Redes Industriales, Capitulo 8

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    8. REDES DE CAMPO

    El modelo jerrquico es una herramienta muy til para disear infrestructura deredes corporativas confiables y eficientes.

    Figura 8.1. Modelo jerrquico de una red corporativa.

    El modelo jerrquico divide una red en tres capas:

    Capa de Acceso.

    Proporciona a los usuarios acceso a la red y sus equipos y servicios. En una redcorporativa, la capa de acceso generalmente incorpora switches LAN con puertosque proveen conectividad a las estaciones de los usuarios y a los servidores. En unambiente WAN, proveer a trabajadores a distancia o sitios remotos acceso a la redcorporativa por medio de tecnologas de comunicacin WAN. En un ambienteindustrial, esta capa correspondera a la capa de buses I/Odonde se encontraran

    los sensores y actuadores inteligentes; es decir, como se ver ms adelante,aquellos provistos de interfaces para conexin a una red. El dispositivo inteligenteque se encontrar en este nivel ser el PLC local de control.

    Capa de Distribucin

    En un ambiente corporativo, es en esta capa donde se agrupan los armarios decomunicaciones, que son los equipos donde converge el cableado, usando switchespara segmentar grupos de trabajo y as aislar los problemas de una red. Se dice queen este campo es donde se implementa conectividad basada en las polticasparticulares de una empresa. Aqu es donde se filtra trfico para decidir quien puede

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    conectarse con quien. Adems, en esta capa es donde se provee la conectividadhacia las redes WAN situadas en el borde de conectividad empresarial.Core layer

    Tambin referida como el backbone, hace referencia a tecnologas que proveen alta

    velocidad para conmutar paquetes tan rpido como sea posible. Debido a que lacapa core es crtica para la conectividad, debe proporcionar un alto nivel dedisponibilidad y adaptacin a cambios con mucha rapidez. Tambin debe proveerescalabilidad y convergencia rpida.

    Siguiendo este modelo es que una red industrial tiene el modelo jerrquico que semuestra a continuacin.

    8.1. ARQUITECTURA DE LAS REDES DE CAMPO INDUSTRIALES

    Las redes industriales, limitadas antes a comunicar los diferentes dispositivos de

    campo (transductores y transmisores con actuadores) han ido evolucionando parapoder procesar los datos que una planta moderna debe generar para sercompetitiva, segura, confiable. As mismo, han tenido que desarrollarse para podersatisfacer las necesidades de informacin que ahora se tiene no solo a nivel deproceso sino tambin a nivel de gerencia.

    Para poder satisfacer estos requerimientos, que implica que en una red industrialmoderna deban coexistir equipos de todo tipo, es necesario agruparlos en una formajerrquica, de tal forma que se optimice su uso, administracin y mantenimiento.

    Nivel de Gestin: Se encarga de integrar los niveles inferiores a una estructuraorganizada y jerrquica. Las mquinas en este nivel sirven de enlace entre elproceso productivo y el rea de gestin, en la cual se requiere informacin sobreventas, tiempos de produccin, repuestos en bodega, etc. Emplean redes tipo LAN yWAN que funcionan bajo protocolos como Ethernet y TCP/IP.

    Nivel de Control:Se encarga de enlazar y controlar los distintos procesos, lneas deproduccin de una planta industrial. A este nivel se sitan los PLCs de grandesempeo y poder, as como computadoras destinadas a diseo, control decalidad, programacin. Suelen emplear redes tipo LAN que funcionan bajo elprotocolo Ethernet y/o Ethernet Industrial.

    Nivel de Campo y Proceso: Aqu se realiza la integracin de la informacingenerada y requerida por los procesos de campo automticos y controlados queutilizan PLCs y Controladores, multiplexores de Entrada / Salida (I/O), controladoresPID, etc., conectados en sub redes. Aqu es frecuente encontrar uno o variosautmatas modulares, actuando como maestros. En este nivel se emplean los buseso redes industriales de campo que funcionan bajo protocolos como Fieldbus,Profibus, por mencionar algunos.

    Nivel de I/O:Es el nivel ms prximo a las variables fsicas de la planta. Aqu sehallan los sensores (transmisores) y actuadores encargados de medir y controlar los

    procesos productivos, respectivamente. Basados en la informacin que se recoge eneste nivel, aplicaciones de control toman las decisiones necesarias que garantizan

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    una correcta automatizacin. En este nivel se emplean protocolos como: Seriplex,Hart, CanBus, etc.

    Una planta industrial organizada de esta forma requiere de sistemas: SCADA, DCS,Muliplexores y HMIs. Vale indicar que un diagrama representativo de una planta

    organizada de esta forma suele parecer ser simple. Lneas que unen un bus conotro, ocultan la complejidad que en realidad existe. Desde ya debe entenderse quela unin no es solamente asunto de unir elctricamente un bus con otro, sino lograrque dos protocolos diferentes puedan comunicarse entre si. Para esto haydispositivos especialmente diseados con este propsito cuyos protocolos (como elEthernet/ModbusRTU) y funcionamiento se estudiar ms adelante.

    Figura 3.1. Niveles de una red industrial

    En este captulo se introduce el concepto de las redes de campo industriales o,como tambin se las denomina, el Bus I/O /Entrada / Salida).

    Existen dos tipos de buses I/O; el bus de dispositivos y el bus de procesos. Lasredes industriales o buses I/O permite a un PLC comunicarse con dispositivos deentrada y salida de manera similar a como en una red de rea local, PCs o PLCssupervisores se comunican con PLCs individuales (Figura 4.1).

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    Figura 4.1. Diagrama de bloques de una red de campo o bus I/O

    Esta configuracin descentraliza el control en un sistema para que los PLCs seencarguen de controlar partes de un todo, dando como resultado un sistema decontrol ms grande y rpido. Rpido pues la informacin tender a viajar solamentehasta / desde un PLC. Poco trfico ser el que tenga que recorre muchos caminosen la red con lo que se optimiza el flujo de datos en la misma. La topologa oarquitectura fsica de un bus I/O sigue la configuracin de un bus o bus extendido,esto permite que dispositivos inteligente (interruptores de fin de carrera,fotoelctricos y de proximidad) se conecten directamente sea a otro PLC o a unaLAN. En estos buses se debe hacer notar una diferencia: el bus, a ms de tenerlneas para transmitir datos, puede tambin tener lneas de alimentacin. La Figura

    4.2 ilustra una conexin tpica entre un PLC, una red de rea local y un bus I/O.

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    Figura 4.2 Conexin entre un PLC, una LAN y un Bus I/O

    A un bus I/O se debe conectar dispositivos inteligentes (Figura 4.3) donde lo deinteligente se puede traducir como un dispositivo que tiene los circuitos y la lgicapara compartir el medio fsico con otros dispositivos.

    En un bus I/O, el PLC maneja los dispositivos inteligentes directamente sin el uso de

    mdulos de entrada y salida; lo que quiere decir que el PLC se conecta y secomunica con los dispositivos inteligentes de entrada y salida de acuerdo a unprotocolo de bus. Para esto el PLC usa un I/O bus Network scanner. Un bus I/Oscanner lee y escribe a la direccin de cada uno de los dispositivos inteligentes, almismo tiempo que lee la informacin contenida en los paquetes de la red. Una redgrande con bus de topologa de rbol puede tener hasta 2048 dispositivos de campodiscretos o ms conectados.

    Figura 4.3 Conexin de un dispositivo inteligente a una red bus I/O

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    Los dispositivos inteligentes conectados en un bus I/O poseen inteligencia en laforma de un microprocesador u otros circuitos (Figura 4.4).

    Figura 4.4. Inteligencia en un dispositivoEstos dispositivos no solo comunican el estado (ON/OFF) de una entrada y salida,sino que tambin dan un diagnstico de sus estados de operacin. Por ejemplo unsensor fotoelctrico puede reportar cuando su ganancia interna empieza a decrecerpor un lente sucio; o un interruptor de lmite puede reportar el nmero demovimientos que ha ejecutado. Este tipo de informacin puede prever un malfuncionamiento de un dispositivo de entrada salida y puede indicar cuando un sensorha llegado a su lmite de vida y tiene que ser cambiado.

    4.1. TIPOS DE BUS I/O EN REDES.

    Los buses I/O de redes pueden dividirse en dos diferentes categoras: una que tieneque ver con dispositivos de bajo nivel que son tpicos de operacin de manufacturadiscretas y los otros son dispositivos de alto nivel utilizados en procesos industriales.

    Las categoras de los buses de red son: Buses de dispositivos. Buses de proceso.

    Bus de Dispositivos.- Es la interfaz con los dispositivos de campo de bajo nivel(pulsadores, interruptores de fin de carrera, etc), cuyo fin es proporcionar

    informacin respecto al estado de los dispositivos (ON/OFF) o al estado deoperacin (operacin correcta / incorrecta). Estas redes generalmente trasmiten solodesde unos pocos bits hasta varios bytes de datos en un determinado tiempo.

    Bus de Proceso.-Por otro lado, estos buses se conectan a dispositivos de campocapaces de generar un alto nivel de informacin (vlvulas de proceso inteligentes,medidores de nivel inteligentes, etc), que tpicamente se emplean en aplicaciones decontrol de procesos en donde se requiere un control ms fino de sus variables. Elbus de procesos maneja grandes lotes de datos (varias centenas de bytes), dandoinformacin acerca del proceso, as como de los mismos dispositivos de campo(marca del equipo, fecha de ltimo mantenimiento, etc). La Figura 4.5 ilustra laclasificacin de los dos tipos de busesI/O

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    La mayora de dispositivos conectados a un bus de procesos son analgicos, cuyainformacin por supuesto debe ser convertida a digital para su transmisin; losdispositivos conectados a un bus de dispositivos son discretos. Sin embargo, el busde dispositivos algunas veces incluye dispositivos analgicos como termocuplas ycontroladores de velocidad, que transmiten unos pocos bytes de informacin.

