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Instrumentación industrial Protocolos de comunicación

PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN

CARLOS CARRILLORAFAEL DIAZ

JEAN OBREGÓNEDWIN PÁEZ

JUAN YARURO

INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL

ING. RAMIRO CHAMORRO

UNIVERSIDAD DEL ATLANTICO

FACULTAD DE INGENIERIA

PROGRAMA DE INGENIERIA MECANICA

BARRANQUILLA, 16 DE NOVIEMBRE DE 2010

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INTRODUCCION

Cuando tenemos dispositivos de hardware, separados geográficamente, existirán procedimientos para control de cada dispositivo implementados por procesos de software.

Como los procesos ejecutan en hardware separado, deben intercambiar mensajes para coordinar la acción y obtener sincronización.

Para realizar el intercambio de mensajes debemos diseñar (cuidadosamente) los procedimientos o protocolos.

La principal característica, es la habilidad para trabajar en un ambiente donde los periodos (timing) y secuencia de eventos son desconocidos y se esperan errores en la transmisión de datos.

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PROTOCOLOS

Definición

El termino protocolo lo usamos para describir el intercambio de información entre procesos (programas que se ejecuten en un hardware).

Otra forma de definir un protocolo es como una especificación de la lógica y de los procedimientos de los mecanismos de comunicación entre procesos.

Funciones más importantes:

Control de errores: Control de Flujo Control de Congestión Estrategias de encaminamiento

Control de Errores:

Protege integridad de los datos del usuario y de los mensajes de control.

Control de Flujo y Congestión:

Permite a la red compartir sus recursos entre un gran número de usuarios, entregando a cada uno un servicio satisfactorio sin que sus operaciones corran peligro.

Estrategias de Encaminamiento:

Permite optimizar la utilización de los recursos de la red, aumentando la disponibilidad de los servicios de la red al proveer caminos alternativos entre nodos terminales.

Procesos

Los protocolos son implementados vía procesos. o Un proceso se ejecuta en un procesador virtual o lógico.

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o Un proceso es autocontenido.o No se de cuenta (y no le interesa), que un procesador real comparte sus

recursos entre varios procesos activos. Entrada a los procesos ocurre por puertas lógicas de software, por donde el

proceso recibe mensajes desde procesos residentes en el mismo o en otro procesador.

Un conjunto de datos privados definen el estado actual de un proceso y determinan la acción a tomar por el receptor de un mensaje.

El resultado de la computación ejecutada por el proceso se envía por una puerta lógica de salida.

¿Cómo opera un protocolo?

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Un proceso recibe un mensaje lo procesa y envía una respuesta, sin que exista relación entre éste evento y otro anterior o posterior.

El proceso origen, conocerá la dirección del proceso destino y la incluirá en el mensaje.

Esta dirección, identificará únicamente a un procesador, quién conocerá al proceso destino.

El originador cuando despacha un mensaje, entre un estado de espera de respuesta en una de sus puertas.

El proceso destino ejecuta la función especificada en el mensaje, construye la respuesta (con resultados y dirección del origen) y envía el mensaje respuesta por una puerta de salida, (quedando libre para aceptar otro mensaje).

La respuesta llega al originador, quien realiza un chequeo para asegurarse que viene del lugar correcto antes de aceptarla, luego, pasa al estado "no espera respuesta" en esa puerta de entrada.

Este es un protocolo muy simple, necesita de la sintaxis para definición de formatos de los mensajes y una semántica muy simple.

Debe considerarse el hecho que, la red introduce demoras causadas por congestión, encaminamiento, etc., e incluso puede ocurrir perdida del mensaje.

Para esto, el proceso que realiza la consulta deberá tener un reloj (timer) el que será activado al enviar el mensaje. El reloj enviara una señal al expirar el tiempo indicado en la activación indicando que la respuesta no llegó en el tiempo esperado por lo que el mensaje deberá ser retransmitido.

ESTRUCTURA DEL PROTOCOLO

La función más importante de una tarea en la red es el transporte de datos, sin errores.

Esta función es parcialmente provista por la red de comunicaciones.

Niveles de los Procesos en Comunicación

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Un par de procesos no necesita conocer la estructura interna de su sistema de comunicaciones, sólo se comunica con él, a través de una interfaz.

P1 y P2 podrían ser capaces de soportar varios procesos simultáneamente, proporcionando funciones de multiplexación.

Si P3-P1 no están instalados en el mismo procesador, deberá usarse un protocolo para implementar la interfaz.

Además si existe una línea física (P3-P1), propensa a errores, se deberá usar un protocolo a nivel de línea para asegurar la corrección de los mensajes intercambiados por los procesos. Este protocolo no afectará la estructura general, solo reemplazará una conexión directa.

Los protocolos se organizan jerárquicamente o en capas (arquitectura de capas de cebollas, encapsuladas...)

La estructura de un mensaje es:

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Áreas y disciplinas interesadas en la tecnología de buses de campo

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Para iniciar el estudio de esta tecnología se debería efectivamente separar las áreas de injerencia, podemos clasificar tres categorías o disciplinas profesionales y potenciales interesados que incumben en esta temática.

Por una parte se encuentran los usuarios propiamente dichos, o bien las personas que deben operar instalaciones o máquinas construidas con este tipo de recursos instalados. En tanto los dispositivos funcionan bien, los operadores no tienen necesidad de un vínculo estrecho con la tecnología constructiva del equipamiento, por lo que podemos afirmar que el operador no sabe ni tiene necesidad de saber a cerca de los recursos instalados.

La segunda categoría corresponde al integrador de sistemas, que mediante dispositivos comerciales y estándar desarrollan sistemas de automación haciendo uso de tecnología de buses.

