• Productor de datos: Es un programa de aplicación responsable de la producción deun dato o variables. Por ejemplo, un transmisor es responsable de la producción deun dato que representa la variable censada, mientras que un controlador esresponsable de la producción de un dato que representa el porcentaje de apertura deuna válvula.

• Consumidor de datos: Es un programa de aplicación que requiere un dato o variable.Por ejemplo, un actuador requiere conocer el porcentaje de apertura al que debeestar la válvula, mientras que un controlador multilazo es consumidor de numerosasvariables requeridas para cumplir sus funciones.

• Distribuidor: El distribuidor es responsable de la validez de la transferencia dedatos, así como de que se produzca en los plazos de tiempo requeridos por elproceso.

Un productor puede producir datos que sean de interés para más de un consumidor, asícomo un consumidor puede requerir datos de más de un productor. Cada estación esautónoma, con el único requisito de producir las variables de las que es productorcuando las variables son producidas, conforme a los requerimientos de losconsumidores (Fig.5.41).

En febrero de 1993 se funda el grupo WorldFIP, con el objeto de promover a FIP comonorma internacional de FieldBus. WorldFIP integra a miembros de FIP y nuevosmiembros, contando actualmente con más de 150 miembros, incluyendo Honeywell,Elsag Bailey, Allen Bradley, Masoneilan Dresser, Square D, Yamatake-Honeywell,Cegelec, etc.

Figura 5.40 Principales transiciones tecnológicas en la automación de procesos.

Figura 5.41 El modelo Productor / Distribuido / Consumidor.

1. El distribuidor solicita al productor (por ejemplo, un transmisor) que produzca una variable.

2. El productor produce una variable, que es leída por el consumidor (por ejemplo, un controlador).

5.10.2.4 Conclusiones sobre el Fieldbus

Tanto ISP como WorldFIP anunciaron el inminente lanzamiento de equipos quesatisfagan una de estas normas. ¿Cuál será la que finalmente se adopte? . Esto dependeen gran medida del mercado, y en menor medida de la tecnología. Haciendo paralelismocon otras “guerras de normalización” que han ocurrido en el mundo, el final de esta“guerra” podría tener un solo ganador, como fue el caso de la guerra entre VHS yBetamax, para el formato de videocasete hogareño, en la que VHS resultó unindiscutible ganador.

También podría darse el caso similar a la de la normalización para televisión color, en laque coexisten múltiples normas como NTSC o PAL, ya que los televisores modernospueden manejar varias o todas ellas. En este caso, la lucha por imponer una única normacarece de sentido.

Mientras tanto, ambos grupos aprovechan las exposiciones de nivel mundial, como laISA o Interkama, para difundir los conceptos de sus diseños, y los logros alcanzados.

En tal sentido, ISP realizó en la edición 1993 de la exposición de la ISA unapresentación de su FieldBus, involucrando 29 equipos digitales (instrumentos ycontroles) de 23 diferentes proveedoras. La demostración incluyó la capacidad deimplementar seguridad intrínseca de este FieldBus.

5.11 Repetidores, bridges, rutadores y gateways

Como se ha visto, no dispondremos de una red única en los próximos años, ni para elárea informática, ni para el área de control en tiempo real. Será necesario, entonces,disponer de elementos que nos permitan integrar redes de distintos tipos.

Para efectuar esta integración se requieren elementos cuyas características dependen dela disimilitud entre las redes a interconectar. De la variedad de elementos disponiblesdescribiremos brevemente los repetidores, los puentes y los gateways.

La función básica de los repetidores es repetir la secuencia de bits que reciben, sinefectuar sobre los mismos ningún tipo de tratamiento. Los repetidores permitenextender así la distancia abarcada por una red, y modificar aspectos relacionados con lacapa física, como por ejemplo el medio físico utilizado (pasar de coaxil a fibraóptica)(Fig.5.42).

Los puentes operan a nivel 2 subnivel MAC, y son utilizados cuando esnecesario interconectar redes que utilizan diferentes medios de acceso (Fig.5.43).Un caso típico sería la interconexión de una red IEEE 802.3 con una red IEEE 802.4.