    El bus de dispositivos que incluye dispositivos discretos, tanto como pequeosdispositivos analgicos, son llamados byte-wide bus networks que podra

    traducirse como redes con bus para transmitir bytes. Estas redes pueden transferirentre 1 a 50 o ms bytes de datos en un determinado momento. El bus dedispositivos que se comunica solo con dispositivos discretos es llamado bit-wide busnetworks, este transfiere menos de 8 bits de datos desde dispositivos discretossimples a distancias relativamente cortas.

    La razn principal para que el bus de dispositivos trabaje con dispositivos discretos yel bus de procesos con analgicos es el requerimiento diferente de transmisin dedatos. El tamao de los paquetes de informacin tiene un efecto inverso en lavelocidad con que estos datos viajan en la red. Puesto que los buses de dispositivostrasmiten poca informacin pueden trabajar a gran velocidad y por lo mismodeberan emplearse en aplicaciones donde se requiere de rapidez de accionamientode ciertos dispositivos, caso de una electro vlvula por ejemplo. El bus de procesostrabaja lentamente por el gran tamao de los paquetes de datos y, por lo mismo, selos aplica ms para el control de dispositivos de entrada/salida analgicas que norequieren una respuesta rpida de tiempo, por ejemplo una servo vlvula.

    Las velocidades de transmisin para ambos tipos de buses I/O pueden ser de hasta1 y 2.5 Mbytes por segundo. Sin embargo un bus de dispositivos puede entregarms paquetes de informacin que el bus de procesos.

    Puesto que por un bus de proceso se puede transmitir varios cientos de bytes dedatos, son apropiados para aplicaciones que requieren una transmisin de datos

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    complejos. Por ejemplo, un bus de procesos compatible con un transmisor depresin puede proveer de control con mucha mayor informacin que solo presin,esta puede tambin transmitir informacin acerca del flujo de temperatura flotante yas como de su operacin interna. Este tipo de informacin requiere un paquetelargo de datos a transmitir y para esto es apropiado el bus de proceso pues en el de

    dispositivos simplemente no cabra.

    4.2. PROTOCOLOS DE LOS BUSES Y REDES DE CAMPO INDUSTRIALES

    Ninguno de los dos buses I/O tienen un protocolo estndar; sin embargo algunasorganizaciones estn trabajando para desarrollar tanto especificaciones para losbuses de dispositivos como de proceso.

    En el rea del bus de proceso dos organizaciones principales, la Fundacin Fieldbus(que es el resultado de la unin de la Fundacin ISP y FIP) y la Organizacin deComercio Profibus (bus de proceso inteligente) estn trabajando para producir

    estndares para protocolos y redes industriales.

    Otras organizaciones como la ISA y el IEC estn tambin participando en eldesarrollo de estos estndares. Esta es la razn por la que algunos fabricantesespecifican que sus productos analgicos son compatibles con Profibus, Fieldbus uotro tipo de esquema de protocolo de comunicacin.

    La Figura 4.6 ilustra un diagrama de bloques de los protocolos disponibles.

    Figura 4.6 Estndares de protocolos

    Otra manera de intentar una clasificacin de los buses de campo se muestra en laFigura 4.7 a continuacin.

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    Figura 4.7. Otra clasificacin de las redes o buses de campo industriales.

    Tanto los buses de dispositivos como los de proceso trasmiten su informacin de lamisma manera; esto es, digitalmente. De hecho, la necesidad de la comunicacindigital fue uno de las mayores razones para el establecimiento de las redesindustriales. La comunicacin digital es la que permite que ms de un dispositivopueda conectarse a un mismo medio y compartirlo debido a la capacidad dedireccionamiento que ofrecen y a que los nodos involucrados sean capaces dereconocer los datos. Por otro lado, los datos digitales son menos propensos a sufrir

    de distorsin producto de la EMI o RFI. Tambin, los PLCs pueden transmitir datosdigitales sin tener que convertirlos a anlogos y viceversa. De esta manera haymenos errores asociados a la conversin A/D y D/A. Por ltimo otra de las grandesventajas tiene que ver con la enorme reduccin de cableado al no tener queconectar los dispositivos de campo con cables de conexin individuales.

    4.3. REDES CON BUSES DE DISPOSITIVOS BIT-WIDE

    Se usan con simples dispositivos de campo discretos; es decir, sensores yactuadores tipo ON-OFF. Pueden trasmitir tan solo 4 bits (un nibble) que essuficiente para trasmitir los datos desde estos dispositivos. Los dispositivos ms

    pequeos requieren de solo un bit para operar. Minimizando la cantidad de datostrasmitidos, estos bueses pueden proveer un rendimiento ptimo a bajos costos. Losbuses ms comunes son: ASI, InterBus Loop y Seriplex.

    Red ASI

    Se usa en redes que no requieren ms de 124 dispositivos de Entrada / Salida (I/O).Estos 124 dispositivos de entrada y salida pueden conectarse a hasta 31 nodos seaen una topologa de anillo, rbol o estrella. Los dispositivos de I/O se conecta al PLCo a una PC por medio de una interfaz controladora (una tarjeta que se conecta albus). La Figura 4.8 ilustra una red bit-wide ASI.

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    Figura 4.8. Red de dispositivos bit-wide ASI

    La red se fundamenta en un chip de protocolo ASI, por lo mismo, los dispositivosque se conecten a esta red deben tener este chip. Los dispositivos compatiblestpicos suelen ser interruptores de proximidad, sensores fotoelctricos, interruptoresde fin de carrera y dispositivos estndar, aunque respecto a estos ltimos se debeindicar que el chip ASI est ubicado en el nodo; es decir, un nodo inteligente con unchip ASI esclavo.

    Las redes ASI requieren una fuente de alimentacin de 24 V DC que se conecta pormedio de un par de alambres sin blindaje y no trenzados. Lo interesante es quetanto el voltaje de alimentacin como los datos viajan por el mismo par de alambres.La longitud mxima del cable es de 100 m desde el controlador maestro con unavelocidad de transmisin de 167 Kbps.

    En la Figura 4.9 se muestra una red que combina tanto una red bit-wide ASI con unared byte-wide CANbus. Se debe notar que la red ASI se conecta a la CANbus pormedio de un Gateway, el cual es un dispositivo que permite la comunicacin entreredes que corren con diferente protocolo.

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    Figura 4.9. Redes ASI y CANbus trabajando juntas.

    InterBus Loop

    La red bit-wide InterBus loop fue desarrollada por la compaa Phoenix Contact Inc.y es empleada para conectar a un PLC dispositivos sensores y actuadores simples.InterBus Loop emplea una tecnologa de alimentacin y comunicacin denominadaPowerCom para enviar la seal con el protocolo InterBus por las lneas dealimentacin; es decir, el protocolo es modulado en las lneas de poder. Esto permitereducir el nmero de cables requerido por la red a solamente dos conductores quellevan tanto la alimentacin como las seales de comunicacin a los dispositivos decampo.

    Puesto que tanto InterBus-S como InterBus Loop emplean el mismo protocolo, sepueden comunicar entre ellos por medio de un mdulo terminal InterBus Loop

    localizado en la red InterBus-S, el cual se conecta a los dispositivos de campo pormedio de los dos alambres. Una red InterBus Loop se puede tambin conectar condispositivos no inteligentes por medio de mdulos interfaz que contienen un chipinteligente esclavo. En la Figura 4.10 se muestra un ejemplo de conexin de estasredes.

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    Figura 4.10. Redes InterBus Loop e InterBus-S unidas por mdulo terminal InterBus Loop

    Seriplex

    La red Seriplex permite la conexin de hasta 510 dispositivos de campo a un PLC enuna configuracin Maestro / Esclavo o peer to peer. La red Seriplex se basa en elchip ASIC (Application Specific Integrated Circuit) el cual debe estar presente en

    todos los dispositivos que se conectan en esta red. Los dispositivos que no tieneeste chip puede conectarse a la red por medio de un mdulo Seriplex I/O quecontiene un chip ASIC esclavo. La interfaz ASCI I/O contiene 32 funciones lgicasbooleanas que sirven para proveer la lgica necesaria para comunicar, direccionar einteligencia necesaria para controlar los dispositivos de campo conectados a la red(Figura 4.11).

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    Figura 4.11. Red Seriplex con mdulo controlador

    La red Seriplex a nivel de capa fsica puede extenderse hasta 2000m con una

    topologa estrella, bus o rbol. Esta red tambin puede operar sin un controlador. Adiferencia de la red ASI, la red Seriplex se puede conectar con dispositivos anlogosde entrada y salida; sin embargo, la seal anloga digitalizada se debe leer o escribirbit por bit en cada ciclo de barrido. La Figura 4.12 muestra una red Seriplex tpica sincontrolador.

    Figura 4.12. Interfaz Seriplex I/O sin un controlador

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    4.4. REDES CON BUSES DE DISPOSITIVOS BYTE-WIDE

    Loa buses de dispositivos byte-wide ms comunes estn basados en las redesInterBus S y CANbus.