La tercera categoría es aquella compuesta por los productores y proveedores de equipamiento de dispositivos conectables al bus, comprendidos en esta rama, los fabricantes de PLC, CNC, sensores y actuadores inteligentes, etc.

Por qué utilizar un bus de campo

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Probablemente sea razonable discutir el origen de la tendencia a reemplazar los sistemas tradicionales por sistemas de bus para comprender la verdadera potencialidad. Como primera apreciación es el método más natural que pueda afrontar un sistema de comunicación (comprendido como transmisión de datos). Podemos citar una breve reseña ejemplificadora de la evolución hacia el bus de campo.

Al inicio del siglo con la invención de la máquina de vapor, se desencadena una serie innumerable de invenciones ingeniosas, seguidamente se comienza con la elaboración de sistemas a cámara para permitir la automatización de algunos de los procesos más simples. El primer resultado fue la máquina a vapor usada en ferrocarriles e industria. En este caso se trataba solamente de conmutar la emisión de vapor de una parte a la otra de la cámara y obtener la automatización del ir y venir del pistón.

Otros sistemas permitían la regulación de la presión y la velocidad. Hoy en particular el motor de combustión interna utiliza los mismos principios. Hasta que se comprobó que la mecánica no ofrecía suficiente flexibilidad, entonces se desarrolla una nueva técnica, la neumática.

Esta última ofrecía una enorme flexibilidad gracias al redireccionamiento a través de tubos, de señales lógicas, se puede decir que es el primer paso de la transformación de parámetros físicos en parámetros lógicos de comando, naciendo de esta manera la idea de combinar varias señales por medio de válvulas

Posteriormente la aparición de la electricidad permitió reducir notablemente el volumen y la complejidad de los sistemas neumáticos, permitiendo no solo conservar la flexibilidad sino además aumentarla notablemente.

La invención de los relés permite sustituir la válvula neumática especialmente para las funciones lógicas en un primer paso. La evolución nos lleva a la técnica WLC, y posteriormente al PLC que fue un paso decisivo hacia la estructura programable, posible gracias a la evolución de la tecnología electrónica exclusivamente.

COMUNICACIONES

Las comunicaciones entre los instrumentos de procesos y el sistema de control se basan en señales analógicas neumáticas, electrónicas y digitales, siendo estas últimas capaces de manejar grandes volúmenes de datos y guardarlos en unidades históricas, las que están aumentando día a día sus aplicaciones.

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En áreas remotas o de difícil accesos tienen cabida los transmisores sin hilos típicamente de presión, señales acústicas y temperatura que transmiten sus medidas a un aparato de radio conectado a un sistema de control o de adquisición de datos.

Fig. 1 Buses

La exactitud de las señales digitales es de unas 10 veces mayor que las señales clásicas. En lugar de enviar cada variable a través de un par de hilos, transmiten secuencialmente las variables a través de un cable de comunicaciones llamado bus. El termino bus pues indica el transporte secuencial de señales eléctricas que representan información codificada de acuerdo con un protocolo.

Los fabricantes de sistemas de comunicaciones empezaron con sus propios sistemas llamados propietarios, es decir, sin que fuera posible intercambiar sus aparatos con los de otros fabricantes. Sin embargo, han llegado por lógica a fabricar sistemas abiertos, debido a la demanda del mercado. Es natural que un fabricante se resista a divulgar su sistema debido al alto costo que ha pagado por la investigación y el desarrollo de su producto, pero el deseo de su cliente a la larga se impone.

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Los protocolos híbridos utilizan el estándar analógico de comunicación, e incorporan, además, un protocolo de comunicación digital. Son, entre otros:

DE: consiste en una modulación en corriente correspondiendo al estado discreto “1” una corriente de 20mA c.c. , pero no simultáneamente. Usa un protocolo privado.

INTENSOR: es un protocolo propietario de Endress & Hauser.

BRAIN: consiste en una modulación de impulsos codificados cuyo estado discreto “1”corresponde a la ausencia de pulsos, mientras que el estado “0” corresponde a una secuencia de dos pulsos de subida y dos de bajada alternos con una amplitud de mA c.c.

FOXCOM: es un protocolo propietario de la compañía Foxboro.

FSK: es un protocolo basado en una modulación en frecuencia. Es propietario.

HART: este protocolo (Highway-Addresable-Remote-Transducer) es el estándar mundial para enviar y recibir información digital a través de los cables entre dispositivos analógicos inteligentes y de control o sistema de seguimiento. Más concretamente, HART es un protocolo de comunicación bidireccional que proporciona acceso a los datos entre los instrumentos de campo inteligentes y sistemas de acogida. A host can be any software application from technician's hand-held device or laptop to a plant's process control, asset management, safety or other system using any control platform. Un anfitrión puede ser cualquier aplicación de software del dispositivo de mano del técnico o del ordenador portátil para el control del proceso de una planta, gestión de activos, la seguridad u otro sistema usando cualquier plataforma de control.

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La integración digital de los instrumentos con los sistemas de control queda implantada definitivamente con los buses de campo pudiendo aprovechar toda la potencialidad de los microprocesadores desde el punto de vista de configuración, diagnósticos, mantenimiento, etc.

El primer bus de campo, efectivamente abierto, utilizado ampliamente fue el MODBUS.

Los buses de campo existentes en el mercado en la actualidad, son, entre otros:

Lonworks, Interbus, ASI, Devicenet, CAN, P-NET, World FIP, Profibus y Foundation Fieldbus.

FOUNDATION FIELDBUS: es un bus de datos digital, serie y multipunto entre dispositivos de campo y/o sistemas de un entorno industrial. La idea basica del estandar fieldbus es obtener mas información sobre el procesos y sobre el propio instrumento, que naturalmente debe ser inteligente, y establecer reglas de rendimiento, seguridad y deteccion de errores.