Fig. 5.42 Representación de la función de un repetidor en el modelo ISO / OSI

También pueden ser útiles como elementos de separación entre dos segmentos de unared, permitiendo el paso de un segmento a otro sólo aquellos mensajes en que así serequiera.

Un ruteador opera a niveles 1, 2 y 3 del modelo ISO/OSI. Básicamente, permite el ruteode mensajes en redes de caminos múltiples (Fig.5.44), así como la integración de redesWAN con LAN.

Los gateways son necesarios cuando las redes a interconectar son totalmente distintas(Fig.5.45). Típicamente son el medio por el que se interconectan redes de procesos,como es el caso de la conexión de una red ModBus a un DCS.

Dado que operan con todos los niveles del modelo ISO/OSI, son en general de unrendimiento relativamente bajo y costo moderadamente a muy alto.

Fig. 5.43 Representación de la función de un puente en el modelo ISO / OSI

Fig. 5.44 Representación de la función de un enrutador en el modelo ISO / OSI

5.12 Resumen e Integración

Al inicio de este capitulo hemos mencionado que existen dos áreas para el análisis deredes digitales relacionadas con equipos digitales de control de proceso: la integraciónde control de procesos, y la integración de éstos con sistemas informáticos.

La integración de sistemas digitales de control de procesos entre sí tiene a su vez dosvariantes: cuando estas redes son propietarias, formando parte del corazón del sistemas,o cuando estas redes son abiertas, permitiendo la integración de equipos de distintosproveedores.

Como ejemplo de redes que forman parte del corazón de un sistema, podemosmencionar la comunicación de la CPU de un PLC con chasis remotos de E/S, Se trata deuna comunicación maestro-esclavo, de alta velocidad, utilizando como medio físico uncable de dos conductores trenzados con malla, fibra óptica, o cable coaxil.

Esta comunicación es generalmente maestro-esclavo, utilizando RS-232 ó RS-485 comocapa física, sobre un cable de dos conductores trenzados con malla , a velocidades de300 a 9600 bps.

Fig. 5.45 Representación de la función de un gateway en el modelo ISO / OSI

5.13 Tecnología de transmisión Acoplamiento físico de dispositivos

Se utilizan varios elementos de acoplamiento para enlazar diferentes dispositivos através de un medio de enlace de transmisión (línea).

• Líneas (eléctricas o de fibra óptica)

• Elementos de acoplamiento para las conexiones mecánicas y eléctricas o de fibra óptica, de las estaciones a las líneas

• Elementos de conversión para la conversión de señales internas de la estación en señales de transmisión y viceversa.

Fig. 5.46: Componentes para el acoplamiento físico de dispositivos

La configuración técnica de los componentes así denominados depende del medio detransmisión utilizado. Ya que como medios de transmisión se utilizan líneas eléctricas ycables de fibra óptica al nivel de fabricación de sistemas automatizados, se explicaránambas técnicas de transmisión por líneas eléctricas y de fibra óptica. Ambas técnicas detransmisión pertenecen a una tecnología de transmisión dependiente del medio.

Además, hay transmisiones dependientes del medio, de radio o infrarrojos.La realización técnica de la transmisión por medio de líneas eléctricas es relativamentesencilla, ya que la representación interna de las señales también se efectúa por medio devariables eléctricas. Sin embargo, la transmisión de un gran número de mensajes porunidad de tiempo requiere líneas de transmisión costosas (cables coaxiales).

Además, los campos electromagnéticos en zonas atravesadas por líneas de transmisiónpueden causar interferencias en la línea. Se necesitan medidas complejas para evitar lasinterferencias. Las líneas eléctricas para la transmisión de datos crean ellas mismas uncampo electromagnético en el rango de frecuencia de otro usuario (p.ej. la radio), con loque la línea de transmisión actúa como una antena transmisora. Para evitar esto, senecesitan asimismo medidas complejas. Además, las líneas eléctricas no sonnecesariamente intrínsecamente seguras. Pueden liberar energía eléctrica en forma dearcos eléctricos (en el caso de un cortocircuito), que pueden ser suficientes para iniciarla ignición de materiales combustibles en zonas con riesgo de incendio. Todas lasdesventajas de las técnicas de transmisión eléctricas mencionadas, se superan en el casode las transmisiones por fibra óptica. Ésta es la razón por las que son particularmenteadecuadas para frecuencias de transmisión elevadas y para zonas peligrosas.