    InterBus-S

    Es una red de sensores y actuadores que conecta estos dispositivos de campo a unPLC o a una computadora (Soft PLC) en una configuracin tipo anillo. Tieneincorporadas interfaces I/O en sus 256 nodos posibles, que tambin incluyenbloques terminales de conexin que posibilitan y facilitan la conexin a msdispositivos I/O. Gracias a estos bloques terminales es posible conectar hasta 4096dispositivos de campo I/O (dependiendo de la configuracin) a una velocidad de 500Kbps con deteccin de error tipo CRC.

    El PLC se comunica con los dispositivos conectados al bus empleando el mtodoMaestro / Esclavo va un mdulo o controlador de host. Por medio de una interfazRS-232 es posible conectar una computadora al controlador para propsitos dediagnstico. La Figura 4.13 ilustra una red InterBus-S que muestra los dispositvosque se han diseado para proveerle de gran funcionalidad.

    Figura 4.13. Red InterBus-S con una interfaz controlador host a un PLC

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    Las direcciones de los dispositivos en la red InterBus-S son automticamentedeterminados por su ubicacin fsica y as se elimina la necesidad de asignarmanualmente las direcciones. El dispositivo controlador continuamente barre losdispositivos de I/O leyendo todas las entradas en un barrido y escribiendo datos enlas salidas. InterBus-S trabaja en las capas Fsica, Enlace de Datos y Aplicacin del

    modelo OSI.

    A nivel de capa Fsica emplea una topologa de anillo (Figura 4.14). Permite unalongitud distribuida de cable de hasta 12.000 m. Este puede ser TP (par trenzado),fibra ptica, infrarrojo o conexiones SMG.

    Figura 4.14. Topologa de anillo de Interbus S.

    Los conectores que se emplean se pueden ver en las figuras que siguen:

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    Figura 4.15. Conectores de Interbus S.

    Una red tpica se muestra en la Figura 4.16 y 4.17.

    Figura 4.16. Red Interbus S tpica

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    Figura 4.17. Uso de los conectores en la capa fsica.

    TRAMA INTERBUS S

    A nivel de la capa de Enlace de Datos, el protocolo recurre a un maestro que usaregistros de desplazamiento sincronizados, para la trasmisin Full-Duplex ytrasmisin total de la trama Figura 4.18. No hay arbitracin de protocolo. Puede leery escribir hasta 4.096 entradas y salidas digitales en menos de 14 ms. Poseecorreccin de errores CRC.

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    Figura 4.18. Tramas de Interbus S.

    En la capa de Aplicacin el protocolo es capas de ubicar e identificar la causa de unproblema en la red. Hay servicio de mensajera tipo cliente servidor y posibilitatransmisin de alta velocidad tanto de los datos anlogos como digitales.

    Es posible conectar hasta 256 corridas para un total de 4096 entradas digitales y4096 salidas digitales, o una combinacin de seales digitales y anlogas.

    Red CANbus Byte-Wide

    Tienen como base el chip CAN que se us inicialmente en automviles paracontrolar sus partes electrnicas. EL CANbus es abierto y puede manejar datos de

    longitud variable de hasta 8 bytes. CAN implementa cinco mecanismos de deteccin

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    de errores, entre ellos un CRC. De este modo los errores globales que ocurren entodos los nodos se pueden detectar el 100% de las veces. La probabilidad de nodetectar un error local queda reducida a 3 x 10-5.

    Existen dos implementaciones hardware bsicas, aunque la comunicacin en ambas

    es idntica y son compatibles entre s. Esto permite administrar el uso del bus enfuncin de las necesidades de cada nodo.

    Basic CAN: hay un vnculo muy fuerte entre el controlador CAN y elmicrocontrolador asociado. El microcontrolador ser interrumpido para tratarcon cada uno de los mensajes del CAN. Cada nodo transmitir tan slocuando se produzca un evento en alguna de las seales que le conciernen.Este modo de funcionamiento es adecuado para aquellos nodos encargadosde manejar informaciones espordicas, disminuyendo la ocupacin del bus.

    Full CAN: contiene dispositivos de hardware adicionales que son

    proporcionados por un servidor que automticamente recibe y transmite losmensajes CAN, sin necesidad de interrumpir al microcontrolador asociado,reducindose la carga del mismo. Est orientado a nodos encargados delmanejo de seales con un alto nivel de exigencia en cuanto a frecuencia deactualizacin y/o seguridad

    Los dispositivos se comunica por medio de 4 cables ms blindaje: 2 para los datos y2 para la alimentacin. Hay un quinto que es el blindaje.

    Figura 4.19. Cable de comunicacin para CANbus

    La comunicacin puede ser Maestro / Esclavo o peer to peer. En este ltimo caso,

    como en un sistema habr parmetros que varen ms rpidamente que otros, por loque necesitarn una transmisin ms frecuente y un mecanismo rpido de

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    asignacin del bus, para aquellas situaciones en las que haya ms de un nodotransmitiendo a la vez, la prioridad de los mensajes CAN se determina mediante losidentificadores de los mismos. Se utiliza el mtodo CSMA/CD (Carrier Sense,Multiple Access with Collision Detect), con la capacidad de arbitrio no destructivopara poder detectar las posibles colisiones.

    Figura 4.20. Protocolos de la capa fsica de CANBus.

    TRAMA CAN BUS

    Los mensajes transmitidos desde cualquier nodo en una red CAN no contienen ladireccin del nodo emisor ni la del nodo receptor. En vez de esto, los mensajescontienen una etiqueta identificativa, nica en toda la red, que realiza esa funcin.Estos identificadores determinan la prioridad del mensaje. El mensaje de mayorprioridad gana el acceso al bus, mientras que los mensajes de menor prioridad seretransmitirn automticamente en los siguientes ciclos de bus. Como consecuencia

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    de esto, varios nodos pueden recibir y actuar simultneamente sobre el mismomensaje.Esta estructura de los mensajes ofrece a la red una gran flexibilidad y posibilidad deexpansin, ya que nuevos nodos pueden ser aadidos a la red sin la necesidad dehacer ningn cambio en el hardware ni en el software existente.

    Las tramas de los mensajes son los elementos bsicos de transmisin y van de unnodo emisor a uno o varios nodos receptores. Hay dos protocolos de comunicacin:el estndar, que soporta mensajes con identificadores de 11 bits, y el expandido,que soporta de 11 y de 29 bits.

    El mensaje est dividido en siete campos diferentes, cada uno de ellos con unafuncin especfica:

    Figura 4.21. Trama CANBus.

    La velocidad de la trasmisin depende de la longitud del cable. La tabla abajomuestra las velocidades para las redes CANbus: DeviceNet y SDS.

    Tabla 4.1. Velocidad versus longitud de cable a) DeviceNet, b) SDS CANbus

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    La red DeviceNet, que tiene como base a CANBus puede soportar 64 nodos y hastaun mximo de 2048 dispositivos de campo.

    La red SDS tambin puede manejar 64 nodos; sin embargo, este nmero puede

    subir hasta 126 localidades direccionables si se emplean interfaces I/O multipuerto.Si se usan interfaces 4 a 1, en cada nodo se pueden tener hasta 126 dispositivos nointeligentes. Esto se muestra en la Figura 4.22.

    Figura 4.22. a) Una red SDS multiplexada y b) un concentrador de I/O de alta densidad

    La interfaz multipuerto tiene un chip CAN esclavo que provee la informacin delestado de los dispositivos.

    Una red SDS puede transmitir varios bytes de informacin en la forma de mensajes

    de longitud variable. Por esta razn puede conectarse a dispositivos inteligentes que

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    pueden traducir uno, dos o ms bytes de informacin desde la red a 16 o 32 bits deinformacin tipo ON/OFF.

    La red SDS (Smart Distributed System), a nivel de la capa 2 tambin se basa en elprotocolo inmerso en el chip CAN, tanto para el formato de la trama como para la

    deteccin de errores. A nivel de capa fsica requiere de 4 hilos: 2 para laalimentacin y 2 para los datos. La velocidad de transmisin es de 1 Mbps hasta40m y 100 Kbps hasta 800m.

    La red CANbus emplea 3 de las capas del modelo OSI y define tanto el mtodo deacceso al medio como la sealizacin a emplearse en la capa fsica. Provee CRCpara el chequeo de errores.

    Un scanner o un procesador de I/O CANBus proveen la interfaz entre el PLC y la redCANBus. En la Figura 4.23 se muestra un scanner CANBus diseado por AllenBradley que tiene 2 canales en los que se pueden conectar hasta 64 dispositivos.

    Figura 4.23. Ejemplo de un scanner CANBus

    Los conectores para la conexin se muestran en la Figura 4.24.

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    Figura 4.24. Terminales de conexin para DeviceNet.

    En la Figura 4.25 se muestra un ejemplo en el que emplea un sistema Flex I/O conun procesador DeviceNet para crear as un susbsistema I/O DeviceNet.

    Figura 4.25. Un sistema Flex I/O conectado con un procesador DeviceNet

    Para tratar de cubrir todas las posibilidades de uso en una industria, DeviceNet, aligual que otros fabricantes, han introducido una serie de dispositivos que amplan elhorizonte de esta tecnologa.

    En la Figura 4.26 se muestra una red DeviceNet que muestra los dispositivos o

    interfaces ofrecidas.

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    Figura 4.26. Red DeviceNet con sus accesorios de conexin y conectividad.

    Figura 4.26. Prototipo de Red DeviceNet.