Fig. Cable y el circuito del Foundation Fieldbus

PROTOCOLO ETHERNET

En 1972 comenzó el desarrollo de una tecnología de redes conocida como Ethernet Experimental- El sistema Ethernet desarrollado, conocido en ese entonces como red ALTO ALOHA, fue la primera red de área local (LAN) para computadoras personales (PCs). Esta red funcionó por primera vez en mayo de 1973 a una velocidad de 2.94Mb/s.

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Las especificaciones formales de Ethernet de 10 Mb/s fueron desarrolladas en conjunto por las corporaciones Xerox, Digital (DEC) e Intel, y se publicó en el año 1980. Estas especificaciones son conocidas como el estándar DEC-Intel-Xerox (DIX), el libro azul de Ethernet. Este documento hizo de Ethernet experimental operando a 10 Mb/s un estándar abierto.

La tecnología Ethernet fue adoptada para su estandarización por el comité de redes locales (LAN) de la IEEE como IEEE 802.3. El estándar IEEE 802.3 fue publicado por primera vez en 1985.

El estándar IEEE 802.3 provee un sistema tipo Ethernet basado, pero no idéntico, al estándar DIX original. El nombre correcto para esta tecnología es IEEE 802.3 CSMA/CD, pero casi siempre es referido como Ethernet.

IEEE 802.3 Ethernet fue adoptado por la organización internacional de estandarización (ISO), haciendo de el un estándar de redes internacional.

Ethernet continuó evolucionando en respuesta a los cambios en tecnología y necesidades de los usuarios. Desde 1985, el estándar IEEE 802.3 se actualizó para incluir nuevas tecnologías. Por ejemplo, el estándar 10BASE-T fue aprobado en 1990, el estándar 100BASE-T fue aprobado en 1995 y Gigabit Ethernet sobre fibra fue aprobado en 1998.

Ethernet es una tecnología de redes ampliamente aceptada con conexiones disponibles para PCs, estaciones de trabajo científicas y de alta desempeño, mini computadoras y sistemas mainframe.

La arquitectura Ethernet provee detección de errores pero no corrección de los mismos. Tampoco posee una unidad de control central, todos los mensajes son transmitidos a través de la red a cada dispositivo conectado. Cada dispositivo es responsable de reconocer su propia dirección y aceptar los mensajes dirigidos a ella. El acceso al canal de comunicación es controlado individualmente por cada dispositivo utilizando un método de acceso probabilístico conocido como disputa (contention).

Objetivos de Ethernet

Los objetivos principales de Ethernet son consistentes con los que se han convertido en los requerimientos básicos para el desarrollo y uso de redes LAN.

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Los objetivos originales de Ethernet son:

Simplicidad

Las características que puedan complicar el diseño de la red sin hacer una contribución substancial para alcanzar otros objetivos se han excluido.

Bajo Costo

Las mejoras tecnológicas van a continuar reduciendo el costo global de los dispositivos de conexión.

Compatibilidad

Todas las implementaciones de Ethernet deberán ser capaces de intercambiar datos a nivel de capa de enlace de datos. Para eliminar la posibilidad de variaciones incompatibles de Ethernet, la especificación evita características opcionales.

Direccionamiento flexible

El mecanismo de direccionamiento debe proveer la capacidad de dirigir datos a un único dispositivo, a un grupo de dispositivos, o alternativamente, difundir (broadcast) el mensaje a todos los dispositivos conectados a la red.

Equidad

Todos los dispositivos conectados deben tener el mismo acceso a la red.

Progreso

Ningún dispositivo conectado a la red, operando de acuerdo al protocolo Etheret, debe ser capaz de prevenir la operación de otros dispositivos.

Alta velocidad

La red debe operar eficientemente a una tasa de datos de 10 Mb/s.

Bajo retardo

En cualquier nivel de tráfico de la red, debe presentarse el mínimo tiempo de retardo posible en la transferencia de datos.

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Estabilidad

La red debe ser estable bajo todas las condiciones de carga. Los mensajes entregados deben mantener un porcentaje constante de la totalidad del tráfico de la red.

Mantenimiento

El diseño de Ethernet debe simplificar el mantenimiento de la red, operaciones y planeamiento.

Arquitectura en capas

El diseño Ethernet debe ser especificado en término de capas de forma de separar las operaciones lógicas de los protocolos de capa de enlace de las especificaciones de comunicaciones físicas del canal de comunicación.

PROTOCOLO MODBUS

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Introducción

El protocolo MODBUS define una estructura de mensajes que puede ser reconocida por diferentes dispositivos independientemente del tipo de red de comunicaciones utilizada. El protoco describe el proceso para acceder a información de un dispositivo, cómo debe responder éste, i como se notifican las situaciones de error. El protocolo MODBUS define una red digital de comunicaciones con un solo master y uno o más dispositivos slave.

Modo de transmisión

El modo de transmisión es la estructura de las unidades de información contenidas en un mensaje. El protocolo MODBUS define dos modos de transmisión: ASCII (American SatandardCodeforInformationInterchange) y RTU (Remote Terminal Unit). En una red de dispositivos conectados mediante el protocolo MODBUS NO se pueden compartir dispositivos utilizando diferentes modos de transmisión.Los controladores AK49, AK49H y Ak96 de la serie Akros se comunican en modo RTU.

Estructura del mensaje

Un mensaje consiste en una secuencia de carácteres que puedan ser interpretados por el receptor. Esta secuencia de carácteres define la trama.Para sincronizar la trama, los dispositivos receptores monitorizan el intervalo de tiempo transcurrido entre carácteres recibidos. Si se detecta un intérvalo mayor que tres veces y media el tiempo necesario para transmitir un carácter, el dispositivo receptor ignora la trama y asume que el siguiente carácter que recibirá será una dirección.