Las desventajas de la transmisión por fibra óptica son:

• La falta de tipologías de bus (conexiones punto a punto unidireccionales comoelemento básico)

• La necesaria conversión de señales eléctrica/ óptica y óptica eléctrica.

• La utilización de elementos de fibra óptica tecnológicamente más complejos

Ésta es la razón por la que los métodos de transmisión eléctricos se utilizanprincipalmente en los buses de campo. Los cables de fibra óptica se utilizan paratransmisión a alta velocidad y para salvar grandes distancias entre grupos de equiposautomatizados, en especial si el espacio intermedio está sometido a grandesinterferencias.

Fig. 5.47: Instalación mixta con transmisión por cable y por fibra óptica.

En la tecnología de comunicación se utilizan las siguientes formas de líneas eléctricas:

• Pares trenzados• Cables Coaxiales

Fig. 5.48: Construcción básica de líneas eléctricas

Los pares trenzados se utilizan como líneas de bus económicas y líneas de conexiónentre los acopladores mecánicos de bus (MAU – Médium Attachtment Unit – Unidad deconexión al medio) y el elemento de conversión del controlador del bus.

Longitudes estándar

• Unos pocos metros para elevadas velocidades de transmisión (p. ej. 10 Mb/seg)

• Unos pocos kilómetros para velocidades de transmisión bajas (p.ej. 19.2 Kb/seg)

Hay una relación directa entre la velocidad de transmisión y la longitud efectivade la línea, esta correlación está definida en los estándares, p. ej. En el estándarEIA RS 485.

Sin embargo, los cables coaxiales se utilizan siempre que se necesite una elevadacalidad de transmisión y alta inmunidad a interferencias. Los cables coaxiales permitenelevadas velocidades de transmisión de datos (p.ej. hasta 300 Mb/seg). Con velocidadesde transmisión de 50 Mb/seg, es posible cubrir distancias de hasta varios kilómetros.

Si debe reducirse el efecto de las interferencias electromagnéticas en los mensajestransmitidos, debe ponerse a tierra el apantallado tanto en el caso de los cablescoaxiales como en los pares trenzados. Esto también evita la emisión de camposelectromagnéticos inaceptables.

Fuentes de interferencias (ruido eléctrico)

Cuando se utilizan líneas eléctricas como líneas de bus, deben observarse dos efectos:

• Los extremos de las líneas representan fuentes de ruidos en el sentido de lascaracterísticas de la línea. Ésta es la razón por la que pueden producirse reflexionesde las señales transmitidas.

• Para una utilización óptima de la potencia es muy útil instalar una resistencia deajuste entre la fuente de corriente y el consumidor.

Para evitar la reflexión y para alcanzar un ajuste óptimo de la potencia, las líneaseléctricas se cierran en ambos lados con una resistencia Rt, que asume el valor de laamplitud [Z] de la impedancia característica [Z]. [Z] es una variable equivalente, ya quela impedancia característica dependiente de la frecuencia varía para cada componente ide la señal transmitida (cada una con la frecuancia f i).

Fig. 5.49: Terminación de línea con impedancia de onda característica

Hay estándares internacionales que especifican valores máximos permitidos en laimpedancia característica en relación con la frecuencia de la señal a transmitir.

Para establecer una diferencia de potencial definida en la línea en estado sin carga entredos transmisiones de información, pueden utilizarse resistencias adicionales(resistencias de pull-up y de pull-down Ru o Rd).

Fig. 5.50: Terminación eléctrica de líneas de bus

Continuará.....

Nota de Redacción: El lector puede descargar el curso capítulo a capítulo desde lasección “Artículos Técnicos” dentro del sitio de EduDevices(www.edudevices.com.ar )