    4.5. REDES CON BUSES DE PROCESO

    Una red con buses de proceso es una red digital de comunicaciones, abierta y dealto nivel que se emplea para conectar dispositivos de campo anlogos a un sistemade control. Como se mencion antes, una red de proceso se emplea en aplicacionesdonde los sensores o actuadores anlogos de entrada / salida responden mslentamente que aquellos en aplicaciones con dispositivos discretos (y que conformanlas redes o buses de dispositivos). El tamao de los paquetes de informacin de

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    hasta / desde estos dispositivos de campo anlogos es grande, debido a lanaturaleza de la informacin que se recoge.

    Los protocolos que se empelan en estas redes de proceso transmiten a velocidadesde 1 a 2 Mbps, an as se dice que su velocidad va de lenta a mediana debido a la

    gran cantidad de datos que deben transferir. De todas maneras, esta velocidad esadecuada debido a que los dispositivos anlogos no responden instantneamentecomo los discretos. En la Figura 4.27 se muestra una red de bus de proceso tpica.

    Figura 4.27. Configuracin tpica de una red de bus de proceso

    Las redes de proceso pueden transmitir una gran cantidad de informacin a un PLC,de ah que pueden mejorar notablemente la operacin de una planta o proceso. Porejemplo, un arranque de un motor inteligente, compatible con una red de proceso,puede proveer informacin acerca de la cantidad de corriente consumida por elmismo, tal que, si la cantidad de corriente sube, o hay algn sntoma de problema, elsistema puede alertar al operador y evitar una falla potencial del motor en una lneade produccin crtica. La implementacin de este tipo de alerta sin una red deproceso sera muy cara y problemtica debido a la cantidad de acometidas dealambre que se debera instalar para transmitir este tipo de informacin.

    Se cree que las redes de proceso eventualmente reemplazarn a todas las redesanlogas 4-20 mA. Esto debido a que las redes de proceso o digitales, en general,proveen mayor exactitud y repetibilidad, as como aaden la posibilidad decomunicacin bidireccional entre los dispositivos de campo y los controladores(como los PLCs) sobre el mismo par de hilos, algo que no se puede hacer con lasredes anlogas 420 mA.

    Un PLC o computadora se comunica con una red de proceso por medio de unmdulo o tarjeta interfaz controladora que pueden emplear sea el formato del

    protocolo MODBUS, Fieldbus o Profibus. El procesador del bus de procesogeneralmente se inserta dentro del gabinete del PLC.

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    4.5.1. MODBUS

    El protocolo Modbus es un estndar interno que los controladores Modicon usanpara el intercambio de mensajes. Con este protocolo, los controladores Modiconpueden comunicarse entre s y con otros dispositivos sobre una variedad de redes,

    dentro de las que se incluyen las redes industriales Modicon, Modbus y ModbusPlus, y las redes estndar MAP y Ethernet. Las redes son accedidas por medio depuertos incorporados en los controladores o por adaptadores de red, o gatewaysdisponibles desde Modicon.

    Tal como ya se ha dicho, el protocolo define la estructura del mensaje que loscontroladores reconocen y usan. Describe tambin el protocolo de control de accesoal medio (MAC) y cmo se detectarn y reportarn los errores.

    4.5.1.1. El Ciclo Pregunta - Respuesta

    Los dispositivos en una red Modbus se comunican usando la tcnica maestro esclavo, en la cual slo un dispositivo (el maestro) puede iniciar transacciones(llamadas peticiones queries). Los otros dispositivos (los esclavos) respondensuministrando al maestro el dato solicitado, o realizando la accin solicitada en lapeticin. A esta forma de comunicacin se conoce como el ciclo Pregunta Respuesta.

    Figura 4.29. El ciclo PreguntaRespuesta

    LA PREGUNTA

    Se refiere al mensaje de peticin que enva el maestro a un esclavo. El cdigo de lafuncin en la pregunta dice qu tipo de accin debe realizar el dispositivo esclavodireccionado. Los bytes de datos contienen informacin adicional que el esclavonecesitar para realizar la funcin. Por ejemplo, la funcin cdigo 03 solicitar al

    esclavo leer los registros y responder con el contenido de los mismos. El campo de

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    datos debe contener la informacin que le dice al esclavo con cual registro debeempezar y cuntos registros debe leer. El campo de chequeo de errores provee alesclavo un mtodo para validar la integridad del contenido del mensaje.

    Ejemplo de trama Modbus usando la funcin 05

    PETICION:

    LA RESPUESTA

    Si el esclavo realiza una respuesta normal, el cdigo de funcin en la respuesta esun eco del cdigo de funcin en la pregunta. Los bytes de datos contienen los datosrecolectados por el esclavo, tales como valores de registros o estados.

    Respuesta: es un eco si no hay error

    Si un error ocurre, el cdigo de funcin se modifica para indicar que la respuesta esuna respuesta de error, y los bytes de datos contienen un cdigo que describe el

    error. El campo de chequeo de error le permite al maestro confirmar que elcontenido del mensaje es vlido.

    Entre los dispositivos maestros tpicos se incluyen procesadores centrales y panelesde programacin. Esclavos tpicos son los PLCs (controladores programables).

    El maestro puede direccionar esclavos individualmente o puede generar un mensajeen modo difusin (broadcast) a todos los esclavos (en cuyo caso la direccin deldispositivo esclavo es 0). Los esclavos solo devuelven un mensaje de respuesta aaquellas peticiones que les son direccionadas individualmente. No se devuelvenrespuestas a peticiones en modo difusin enviadas desde el maestro.

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    Si un error ocurriera en el recibo del mensaje, o si el esclavo es incapaz de realizarla accin pedida, el esclavo construir un mensaje de error y lo enviar como sucontestacin.

    La trama genrica de Modbus tiene el formato siguiente:

    El Campo de Direccinde un trama contiene dos caracteres (ASCII) u ocho bits(RTU). Las direcciones vlidas de un dispositivo esclavo estn en el rango de 0 a247 decimal. Un maestro se dirige a un esclavo poniendo la direccin del esclavo enel campo de direccin del mensaje. Cuando el esclavo enva su respuesta, pone supropia direccin en el campo de direccin de la respuesta para permitir al maestrosaber qu esclavo est respondiendo.

    El protocolo MAC Maestro / Esclavo hace innecesario incluir la direccin deldispositivo fuente para el envo de una trama. No hay que olvidar que unatransaccin en una red maestro / esclavo es siempre iniciada por el maestro. Por lamisma razn, en el mensaje de respuesta desde un esclavo no hay que incluir ladireccin destino pues est siempre corresponder al maestro.

    La direccin 0 se usa como direccin broadcast. Cuando el protocolo Modbus se usaen redes de nivel ms alto, puede que no se permitan transmisiones broadcast, opuede que sean reemplazadas por otros mtodos. Por ejemplo, Modbus Plus usauna base de datos global compartida que se actualiza con cada rotacin del token.

    El campo Cdigo de Funcin de una trama contiene dos caracteres (ASCII) u ochobits (RTU). Los cdigos Vlidos estn en el rango de 1 a 255 decimal. De stos,

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    algunos cdigos son aplicables a todos los controladores Modicon, mientras algunoscdigos slo aplican a ciertos modelos, y otros son reservados para uso futuro.

    El campo de datos se construye usando juegos de dos dgitos hexadecimales en elrango de 00 al hexadecimal FF. stos pueden hacerse con un par de caracteresASCII, o con un carcter RTU, segn el modo de transmisin serial de la red.

    Se usan dos tipos de chequeo de errores para las redes Modbus estndar. Elcontenido del campo de chequeo de errores depende del modo de transmisin serialque se est usando: ASCII o RTU. Si es ASCII se usa LRC y si es RTU se empleaCRC.

    4.5.1.2. TRANSACCIONES EN LAS REDES MODBUS

    Los prticos Modbus estndar en los controladores Modicon usan una interfaz RS-232C que, entre otras cosas, define los pines del conector, cableado, los niveles de

    la seal, la velocidad de transmisin, y chequeo de paridad. Los controladorespueden ser conectados directamente en red o va mdems.

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    Dos Modos de Transmisin Serial.

    Los Controladores pueden configurarse para comunicarse en redes Modbusestndar empleando uno de dos modos de transmisin: ASCII o RTU. Los usuariosdeben seleccionar el modo deseado, junto con los parmetros de comunicacin

    serial (velocidad de transmisin, modo de paridad, etc), durante la configuracin decada controlador.

    El modo y los parmetros seriales deben ser el mismo para todos los dispositivos en

    una red Modbus. La seleccin del modo: ASCII o RTU slo pertenece a redesModbus estndar, y define los contenidos binarios de los campos del mensajetransmitido serialmente en estas redes; es decir, determina cmo se empaquetar lainformacin en los campos del mensaje y como se decodificar.

    Modo ASCII

    Cuando se configuran los controladores para comunicarse en una red de Modbususando modo ASCII (Cdigo Estndar Americano para el Intercambio deInformacin), cada byte de ocho-bits de un mensaje se enva como dos caracteresASCII.

    1 SISTEMA DE CODIFICACION- Hexadecimal, ASCII caracteres 0... 9, A... F- Un caracter hexadecimal es contenido en cada caracter ASCII del

    mensaje

    2 BITS POR BYTE- 1 bit de inicio .- 7 bits de los datos, el bit ms significativo se enva primero- 1 bit para paridad par / impar, no bit para ninguna paridad

    - 1 bit de parada si se usa paridad, 2 bits si no se usa paridad3 CAMPO DE CHEQUEO DE ERRORES

    - Chequeo de Redundancia Longitudinal (LRC)

    Ventaja Principal: Permite intervalos de tiempo entre caracteres hasta de unsegundo antes de que ocurra un error por timeout.