3,5T DIRECCIÓN FUNCIÓN DATOS CRC 3,5T3,5 bytes 1 byte 1 byte N bytes 2 bytes 3,5 Bytes

Dirección

El campo dirección es el primero de la trama después del tiempo de sincronización. Indica el dispositivo al que va dirigido el mensaje. Cada dispositivo de la red debe tener asignada una dirección única, diferente de cero.Igualmente, cuando un dispositivo responde a un mensaje, debe enviar en primer lugar su dirección para que el master reconozca la procedencia del mensaje.

MODBUS permite enviar mensajes a todos los dispositivos a la vez utilizando para ello la dirección cero. Sin embargo, para evitar conflictos con otros dispositivos en la red, los modelos AK49, AK49H y AK96 de la serie Akros no aceptan este tipo de mensajes.

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FunciónEl campo función indica al dispositivo direccionado qué tipo de función ha de realizar.Los modelos AK49, AK49H y AK96 aceptan las siguientes funciones:

Codigo Función

01 o 02 Leer N bits (máx. 255)

03 o 04 Leer N registros (máx 52)

05 Asignar 1 bit

06 Asignar 1 registro

07 Leer byte de estado del instrumento

Datos

El campo datos contiene la información necesaria para que los dispositivos puedan ejecutar las funciones solicitadas, o la información enviada por los dispositivos al master como respuesta a una función.

CRC

El campo CRC es el último de la trama y permite al master y a los dispositivos detectar errores de transmisión. Ocasionalmente, debido a ruido eléctrico o a interferencias de otra naturaleza, se puede producir alguna modificación en el mensaje mientras se está transmitiendo. El control de errores por medio de CRC asegura que los dispositivos receptores o el master no efectuaran acciones incorrectas debido a una modificación accidental del mensaje. Los controladores de la serie AkrosNO envían ninguna respuesta cuando detectan un error de CRC en la trama recibida.Para el cálculo de CRC no se consideran los bits de stop ni de paridad. Sólo los de datos.La secuencia para el cálculo de CRC se describe a continuación:1. Cargar un registro de 16 bits a 1’s.2. Efectuar un OR exclusivo de los primeros 8 bits recibidos con el byte alto del registro, guardando el resultado en el registro.3. Desplazar el registro un bit a la derecha.4. a) Si el bit desplazado es un 1, efectuar un OR exclusivo del valor 1010

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0000 0000 0001 con el contenido del registro y guardarlo en el registro.4. b) Si el bit desplazado es un 0, volver al paso 3.5. Repetir los pasos 3 y 4 hasta haber efectuado 8 desplazamientos de bit.

6. Efectuar un OR exclusivo del siguiente byte de la trama con el registro de

16 bits.7. Repetir los pasos 3 al 6 hasta que se hayan procesado todos los bytes de la trama.8. El contenido del registro de 16 bits es el CRC, que se añade al mensaje con el bit más significativo primero.

Descripción de las funcionesLeer N bits (Código de función 01o 02)Esta función permite al usuario obterner los valores lógicos (ON/OFF) de los bitsdel dispositivo direccionado. Los datos de respuesta van empaquetados enbytes de manera que el primer bit solicitado ocupa el bit de menos peso delprimer byte de datos. Los siguientes van a continuación de manera que si noson un número múltiplo de 8, el último byte se completa con ceros.

Trama master-dispositivo:

Dirección

del

dispositivo

Código de

Función

(01 o 02)

Dirección del

primer bit

Número de bits a

leer ( máx 255)

CRC

1 byte 1 byte MSB LSB MSB LSB MSB LSB

trama dispositivo-master:

Dirección

del

dispositivo

Código

de

Función

Número

de bytes

leídos

Primer

byte de

datos

……………

Último

byte de

datos

CRC

1 byte 1 byte 1 byte 1 byte …………… 1 byte MSB LSB

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Ejemplo: Leer 2 bits a partir del bit con dirección 3, del controlador condirección 2.

Master-dispositivo:

Dirección

del

dispositivo

Código de

Función

Dirección del

primer bit

Número de bits a

leerCRC

02 01 00 03 00 02 4D F8

Dispositivo-master:

Dirección

del

dispositivo

Código

de

Función

Número

de bytes

leídos

Primer

byte de

datos

CRC

02 01 01 03 11 CD

La respuesta nos indica que los bits de dirección 3 (AL1) y 4 (AL2) se encuentran a 1. Por lo tanto, las alarmas AL1 y AL2 se encuentran activadas. La respuesta ha asignado ceros a las direcciones que no se han pedido desde el master, lo cual no significa que su valor real sea cero.

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PROTOCOLO PROFIBUS

Bus de Campo (field bus)