    TRAMA ASCII

    En modo ASCII, los mensajes comienzan con un carcter ( : ) dos puntos (ASCII 3A

    hex) y terminan con un par de caracteres (CRLF) Retorno de Carro + Avance de

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    Lnea) (ASCII 0D hex y 0A hex). Los caracteres a transmitir permitidos para todos losdems campos son 0-A, A-F hexadecimal. Los dispositivos conectados en redmonitorizan el bus de red continuamente para detectar un carcter dos puntos.Cuando se recibe, cada dispositivo decodifica el prximo campo (el campo dedireccin) para enterarse si es el dispositivo direccionado.

    Pueden haber intervalos de hasta un segundo entre caracteres dentro del mensaje.Si transcurre ms tiempo entre caracteres, el dispositivo receptor asume que haocurrido un error.

    Se muestra a continuacin una trama de mensaje tpica.

    Excepcin: Con los controladores 584 y 984A/B/X, un mensaje ASCII puedeterminar normalmente despus del campo LRC sin enviar los caracteres CRLF.En ese caso, debe tener lugar una pausa de al menos 1 segundo. Si esto sucede, elcontrolador asumir que el mensaje ha terminado normalmente.

    Modo de RTU

    Cuando los controladores se configuran para comunicarse en una red Modbus enmodo RTU (Remote Terminal Unit), cada byte de ocho bits en un mensaje contienedos caracteres hexadecimales de cuatro bits. La ventaja principal de este modo esque su gran densidad de caracteres permite un mejor rendimiento (throughput) queel modo ASCII para la misma velocidad de transmisin. Cada mensaje debetransmitirse en un flujo continuo.

    Sistema de codificacin

    - Binario de ocho bits, hexadecimal 0... 9, A... F- Dos caracteres hexadecimal se contienen en cada campo de ocho bits del

    mensaje

    BITS POR BYTE- 1 bit de inicio- 8 bits de datos, el bit menos significativo se enva primero- 1 bit de paridad par / impar, no bit para no paridad- 1 bit de parada si se usa paridad, 2 bits si no se usa paridad

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    El Campo de Chequeo de error- Chequeo de Redundancia Cclico (CRC)

    Ventaja Principal: Permite transmitir una densidad mayor de caracteres con la mismataza de baudios que en el modo ASCII

    TRAMA RTU

    En modo RTU, los mensajes comienzan con un intervalo silencioso de al menos 3.5tiempos de carcter. Esto es ms fcilmente implementado como un mltiplo detiempos de carcter a la velocidad de transmisin configurada en la red (mostradocomo T1-T2-T3-T4 en la figura de la trama). El primer campo transmitido esentonces la direccin del dispositivo destinatario.

    Los caracteres a transmitir permitidos para todos los campos son 0-A, A-Fhexadecimal. Los dispositivos conectados en red monitorizan el bus de redcontinuamente incluso durante los intervalos silenciosos. Cuando el primer campo(el campo de direccin) es recibido, cada dispositivo lo decodifica para enterarse sies el dispositivo direccionado.

    Siguiendo al ltimo carcter transmitido, un intervalo de al menos 3.5 tiempos decarcter seala el final del mensaje. Un nuevo mensaje puede comenzar despus deeste intervalo.

    La trama completa del mensaje debe ser transmitida como un flujo contnuo. Si unintervalo silencioso de ms de 1.5 tiempos de carcter tiene lugar antes de

    completar la trama, el dispositivo receptor desecha el mensaje incompleto y asumeque el prximo byte ser el campo de direccin de un nuevo mensaje.

    De forma similar, si un nuevo mensaje comienza antes de que transcurran 3.5tiempos de carcter despus de un mensaje previo, el dispositivo receptor loconsiderar una continuacin del mensaje previo. Esto dar lugar a un error, ya queel valor en el campo final CRC no ser vlido para el mensaje combinado. Debajo semuestra una trama de mensaje tpica.

    Comparacin entre los dos modos:

    En cualquiera de los dos modos de transmisin serial (ASCII o RTU), un mensajeModbus es empaquetado por el dispositivo que transmite en una trama que tiene uncomienzo y un final conocidos. Esto permite a los dispositivos receptores detectar elcomienzo de la trama, leer la direccin y determinar qu dispositivo est siendo

    direccionado (o todos los dispositivos si es una difusin, direccin = 0) y conocer

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    cundo se ha completado el mensaje. Se pueden detectar mensajes parciales ygenerar mensajes de error como resultado.

    Debe entenderse que en otras redes, como MAP y Modbus Plus, los mensajes

    Modbus se ponen en tramas que no estn relacionadas con la transmisin serial.Por ejemplo, una peticin de lectura de registros puede manejarse entre doscontroladores Modbus Plus sin tener en cuenta la configuracin de los prticosModbus seriales de cualquiera de los dos controladores.

    4.5.1.3. Transacciones con otros tipos de Red

    La Figura 4.28 muestra cmo podran interconectarse los dispositivos en unajerarqua de redes que emplean tcnicas de comunicacin diferentes. La idea es quela trama Modbus encapsulada en la estructura del paquete de cada red provee el

    lenguaje comn por medio del cual los dispositivos pueden intercambiar mensajes.

    Figura 4.28. Combinacin de Modbus en redes jerrquicas.

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    Dicho de otra forma, sobre otras redes los mensajes del protocolo Modbus seintegran dentro de la trama utilizada por esas redes. Por ejemplo, los controladoresde red Modicon para Modbus Plus o MAP, con software de aplicacin asociado drivers y libreras - proporciona la conversin entre la trama del protocolo Modbus ylas tramas especficas de los protocolos que esas redes utilizan para comunicar sus

    dispositivos nodo. De esta forma, algunos modelos de controladores Modiconpueden comunicarse sobre Modbus Plus empleando puertos incorporados, oadaptadores de red, y sobre MAP, usando adaptadores de red que hablen eseprotocolo.

    En estas redes, los controladores se comunican usando la tcnica de par-a-par(peertopeer ) en la que cualquier controlador puede comenzar las transaccionescon los otros controladores. As, un controlador puede operar como un esclavo ocomo amo en transacciones separadas. Frecuentemente se proporcionan caminosinteriores mltiples para permitir transacciones concurrentes Maestro - Esclavo.

    A nivel de mensaje, sin embargo, el protocolo Modbus aplica todava el principioMaestro-Esclavo aunque el mtodo de comunicacin de red sea par-a-par. Si uncontrolador origina un mensaje, lo hace como un dispositivo maestro y, por lomismo, espera una contestacin desde un dispositivo esclavo. Similarmente, cuandoun controlador recibe un mensaje construye una contestacin de esclavo y lo retornaal controlador que origin la peticin.

    4.5.2. MODBUS PLUS

    Aplicaciones de Modbus Plus

    Modbus Plus es un sistema de red de rea local diseado para aplicaciones demando industriales. Cada red soporta 64 dispositivos de nodo direccionables, a unataza de transferencia de datos de 1 Mbps. Las aplicaciones incluyen supervisin demando de un proceso y los mensajes de supervisin.

    Modbus Plus mantiene el protocolo de comunicacin par-a-par en los diferentesniveles de la red. Modicon proporciona una variedad de controladores programablesy adaptadores de red. La red tambin permite mdulos de comunicacin I/Odistribuidos (DIO) en los que los controladores Modicon se comunican directamente

    con los subsistemas I/O.Cada controlador Modicon acepta que una red de computadoras se conectedirectamente a su puerto Modbus Plus. Agregando mdulos opcionales de red,pueden configurarse redes adicionales para extender las comunicaciones de I/O enla aplicacin del usuario.

    El bs de la red usa un solo-cable o un cable dual. El diseo de cable dual aumentala proteccin contra las fallas del cable o el ruido que puede aparecer en cualquiercorrida del cable, permitiendo que ante la presencia de un problema la comunicacincontine por el camino libre de errores.

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    A 32 dispositivos nodo puede conectarse directamente el bus de red la cual puedecubrir una longitud de 1500 pies (450 metros). Es posible emplear repetidores paraextender la distancia del cable a su mximo de 6000 pies (1800 metros), y el nmerode nodos a su mximo de 64.

    Comunicacin entre Redes

    Es posible emplear un puente (bridge) para unir redes que estn jerrquicamente enel mismo o diferente nivel. El puente permite el enrutamiento de los mensajesoriginados en el nodo de una red a travs de uno o ms puentes a un nodo destinoen otra red. Esto optimiza el trfico en las redes pues solamente el trfico necesariocircular por cada red lo cual es til para aplicaciones crticas en cuanto al tiempo.en que cada red emplea slo los dispositivos requerido por cronometrar del procesolocal. Solamente los mensajes que se requieren pasarn por los puentes para llegara otras redes.

    Modbus y Modbus Plus pueden empelar Puentes Multiplexores. El Multiplexor delPuente proporciona cuatro puertos seriales que se pueden configurarseparadamente para protocolo Modbus o como dispositivos RS232 / RS485.

    Ejemplos de redes Modbus

    La Figura 4.30 muestra un diagrama de bloques de cuatro redes Modbus Plus.

    Las redes A y B organizan los niveles y estn unidas por un Puente. Las redes C yD son redes distribuidas de dispositivos I/O (DIO) que se conectan a una red decomputadoras usando los mdulos opcionales de Red (NOMs). Cada DIO seconecta a su red a travs de un adaptador DIO Modbus Plus.

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    Figura 4.30. Redes unidas por un puente y mdulos I/O

    Debe aclarase que nodo indentifica a cualquier dispositivo que se conecta

    fsicamente al cable Modbus Plus. El trmino se aplica a cualquier dispositivo, seadireccionable o no

    La Figura 4.31 muestra una red con siete nodos. Algunos nodos, por ejemplo si setrata de PLCs, tienen una direccin y pueden servir como fuente o destino de losmensajes. La ventaja del Puente, que tiene una direccin, es que separa lasdirecciones de los nodos direccionables en cada uno de las dos redes. El Repetidores un nodo que une dos secciones, no tiene ninguna direccin, y sirve para extenderla red.

    Figura 4.31. Red extendida por un repetidor

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    Los segmentos se unen por medio de empalmes que son dispositivos pasivos quemantienen al cable troncal como tal.

    La Figura 4.32 muestra una aplicacin de los DIO con tres redes. Los nodosmostrados incluyen al PLC, mdulos DIO, y adaptadores DIO.

    Figura 4.32. Red con mdulos DIO y adaptadores DIO

    En las redes del cable dual, dos segmentos de cable corren en paralelo entre dospares de nodos. Ellos deben tenderse por caminos separados dentro de la planta,para proporcionar la fiabilidad mxima en caso de interferencia elctrica o daofsico al cable.

    Topologa Lgica de la Red (capa de enlace de datos)

    Los nodos de la red se identifican por direcciones asignadas por el usuario. Ladireccin de cada nodo es independiente de su ubicacin fsica en la red. Lasdirecciones estn dentro del rango de 1... 64 decimal, y no tienen que sersecuenciales. No se permiten direcciones duplicadas.

    Los nodos de la red funcionan como miembros un una un anillo lgico; esto es,ganarn acceso a la red cuando el token les permita. Cada red tiene su propio tokenrotando por la red, independientemente de las otras redes. Cuando se tiene redesmltiples unidas por puentes, los token no pasan a travs de los puentes.

    Cuando un nodo posee el token, puede empezara a transmitir un mensaje a otro

    nodo. Cada mensaje contiene campos donde estn definidos la fuente y el destino.Es posible tener mensajes tipo broadcast lo cual es til para la actualizacin rpidade alarmas, setpoints, y otros datos. Cada red mantiene su propia base de datosglobal, en donde se anota los nodos que pertenecen a dicha red.

    La Figura 4.33 muestra el recorrido del token en dos redes unidas por un Puente.

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    Figura 4.33. Rotacin del Token en dos redes unidas por un puente

    Capa Fsica

    El bus de la red consiste de un par trenzado con blindaje. Los dos datos en el cableno son sensibles a la polaridad, sin embargo, es conveniente seguir una convencindurante la instalacin elctrica para facilitar el mantenimiento. La red consiste desecciones de cable, cualquier seccin puede tener hasta 32 nodos, con unadistancia de cable mxima de 1500 pies (450 m). las Secciones pueden ser unidaspor Repetidores para extender la longitud de la red hasta dar soporte a 64 nodos.

    La longitud del cable mnima entre cualquier par de nodos debe ser por lo menos 10pies (3 m). La longitud de cable mxima entre dos nodos es igual a la longitud de laseccin mxima de 1500 pies (450 m).

    En las redes de cable dual, los cables se identifican como el cable A y el cable B.Cada cable puede tener hasta 1500 pies (450 m) de largo, La diferencia en lalongitud entre los cables A y B no debe exceder los 500 pies (150 m). Se conectanlos nodos al cable por medio de un dispositivo de empalme, proporcionado porModicon. Este mantiene la continuidad del cable troncal de la red, al mismo tiempoque une el dispositivo del nodo. Un terminal facilita la conexin a tierra.

    El empalme tambin contiene una resistencias terminales que debern conectarsecuando sea el caso para prevenir las reflexiones. En la Figura 4.34 se muestra un

    esquema del empalme.

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    Figura 4.34. Diseo del empalme al cable

    La Figura 4.35 ilustra un empalme en el que ilustra cuando se debe conectar losjumpers internos para terminar adecuadamente los extremos del cable.

    Figura 4.35. Topologa Fsica con jumpers

    Figura 4.36. Topologa Fsica con Cables Duales

    En la Figura 4.37 se muestra un ejemplo de una red Modbus Plus con un miltiplexor.

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    Figura 4.37. Red Modbus Plus Multiplexada con multiplexor.

    En la Figura 4.38 se muestra como se cablea entre un dispositivo de campo y eladaptador de red de un PLC.

    Figura 4.38. Cableado entre dispositivo ce campo y adaptador de red

    A continuacin en la Figura 4.39 se muestra un ejemplo de una aplicacin real de

    empleo del protocolo Modbus.

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    Figura 4.39. Ejemplo de una aplicacin real con Modbus.

    En el mundo industrial se tiende a considerar al Modbus como un protocolo que notiene muchas oportunidades de competir con Fieldbus o Profibus, los cuales tienenorganizaciones muy grandes de apoyo; sin embargo, Modbus es un estndar que haestado mucho tiempo en el mercado y su difusin ha sido muy extendida.

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    4.5.3. FIELDBUS

    Al igual que Modbus y Profibus, Fieldbus busca conectar las redes de campo y lasadministrativo financieras de una forma jerrquica, tal como se ilustra en la Figura4.40.

    Figura 4.40. Red administrativa y redes de campo.

    Se ha dicho que cada protocolo tiene sus caractersticas de funcionamiento propias.Al unir redes con diferentes protocolos, como se muestra en la Figura 4.40 surgenincompatibilidades. En muchos casos no se trata de protocolos que compitan entres, sino que funcionan bajo reglas diferentes y hay que procurar que secomplementen, particularmente en una arquitectura de comunicacin de variosniveles tal como se muestra arriba.

    FOUNDATION FIELDBUS

    Este es el nombre que se da a la organizacin que da soporte a este protocolo paralograr su difusin a nivel mundial. La red de bus de proceso Fieldbus es un sistemade comunicacin de dos vas, serial, digital y multipuerto que conecta equipo decampo, como sensores y actuadores inteligentes, con controladores, como PLCs.

    Con Fieldbus no se trata simplemente de reemplazar las redes anlogas de corrientede 4-20 mA por una red digital. Por medio de la comunicacin digital se permiteenviar no slo una seal de medicin o control, sino tambin anexar importanteinformacin de diagnstico, que facilita el trabajo de mantenimiento y da mayorseguridad al sistema, as como alarmas, parmetros de configuracin, etc. Adems,siendo la comunicacin bi-direccional se facilitan las labores de configuracin y

    calibracin.

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    El protocolo est desarrollado a partir del modelo de comunicaciones OSI.

    Es un protocolo para redes industriales pensado especficamente para aplicacionesde control distribuido. Puede comunicar grandes volmenes de informacin, idealpara aplicaciones con varios lazos complejos para control de procesos y

    automatizacin de una fabrica. Provee bloques de funcin: IA, ID, OA, OD, PID, quepueden intercambiarse entre la estacin maestra y los dispositivos de campo. Lalongitud mxima por mensaje es de 256 bytes, lo que permite transferir funciones decontrol con el concepto de objetos.

    Figura 4.41. Protocolo Fieldbus y su comparacin con el modelo OSI

    Fundamentalmente consta de tres niveles:

    a) Capa fsica,b) Capa o pila (Stack) de comunicaciones, yc) Capa de usuario.

    En este protocolo no se implementan los niveles 3, 4, 5 y 6 del modelo OSI, puesestos no se requieren en aplicaciones de control de procesos, pero si se tiene encuenta dentro del stack de comunicaciones a la capa de aplicacin que tiene quecomunicarse con el Nivel de Usuario. La capa de usuario no pertenece al modeloOSI y en el protocolo Fieldbus provee varias funciones clave como son: bloques defunciones, servicios de descripcin de dispositivos y administracin del sistema.

    CAPA FSICA

    Trata de las caractersticas mecnicas, elctricas y funcionales para establecer yliberar conexiones fsicas, responde a las normas ISA/IEC (ISA 550.02-1992/IEC1158.2).

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    Poseen velocidades de 31,25 Kbps (H1, baja), 1 Mbps (H2, media) y 2,5 Mbps (H2,alta) que depende del modo que se haya configurado: modo de corriente AC o modode voltaje DC.

    Se emplea codificacin Manchester Bifsica L, llamada serial sincrnica pues la

    seal del reloj se inserta en los datos, tal como se ilustra en la Figura 4.42.

    Para la separacin de tramas se emplean: prembulo, limitador de inicio (StartDelimeter) y limitador Final (End Delimiter) cuyo patrn se muestra a continuacin.

    Figura 4.42. Codificacin y limitadores de trama en Fieldbus.

    El pre-ambulo emplea el receptor para sincronizar su reloj interno con la sealFieldbus entrante. Cdigos especiales N+ y N- se hallan en el limitador de inicio yfinal. Note que las seales N+ y N- no cambian de nivel en el medio de un bit.

    Por otro lado, el receptor emplea el limitador de inicio para encontrar el comienzo deuna mensaje (trama) Fieldbus. Despus de que lo encuentra, el receptor acepta losdatos hasta que recibe el limitador final.

    Fieldbus H1

    El H1 fieldbus se puede usar para aplicaciones como control de temperatura, nivel yflujo. Los dispositivos de campo pueden ser alimentados directamente desdefieldbus y operar sobre cables 4-20 mA previamente instalados.