Un bus de campo es un término genérico que describe un conjunto de redes de comunicación para uso industrial, cuyo objetivo es sustituir las conexiones punto a punto entre los elementos de campo y el equipo de control a través del tradicional bucle de corriente de 4-20mA. Típicamente son redes digitales, bidireccionales, multipunto, montadas sobre un bus serie, que conectan dispositivos de campo como PLCs, transductores, actuadores y sensores. Cada dispositivo de campo incorpora cierta capacidad de proceso, que lo convierte en un dispositivo inteligente, manteniendo siempre un costo bajo. Cada uno de estos elementos será capaz de ejecutar funciones simples de autodiagnóstico, control o mantenimiento, así como de comunicarse bidireccionalmente a través del bus. El objetivo es reemplazar los sistemas de control centralizados por redes para control distribuido con las que mejorar la calidad del producto, reducir costes y mejorar la eficiencia.Para ello se basa en que la información que envían y/o reciben los dispositivos de campo es digital, lo que resulta mucho más preciso que si se recurre a métodos analógicos. Además, cada dispositivo de campo es un dispositivo inteligente y puede llevar a cabo funciones propias de control, mantenimiento y diagnóstico. De esta forma, cada nodo de la red puede informar en caso de fallo del dispositivo asociado, y en general sobre cualquier anomalía asociada al dispositivo. Esta monitorización permite aumentar la eficiencia del sistema y reducir la cantidad de horas de mantenimiento necesarias.La principal ventaja que ofrecen los buses de campo, y la que los hace más atractivos a los usuarios finales, es la reducción de costes. El ahorro proviene fundamentalmente de tres fuentes: ahorro en coste de instalación, ahorro en el coste de mantenimiento y ahorros derivados de la mejora del funcionamiento del sistema. Una de las principales características de los buses de campo es una significativa reducción en el cableado necesario para el control de una instalación. Cada célula de proceso sólo requiere un cable para la conexión de los diversos nodos. Se estima que puede ofrecer una reducción de 5 a 1 en los costes de cableado.En comparación con otros tipos de redes, dispone de herramientas de administración del bus que permiten la reducción del número de horas necesarias para la instalación y puesta en marcha. El hecho de que los buses de campo sean más sencillos que otras redes de uso industrial como por ejemplo MAP, hace que las necesidades de

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mantenimiento de la red sean menores, de modo que la confiabilidad del sistema a largo plazo aumenta. Además, los buses de campo permiten a los operadores monitorizar todos los dispositivos que integran el sistema e interpretar fácilmente las interacciones entre ellos. De esta forma, la detección de las fuentes de problemas en la planta y su corrección resulta mucho más sencilla, reduciendo los costes de mantenimiento y el tiempo de parada de la planta. Los buses de campo ofrecen mayor flexibilidad al usuario en el diseño del sistema. Algunos algoritmos y procedimientos de control que con sistemas de comunicación tradicionales debían incluirse en los propios algoritmos de control, radican ahora en los propios dispositivos de campo, simplificando el sistema de control y sus posibles ampliaciones. También hay que tener en cuenta que las prestaciones del sistema mejoran con el uso de la tecnología de los buses de campo debido a la simplificación en la forma de obtener información de la planta desde los distintos sensores.Las mediciones de los distintos elementos de la red están disponibles para todos los demás dispositivos. La simplificación en la obtención de datos permitirá el diseño de sistemas de control más eficientes. Con la tecnología de los buses de campo, se permite la comunicación bidireccional entre los dispositivos de campo y los sistemas de control, pero también entre los propios dispositivos de campo. Otra ventaja de los buses de campo es que sólo incluyen 4 capas (Física, Enlace, Aplicación y Usuario), y un conjunto de servicios de administración. El usuario no tiene que preocuparse de las capas de enlace o de aplicación. Sólo necesita saber cual es funcionalidad.Al usuario sólo se le exige tener un conocimiento mínimo de los servicios de administración de la red, ya que parte de la información generada por dichos servicios puede ser necesaria para la reparación de averías en el sistema. De hecho, prácticamente, el usuario sólo debe preocuparse de la capa física y la capa de usuario.

Comunicación en el Bus

Los métodos utilizados en los buses de campo para actualizar los datos de proceso o entrada/salida son:

Strobe:Petición de información por parte del maestro (dispositivote control) y envío desde los dispositivos esclavos ( sensores- actuadores ). Este método es muy eficientes para sensores.

Polling:El maestro envía información de salida al dispositivo y éste le responde con la información de entradas.

Cambio de estado:

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El dispositivo no transmite información hasta que se modifica el estado de las variables. Muy eficiente en sistemas discretos.

Cíclico:El dispositivo envía la información a la red en un intervalo de tiempo prefijado Además el bus de campo debe incorporar los servicios de comunicación necesarios para los procesos de configuración, programación y test del bus.

Buses de campo existentes:Debido a la falta de estándares, diferentes empresas han desarrollado diferentes soluciones, cada una de ellas con diferentes prestaciones y campos de aplicación. En una primera clasificación podríamos dividirlos en los siguientes grupos:

1) Buses de alta velocidad y baja funcionalidadDiseñados para integrar dispositivos simples como finales de carrera, fotocélulas, relés y actuadores simples, funcionando en aplicaciones de tiempo real, y agrupados en una pequeña zona de la planta, típicamente una máquina. Suelen especificar las capas física y de enlace del modelo OSI, es decir, señales físicas y patrones de bits de las tramas. Algunos ejemplos son:

• CAN: Diseñado originalmente para su aplicación en vehículos.• SDS: Bus para la integración de sensores y actuadores, basado en CAN• ASI: Bus serie diseñado por Siemens para la integración de sensores y

actuadores.

2) Buses de alta velocidad y funcionalidad mediaSe basan en el diseño de una capa de enlace para el envío eficiente de bloques de datos de tamaño medio. Estos mensajes permiten que el dispositivo tenga mayor funcionalidad de modo que permite incluir aspectos como la configuración, calibración o programación del dispositivo. Son buses capaces de controlar dispositivos de campo complejos, de forma eficiente y a bajo coste. Normalmente incluyen la especificación completa de la capa de aplicación, lo que significa que se dispone de funciones utilizables desde programas basados en PCs para acceder, cambiar y controlar los diversos dispositivos que constituyen el sistema.Algunos incluyen funciones estándar para distintos tipos de dispositivos (perfiles) que facilitan la interoperbilidad de dispositivos de distintos fabricantes. Algunos ejemplos son:

DeviceNet: Desarrollado por Allen-Bradley, utiliza como base el bus CAN, e incorpora una capa de aplicación orientada a objetos. LONWorks Red desarrollada por Echelon.

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BitBus: Red desarrollada por INTEL. DIN MessBus: Estándar alemán de bus de instrumentación, basado en comunicación RS-232. InterBus-S: Bus de campo alemán de uso común en aplicaciones medias.