    El H1 fieldbus puede tambin dar soporte a buses intrnsicamente seguros (I.S.) con

    dispositivos alimentados desde el bus. Una barrera I.S. se coloca entre la fuente de

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    alimentacin en el rea segura y los dispositivos I.S. en el rea peligrosa (Figura4.43.

    Figura 4.43. Dispositivo I.S. en una red Fieldbus.

    Sealizacin Fieldbus H1

    El dispositivo transmisor entrega 10 mA a 31.25 kbit/s sobre una carga terminal de50 ohm para crear un voltaje de 1.0 voltios pico-a-pico modulada sobre la corrientecontinua (DC) del voltaje de alimentacin.

    El voltaje de alimentacin DC puede variar desde 9 a 32 VDC (Figura 4.44). Sinembargo, para aplicaciones I.S. el voltaje de alimentacin permisible depende de losvalores de la barrera.

    Figura 4.44. Sealizacin para Fieldbus H1.

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    Cableado en Fieldbus H1

    El bus de H1 acepta derivaciones (stubs o spurs) como se muestran en la Figura4.45. La longitud del cable est determinado por la taza de comunicacin, tipo decable, calibre del alambre, la opcin de alimentacin del bus y la opcin de la barrera

    I.S.

    Figura 4.45. Cable principal y derivaciones.

    La corrida principal no puede exceder los 1900 m (6,232 ft) con par trenzadoblindado. La longitud del cable se determina sumando la longitud del bus y todas laslongitudes de las derivaciones. Como se muestra en la Figura 4.45 las terminacionesse ubican en los dos extremos del cable principal. Su se puede decidir sobre lalongitud de una corrida o derivacin, mientras ms corta sea es mejor.

    La longitud total de una derivacin est limitada por el nmero de derivaciones y elnmero de dispositivos por derivacin. A continuacin se muestra un resumen de laslongitudes mximas permitidas de una derivacin como funcin del nmero dedispositivos en el segmento.

    Nmero de MximaDispositivos longitud de la derivacin25-32 1 m (3.28 ft)19-24 30 m (98.42 ft)15-18 60 m (196.8 ft)13-14 90 m (295.2 ft)

    1-12 120 m (393.6 ft)

    Fieldbus H2

    El Fieldbus H2 se usar tpicamente para procesos de control avanzados, entrada /salida remota, y aplicaciones de automatizacin industriales de alta velocidad.

    Aunque el estndar de la Capa Fsica permite que los dispositivos sean alimentadosdesde el bus, en la mayora de las aplicaciones corriendo bajo H2 los dispositivossern auto-suficientes o alimentados desde un bus de alimentacin separado en elcable fieldbus (es decir, un cable de 4-hilos).

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    Sealizacin en Modo de voltaje para H2

    El dispositivo transmisor entrega 60 mA a 1.0 or 2.5 Mbit/s sobre una cargaequivalente de 75 ohmios para crear un voltaje pico-a-pico de 9 voltios en el fieldbus(Figura 4.46).

    Figura 4.46. Sealizacin para H2.

    Sealizacin en Modo de Corriente H2

    Fieldbus H2 da soporte a un modo de corriente especial, intrnsicamente seguro, conopcin para alimentacin del dispositivo desde el bus. Para usar esta opcin, laseal fieldbus es modulada en una seal de fuerza de 16 KHz AC (Figure 4.47).

    Figura 4.47. Seal Fieldbus modulando la seal de fuerza.

    Los dispositivos Fieldbus son conectados a la corrida principal empleando unconector especial que emplea acoplamiento inductivo para captar la seal y laalimentacin. EL conector especial no perfora el bus principal.

    Cableado del Fieldbus H2 Fieldbus

    La topologa del fieldbus H2 se muestra en la Figure 4.48. Debido a las frecuenciasaltas de 1.0 Mbit/s a 2.5 Mbit/s, solamente se permite que haya el bus principal sinderivaciones pues podran provocar reflexiones. El nmero total de dispositivos enFieldbus depende de factores como consume de potencia, tipo de cable, uso derepetidores, etc.

    La Figura 4.48 tambin ilustra como un puente puede conectar una red H1 a una red

    H2.

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    Figura 4.48. Puente conectado una red H1 con una red H2 en una red Fieldbus

    La Tabla que sigue provee un ejemplo de opciones disponibles para la Capa Fsica.

    Caractersticas Taza de datosTipo 31.25 kbit/s 31.25 kbit/s 31.25 kbits

    Voltage Voltage VoltageTopologa Bus/tree Bus/tree Bus/treeAlimentacin none DC DCClasificacin Intrinsicamente

    SeguroNmero de

    Dispositivos 2-32 2-32 2-32Longitud Cable 1900 m 1900 m 1900 m

    Las topologas fsicas posibles para la instalacin se muestran ms abajo. Sepueden inclusive utilizar combinadas, segn convenga para la aplicacin. Estas son:

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    Punto a punto Con ramales

    De rbol pata de gallo

    Donde el bus de comunicaciones total puede resultar entonces:

    Figura 4.49. Topologas fsicas en Fieldbus

    Se muestra en las ilustraciones combinaciones arbitrarias en la cantidad de vlvulascon relacin a la cantidad de transmisores. Obviamente es posible que un transmisorcontrole ms de una vlvula. Tambin es posible que varios transmisores participen

    en el control de una vlvula, caso de controles en cascada, proporcionalidad decaudales para mezcla, control de nivel de tres elementos, etc.

    La ilustracin mostrada constituye un sistema autnomo completamente operativoen el cual los transmisores y las vlvulas se comunican a travs del bus paramantener controlados los parmetros del proceso.

    CARACTERSTICAS DE LOS EQUIPOS ENERGIZADOS EN REDES DE 31,25Kbps

    Voltaje de operacin: 9,0 a 32,0 V DC Mximo voltaje: 35 V.

    Mxima tasa de cambio de corriente de reposo (no transmitiendo): este requisito noes aplicable en los primeros 10 ms aprox. de la conexin del equipo a una red enoperacin. A los 10 ms aprox. despus de energizada la red la corriente debe ser de1,0 mA.

    Mxima corriente: este requisito se ajusta durante el intervalo de 10 a 100 msdespus de conectar el equipo a una red en operacin. Corriente de reposo: 10 mA

    Un equipo FIELDBUS que opere en una red de 31,25 kb/s ser capaz de operar

    dentro del rango de voltaje de 9 V a 32 VDC entre los dos conductores incluyendo elrizado. Un equipo podr ser sometido a mximo voltaje de 35 VDC sin causar daos.

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    Un equipo FIELDBUS que opere en los 31,25 kb/s sigue los requisitos de la normaISA-S50.02 cuando este energizado por una fuente con las siguientesespecificaciones:

    a) La tensin de salida de la fuente de alimentacin para redes no I.S. nosobrepasara los 32 VDC incluyendo el ripple.b) La impedancia de salida de la fuente de alimentacin para redes no I.S.

    ser 3 KW dentro de la frecuencia de 7,8 KHz a 39 KHz. Este requisitono comprende los 10 ms de conexin al remover un instrumento de lared.

    c) La impedancia de salida de una fuente de alimentacin intrnsecamentesegura ser 400 KW dentro de la frecuencia de 7,8 KHz a 39 KHz.

    d) Los requisitos de separacin de la seal y la distribucin de energacon relacin a la tierra debe estar acorde conIEC 1131-2 (1993).

    EL STACK DE COMUNICACIONES

    Este provee los servicios de interfaces entre el nivel fsico y el nivel de usuario ycomprende fundamentalmente:

    La Capa de Enlace de Datos (Data Link) es del tipo token-ring y establece lavinculacin con el Nivel Fsico. Su funcin es la de controlar la transmisinde mensajes hacia y desde el Nivel Fsico.

    El acceso al bus se realiza mediante el protocolo LAS (link Active Scheduler)que acta como un centralizador y arbitrador de uso del bus, permitiendo unacomunicacin determinista y realizando una distribucin de tiempo tal quetodo dispositivo conectado sea sensado. Adems, permite trasmisiones tipobroadcasting.

    La Capa de Aplicacin comprende la transferencia de datos desde el Nivel 2al Nivel 7 y el tratamiento de los comandos que vienen desde el Nivel deUsuario para direccionar y acceder por su nombre los dispositivos remotos.

    LA CAPA DE ENLACE DE DATOS

    A diferencia de otros sistemas de comunicacin, el Fieldbus no se maneja con larelacin maestro/esclavo. Esta relacin exige que el maestro o patrn preguntepara que el instrumento esclavo responda. El esclavo es incapaz de tomariniciativa dando como resultado que todas las imprescindibles intervenciones delpatrn consumen valioso tiempo del bus de comunicaciones.

    La red Fieldbus permite dos formas para acceder a la red: cclica (scheduled) yacclica (unscheduled).

    a) Cclica: La trasmisin de mensajes ocurre a intervalos de tiempo regulares y

    programados. Un Token da el derecho a un dispositivo de iniciar una transmisin.

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    El LAS transmite el "Token" para que un equipo que necesita iniciar unatransmisin lo pueda hacer a intervalos regulares.