3) Buses de altas prestacionesSon capaces de soportar comunicaciones a nivel de toda la factoría, en muy diversos tipos de aplicaciones. Aunque se basan en buses de alta velocidad, algunos presentan problemas debido a la sobrecarga necesaria para alcanzar las características funcionales y de seguridad que se les exigen. La capa de aplicación oferta un gran número de servicios a la capa de usuario, habitualmente un subconjunto del estándar MMS. Entre sus características incluyen:

Redes multi-maestro con redundancia. Comunicación maestro-esclavo según el esquema pregunta-respuesta. Recuperación de datos desde el esclavo con un límite máximo de tiempo Capacidad de direccionamiento unicast, multicast y broadcast. Petición de servicios a los esclavos basada en eventos. Comunicación de variables y bloques de datos orientada a objetos. Descarga y ejecución remota de programas. Altos niveles de seguridad de la red, opcionalmente con procedimientos de autentificación. Conjunto completo de funciones de administración de la red.

Algunos ejemplos son:• Profibus• FIP• Fieldbus Foundation

4) Buses para áreas de seguridad intrínseca

Incluyen modificaciones en la capa física para cumplir con los requisitos específicos de seguridad intrínseca en ambientes con atmósferas explosivas. La seguridad intrínseca es un tipo de protección por la que el aparato en cuestión no tienen posibilidad de provoca una explosión en la atmósfera circundante. Un circuito eléctrico o una parte de un circuito tienen seguridad intrínseca, cuando alguna chispa o efecto térmico en este circuito producidos en las condiciones de prueba establecidas por un estándar (dentro del cual figuran las condiciones de operación normal y de fallo específicas) no puede ocasionar una ignición. Algunos ejemplos son HART, Profibus PA o FIP.

PROFIBUS

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En el año 1987, las firmas alemanas Bosch, Klöckner Möeller y Siemens iniciaron un proyecto de desarrollo de una arquitectura de comunicaciones industriales que permitiera la interconexión de equipos de distintos fabricantes. Esta fue la base de un grupo de trabajo al que se integraron otras grandes empresas tales como ABB, AEG, Landis&Gir, etc., algunas universidades y organizaciones técnicas estatales, entre ellas la propia VDE y el Ministerio Federal de Investigación Alemán. Se formaron varios grupos de trabajo en distintas áreas, cuya tarea esencial fue la de desarrollar un sistema abierto de comunicaciones apto para integrar desde los sencillos transductores y elementos de campo, pasando por los autómatas y controles numéricos hasta llegar al nivel de los miniordenadores para diseño y gestión de la producción. El primer objetivo fue sólo el diseño de un bus de campo con una estructura abierta y un protocolo compatible que permitiera enlazar con una red adoptada como base en los niveles superiores (MAP). A partir del año 1990 se abrió la posibilidad para cualquier usuario o empresa de integrarse en un consorcio denominado PROFIBUS Nutzerorganisation, que a través de diversos comités sigue desarrollando y dando soporte al nivel de aplicación y certificación de productos. PROFIBUS es actualmente el líder de los sistemas basados en buses de campo en Europa y goza de una aceptación mundial. Sus áreas de aplicación incluyen manufacturación, automatización y generación de procesos. PROFIBUS es un bus de campo normalizado internacional que fue estandarizado bajo la norma EN 50 170. Esto asegura una protección óptima tanto a los clientes como a los vendedores y asegura la independencia de estos últimos. Hoy en día, todos los fabricantes líderes de tecnología de automatización ofrecen interfaces PROFIBUS para sus dispositivos.

FUNCIONAMIENTO DE PROFIBUS

En el protocolo Profibus se establecen las características de comunicación de unsistema de bus de campo serie. Puede ser un sistema multimaestro que permite la operación conjunta de varios sistemas de automatización. Hay dos tipos de dispositivos que caracterizan a Profibus: Dispositivo Maestro y Dispositivo Esclavo, también llamados dispositivos activos y pasivos. Los dispositivos maestros, pueden enviar y solicitar datos a otras estaciones, siempre que mantengan el derecho de acceso (token) al bus. Los dispositivos esclavos sólopueden enviar datos cuando un participante maestro se los ha solicitado. Los dispositivos esclavos son periféricos, tales como dispositivos entrada/salida,islas de válvula, transductores de medida y en general equipos simples de campo. Por el contrario los dispositivos maestros suelen ser equipos inteligentes, como por ejemplo autómatas programables. Podemos tener así mismo integrados en estos sistemas elementos que se pueden programar para funcionar como maestros o como esclavos.Profibus utiliza un método mixto para ordenar la comunicación entre estaciones. El

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método que utiliza para comunicarse entre una estación maestra y otra es del tipo token bus, mientras que la comunicación entre una estación maestra y una esclava es del tipo maestroesclavo.

Versiones Compatibles

PROFIBUS es un bus de campo standard que soporta un amplio rango de aplicaciones en fabricación, procesado y automatización. Con PROFIBUS los componentes de distintos fabricantes pueden comunicarse sin necesidad de ajustes especiales de interfaces.. Puede ser usado para transmisión crítica en el tiempo de datos a alta velocidad y para tareas de comunicación extensas y complejas. Esta versatilidad viene dada por las tres versiones compatibles que componen la familia PROFIBUS (Figura 12):Profibús cumple con los requerimientos de automatización y control mediante tres perfiles del protocolo que son compatibles entre sí: Profibús-FMS, Profibús-DP y Profibús-PA. Los dos primeros constituyen los perfiles típicos de comunicación de Profibús mientras que el último es un perfil de aplicación, construido a través de la combinación del perfil de comunicación DP con un conjunto de funciones adicionales. Estas adiciones proveen a PA con tecnología de transmisión y alimentación de dispositivos por medio del bus, cubriendo así las necesidades de los dispositivos de campo.

PROFIBUS PA: automatización de proceso

Process Automation, En Profibus-PA se utiliza la tecnología de transmisión especificada en IEC 1158-2. Es una transmisión síncrona a 31.2 kbits/seg que satisface requerimientos muy importantes en las industrias química y petroquímica: seguridad intrínseca y suministro de energía a los dispositivos a través del bus mediante el simple uso de cable de cobre de dos hilos. De esta manera, es posible utilizar Profibus en áreas peligrosas. Se pueden utilizar topologías lineales, en árbol y estrella.En este perfil se definen, de manera independiente al fabricante, los parámetros y la conducta de los dispositivos de campo típicos, tales como transductores de medición, posicionadores, válvulas de control, etc.

• Diseñado para automatización de procesos.• Permite la conexión de sensores y actuadores a una línea de bus común incluso en áreas especialmente protegidas.• Permite la comunicación de datos y energía en el bus mediante el uso de 2tecnologías (norma IEC 1158-2).

PROFIBUS DP: (Periferia descentralizada)

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Decentralized Periphery, Está optimizado para ofrecer mayor velocidad,eficiencia y bajo costo de conexiones porque fue diseñado específicamente para establecer la comunicación crítica entre los sistemas de automatización y los equipos periféricos. Velocidades de comunicación de hasta 12 Mb/sg. Esta versión de Profibus está diseñada especialmente para comunicación entre sistemas automáticos de control y E/S distribuidos a nivel de campo (periferia distribuida).Los mensajes de diagnóstico se transmiten sobre el bus y se recuperan en la estación maestra. Es un sistema monomaestro.

• Optimizado para alta velocidad.• Conexiones sencillas y baratas.• Diseñada especialmente para la comunicación entre los sistemas de control de automatismos y las entradas/salidas distribuidas.

ROFIBUS FMS: Especificación de bus de campo Mensaje

Fieldbus Message Specification, es el perfil de comunicación capaz de manejar todas las tareas intensivas de transferencia de datos muy comunes en las comunicaciones industriales, por lo que se le considera la solución universal para la transferencia de información en el nivel superior y de campo del modelo jerárquico de automatización. Es la solución general para tareas de comunicación a nivel de control. Los potentes servicios FMS abren un amplio rango de aplicaciones y proveen de gran flexibilidad. También puede ser empleado para tareas de comunicaciones extensas y complejas. Está concebido para comunicar elementos de campo complejos que dispongan de interface FMS.Se pueden alcanzar velocidades de transmisión de hasta 1,5 Mb/sg. en función del medio utilizado. Sistema multimaestro.• Solución general para tareas de comunicación a nivel de célula.• Gran rango de aplicaciones y flexibilidad.• Posibilidad de uso en tareas de comunicaciones complejas y extensas.

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Figura 12 Versiones compatibles de PROFIBUS

Puede decirse sin lugar a dudas que PROFIBUS ha conseguido definir toda una red de comunicación industrial, desde el nivel físico hasta el de aplicación, superando ampliamente los límites de un bus de campo, integrando al máximo las técnicas de comunicación previamente definidas y consolidadas En la actualidad la estructura es tal que los grupos de los 20 países más industrializados ofrecen un soporte en su idioma para el resto del mundo.Todos los grupos de usuarios se unen bajo la Organización PROFIBUS International (PI), que con más de 750 miembros es la organización de buses de campo más grande del mundo.

ESTRUCTURA DE LA RED

Medio físicoLa tecnología de transmisión más usada es la RS 485,conocida habitualmente como H2. Su área de aplicación comprende aquellas aplicaciones donde prima su simplicidad, la velocidad de transmisión y lo barato de la instalación. Se usa un par diferencial con cable trenzado, previsto para comunicación semi-duplex, aunque también puede implementarse con fibra óptica y enlaces con estaciones remotas vía módem o vía radio. La velocidad de transmisión varía entre 9.6Kbits/s y 12Mbits/s, dependiendo del medio físico, como se indica en la tabla 3.

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Tabla 3. Distancias máximas sin repetidor, según medio físico

Al conectar varias estaciones, hay que comprobar que el cable de las líneas de datos no sea trenzado. El uso de líneas apantalladas es absolutamente esencial para el logro de una alta inmunidad del sistema en ambientes con emisiones altas de electromagnetismo. El apantallamiento se usa para mejorar la compatibilidad electromagnética (CEM).

ELEMENTOS DEL BUS

El elemento esencial del bus es el nodo. PROFIBUS prevé la existencia de dos tipos de nodos:

Activos: son nodos que pueden actuar como maestro del bus, tomandoenteramente el control del bus.

Pasivos: son nodos que únicamente pueden actuar como esclavos y, por tanto, no tienen capacidad para controlar el bus. Estos nodos pueden dialogar con los nodos activos mediante un simple mecanismo de pregunta-respuesta, pero no pueden dialogar directamente entre sí. Aparte de estos dos tipos de nodos, existen otros dos bloques esenciales en la arquitectura del bus:

Expansiones E/S: este tipo de bloques constituyen la interfaz con las señales deproceso y pueden estar integrados tanto en un nodo activo como en un nodo pasivo.Repetidores: los repetidores ejecutan el papel de simples transceptores bidireccionables para regenerar la señal.

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TOPOLOGÍALa topología puede ser simplemente en forma de bus lineal o en forma de árbol, en el que los repetidores constituyen el nudo de partida de una expansión del bus (Figura 13).

Fig. 13 Estructura física incluyendo repetidores para expansión del bus

Este caso, la estructura en árbol es puramente una impresión de dibujo, ya que elPROFIBUS admite una estructura lógica de maestro flotante y una estación activa, ejerciendo el papel de maestro, que puede estar físicamente conectada a lo que se pudiera considerar una expansión del bus. Por tanto, incluso en caso de ramificaciones debe considerarse como un bus único. El número máximo de nodos conectables a cada tramo del bus, sin necesidad de repetidores es de 32. A efectos de esta limitación los propios repetidores cuentan como un nodo. El número máximo de nodos del bus es de 127, de los cuales un máximo de 32 pueden ser nodos activos. No existe ninguna

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limitación en cuanto a poder configurar una estructura con buses anidados (un esclavo puede ser, a su vez, maestro de otro bus de nivel inferior), aunque deben considerarse como buses independientes, dado que el protocolo no permite direccionar desde arriba las estaciones de niveles inferiores.

ESTRUCTURA LÓGICA

La estructura lógica es de tipo híbrido: las estaciones activas comparten una estructura de maestro flotante, relevándose en el papel de maestro mediante paso de testigo. Las estaciones pasivas sólo pueden ejercer el papel de esclavos, sea cual sea el maestro activo en cada momento. La Figura 14 ilustra esta estructura.

Fig. 14 Estructura lógica

Naturalmente esta estructura admite la posibilidad de que exista un solo nodo activo en el bus, con lo que se convertiría en un bus con una estructura del tipo maestro-esclavo. Cabe señalar que cuando una estación activa posee el testigo, considera a todas las demás como esclavos, incluyendo también al resto de estaciones activas que no poseen el testigo en aquel momento.

TECNOLOGÍA DE TRANSMISIÓN

El área de aplicación de un sistema de buses de campo está claramente determinada por la elección de la tecnología de transmisión. Aparte de los requerimientos generales (seguridad de transmisión, distancia de la misma, velocidad) cobran particular importancia los factores electromecánicos. Cuando se mezclan aplicaciones para

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automatización de procesos, los datos y la energía deben ser transmitidos en un cable común. Como es imposible satisfacer todos losrequerimientos con una tecnología de transmisión sencilla, PROFIBUS aprovecha tres variaciones:

RS 485 (Transmisión para DP/FMS)Es la transmisión más frecuentemente utilizada por PROFIBUS. Esta tecnología de transmisión es conocida como H2. Su área de aplicación incluye todas las áreas en las que se requieren alta velocidad de transmisión y una instalación sencilla. Tiene la ventaja de que posibles ampliaciones no influyen en las estaciones que se encuentran ya en operación.Algunas de sus características son:

Velocidad de transmisión de 9.6 Kbit/seg. a 12 Mbit/seg. Se seleccionará una para todos los dispositivos. La estructura de la red es linear, con par trenzado. Conexión máxima de 32 estaciones sin repetidor (127 con repetidor). Longitud máxima del cable dependiente de la velocidad de transmisión.

Tabla 4

Tabla 4 Distancias basadas en la velocidad de transmisión

En la conexión, es conveniente tener en cuenta algunas precauciones, de las que son destacables:

Se recomienda el uso de líneas de datos escudadas para mejorar la compatibilidad electromagnética (EMC).

Se recomienda mantener las líneas de datos separadas de los cables de alto voltaje.

IEC 1158-2 (Transmisión PROFIBUS PA)

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La tecnología de transmisión IEC 1158-2 cumple los requerimientos de las industrias químicas y petroquímicas.Posee una seguridad intrínseca y permite a los dispositivos de campo ser conectados al bus.Es una tecnología principalmente usada por PROFIBUS PA y suele conocerse como H1.

La transmisión se basa en los siguientes principios: Cada segmento tiene sólo una fuente de energía. No se produce ningún tipo de alimentación cuando una estación está enviando

datos. Los dispositivos actúan como sumideros pasivos de corriente. Se permiten redes con estructura linear, en árbol y estrella. Para incrementar la fiabilidad, se pueden diseñar segmentos de bus

redundantes.

Las características más importantes de este tipo de transmisión son:

Transmisión de datos digital, asíncrona, codificación Manchester. Velocidad de transmisión 31.25 kbit/seg. Seguridad de los datos: prueba de error al principio y al final. Cable de dos líneas trenzadas. Opción de alimentación a distancia. Conexión de 32 estaciones por segmento (máximo de 126 con repetidor). Posibilidad de expansión hasta a 4 repetidores. La estructura de la red es linear, en árbol o una combinación de ambas.

FIBRA ÓPTICA.Los conductores por fibra óptica pueden ser usados para aplicaciones PROFIBUS en ambientes con interferencias electromagnéticas muy altas y para incrementar la distancia máxima con velocidades elevadas. Hay disponibles dos tipos de conductores. Los conductores por fibra óptica (plástico) para distancias de 50m. o los conductores por fibra óptica (cuarzo) para distancias de 1Km. Son muy baratos. Muchos fabricantes ofrecen conexiones especiales que posibilitan una conversión integrada de señales RS 485 para trabajar con conductores de fibra óptica y viceversa. Esto proporciona un método muy sencillo de intercambio entretransmisión RS 485 y transmisión por fi bra óptica en un mismo sistema

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EL FUTURO DE PROFIBUS:

Los organismos autónomos que promueven Profibus siempre están atentos a la evolución de las tecnologías informáticas y de comunicaciones para incluirlas en el protocolo y poder conservar siempre la compatibilidad con las mismas. Recientemente, ha habido muchos avances tecnológicos que están creando nuevos oportunidades, tal es el caso de OPC, internet TCP/IP y ethernet industrial. Profibus mantiene plena compatibilidad con todas estas nuevas tecnologías que serán dominantes en los próximos años. Recientes estudios de mercado llevados a cabo por empresas ajenas a la Organización de Usuarios de Profibus señalan a éste como el bus con más futuro en el campo de los procesos industriales.

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BIBLIOGRAFIA

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