    Figura 4.50. Transferencia de datos cclica (scheduled).

    b) Acclica: Se trasmiten entre los mensajes regulares. Un equipo solicita un"Token" usando un cdigo en algunas de las respuestas enviadas a la red. ElLAS recibe esta solicitud y enva un "Token" para el equipo que lo solicito,cuando halla tiempo disponible entre las trasmisiones peridicas. Tambin seemplea cuando el dispositivo maestro enva un mensaje no programado a undispositivo esclavo. Los mensajes acclicos tpicos son seales de alarma ocomandos especiales para extraer informacin de disgnstico desde losdispositivos de campo esclavos.

    Figura 4.51. Transferencia de datos acclica (unscheduled).

    Como ya se mencion, con Fieldbus se tiene un Link Active Scheduler (LAS) queseala el inicio de cada ciclo de comunicaciones.

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    Figura 4.52. Algoritmo del LAS.

    Dentro de cada ciclo, cada uno de los instrumentos de campo, en forma secuencial,publica la informacin que le corresponde, la cual es recogida por los otrosinstrumentos que la necesiten. Dentro de cada ciclo se agrega un tiempo libredurante el cual cualquier instrumento puede tomar la iniciativa de publicarinformacin adicional a la rutinaria de control, como sera el caso de alarmas por darun ejemplo.

    De esta manera La velocidad H1 del bus de campo, 31.25 Kb/s, es suficiente paraatender los sistemas de control ms exigentes, sin ser tan alta que ocasione unelevado consumo de energa. As el bus opera normalmente con una alimentacin

    de 24 VDC.CAPA DE USUARIO

    Se encarga de definir una interfaz que permite que el usuario interacte con losdispositivos de campo. Existen dos recursos importantes:

    a) los bloques de funcin (FB),b) los servicios de descripcin de dispositivos (DDS), yc) el administrador del sistema (SM).

    Bloque de Funcin. Los bloques de funciones son funciones de controlencapsuladas que permiten la ejecucin de las operaciones de entrada / salida talescomo ingresar o sacar datos anlogos, control PID, entrada / salida de datosdiscretos, selectores de seal, etc. Se puede decir tambin que son objetos queproveen acciones de control en base al comportamiento de las I/O del dispositivo.Los bloques pueden residir dentro de los dispositivos de campo y estar disponiblespara otros, a travs de la red

    La tabla siguiente rene algunas funciones usuales de control y de I/O.

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    Block de Funcin Smbolo

    Analog InputAnalog OuputDiscrete InputDiscrete OuputManual Loader

    Proportional/DerivativeProportional/Integral/Derivative

    AIAODIDOMLPDPID

    Bloques de Recurso. Son los que permiten la descripcin de las caractersticas deldispositivo tales como: nombre, fabricante, modelo y numero de serie. Este es unrecurso importante pues la descripcin de las funciones disponibles en el dispositivo,permiten crear la HMI (Human Machine Interface), que le permita al usuarioconfigurar parmetros y realizar la calibracin, diagnstico y acceder a otras

    funciones de servicio que se encuentran en los dispositivos de campo.

    Bloque de Transferencia. Es la porcin de la administracin del sistema de la capade usuario que programa la ejecucin de los bloques de funciones a intervalosprecisos definidos. El usuario crea aplicaciones sobre el bus de campo, conectandolos bloques de funcin formando una estrategia de control distribuido, pudiendoespecificar en que tiempo y en que dispositivo se ejecutan. Por ejemplo lasfunciones AI, PID y AO pueden residir en forma individual en un transmisor, en uncontrolador de lazo abierto y en un actuador respectivamente. Ms an, laadministracin del sistema asigna automticamente las direcciones de losdispositivos de campo.

    El esquema siguiente muestra un control de lazo cerrado utilizando 3 bloques defuncin, donde la entrada analgica corresponde a un transmisor de presin,mientras que el algoritmo PID y la salida analgica corresponde a un posicionadorde una vlvula de control.

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    Figura 4.44. Lazo de control de un proceso ejecutado en una red FieldbusCon esta posibilidad de interconectar diferentes funciones de control que residen endiferentes dispositivos del bus de campo, el Fieldbus permite una verdaderaarquitectura de control distribuido.

    RESUMEN CARACTERISTICAS FIELDBUS

    Proveedor Foundacin Fieldbus

    Bus Abierto S

    Grupo d e UsuariosFoundacion Fieldbus, TEXAS

    Estndares IEC 1158-2Topologa

    Tasa detransmisin

    2.5 Mbps 500m

    1Mbps 750m

    31.75 Kbps 1900m

    Requerimientos del

    cableado

    Par trenzado con blindaje

    Estructura delPaquete de datos

    Synchrounous Manchester Coding

    Interfaz elctrica Energa y seales sobre la misma lnea

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    4.5.2. PROFIBUS

    La base de la especificacin del estndar PROFIBUS (PROcess Field BUS) fue unproyecto de investigacin (1987-1990) llevado a cabo por los siguientes

    participantes: ABB, AEG, Bosch, Honeywell, Moeller, Landis & Gyr, Phoenix Contact,Rheinmetall, RMP, Sauter-cumulus, Schleicher, Siemens y cinco institutos alemanesde investigacin. Hubo adems un pequeo apoyo por parte del gobierno alemn. Elresultado de este proyecto fue el primer borrador de la norma DIN 19245, elestndar Profibus, partes 1 y 2. La parte 3, Profibus-DP, se defini en 1993.

    Existen tres variantes principales de PROFIBUS de acuerdo a las caractersticas dela aplicacin:

    Automatizacin defbricas

    PROFIBUS DP

    (DIN 19245 T1 + T3)

    pr EN 50170

    Alta velocidad detransferencia de data

    para perifricosdescentralizados

    Automatizacin parapropsitos generales

    PROFIBUS FMS

    (DIN 19245 T1 + T2)

    pr EN 50170

    Perfiles de aplicacinespecficos:

    Maquinas textilesAutomatizacin de edificios

    Drivers, sensores yactuadores, PLCs, Switch

    gear debajo voltaje

    Automatizacin deprocesos

    PROFIBUS PA

    (DIN 19245 T4)

    en preparacin

    Tcnicas de transmisincon seguridad intrnsecade acuerdo a IEC 1158-

    2

    TABLA 4.2. La familia PROFIBUS

    En la Figura 4.45 se muestra como se conectan y relacionan estas redes de lafamilia Profibus, mientras que en la Figura 4.46 se muestra la relacin que existeentre los protocolos.

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    Figura 4.45. Jerarqua de la Red Profibus

    Figura 4.46. Arquitectura de los protocolos PROFIBUS.

    PROFIBUS-FMS

    Profibus FMS es la solucin universal para la comunicacin entre el nivel superior(nivel de celda) y el nivel de campo de acuerdo a la jerarqua de comunicacinindustrial de Profibus (Figura 4.45). Para llevar a cabo tareas de comunicacinextensivas con transferencia de datos en forma cclica o acclica a una velocidad detransmisin mediana, el servicio FMS "Especificacin de Mensaje de Bus de campo(Fieldbus Message Specification, por sus siglas en ingls)"ofrece una amplia gamade funcionalidad y flexibilidad.

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    El servicio FMS est definido como una subparte de las funciones MMS(Manufacturing Message Specification "Especificaciones de Mensajes delFabricante", ISO 9506) del protocolo MAP, protocolo de automatizacin defabricacin (Manufacturing Automation Protocol).

    El control a nivel de celda se da en reas (celdas) individuales que proveen decontrol durante la produccin. Los controladores a este nivel deben comunicarse conotros sistemas supervisores.

    PROFIBUS FMS ha estado disponible como Normativa Nacional Alemana (GermanNational Standard) DIN 19245 desde 1990 y est incluida en la Norma de Buses deCampo Europea (European Fieldbus Standard) parte EN 50170.

    Profibus FMS emplea la Especificacin de Mensaje Fieldbus (Fieldbus MessageSpecification) para ejecutar las tareas de comunicacin entre los niveles jerrquicos.Esta comunicacin se realiza a travs de mensajes cclicos o acclicos a velocidades

    de trasmisin medianas. En la Figura 4.47 se muestran las capas de este protocolo.

    Figura 4.47. Protocolo Profibus - FMS

    Configuracin PROFIBUS-FMS

    Un sistema tpico de PROFIBUS-FMS est compuesto por varios equipos deautomatizacin inteligentes (Figura 4.48):

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    Figura 4.48. Configuracin PROFIBUS-FMS

    PROFIBUS-DP

    Esta es la versin de desempeo optimizado de la red PROFIBUS, dedicadoespecficamente a comunicaciones de tiempo crtico entre sistemas deautomatizacin y perifricos distribuidos. En la Figura 4.47 se muestran las capas deeste protocolo.

    Figura 4.47. Protocolo Profibus - DP

    Es apropiado como un reemplazo del costoso cableado paralelo de 24 Vdc y 4 a 20mA utilizado en medicin de seales. PROFIBUS DP est basado en la parte 1 de lanorma DIN 19245 y ha sido mejorado con funciones de comunicacin efectivas parael propsito requerido. Ha estado disponible como Normativa Alemana DIN 19245parte 3 desde 1993. PROFIBUS DP est incluida en la Norma de Fieldbus Europea(European Fieldbus Standard) parte EN 50170.

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    Tal como se puede ver, la red Profibus DP no define las capas 3 a 7. Omite la capa7 principalmente para alcanzar la alta velocidad requerida por sus aplicaciones. Elmapeo de enlace datos directo (Direct Data Link Mapper, DDLM) localizado en lacapa dos provee el mapeo entre la interfaz del usuario y la capa 2 de la red Profibus-DP.

    Configuracin PROFIBUS-DP

    Maestro (Figura 4.48)

    Un sistema tpico PROFIBUS-DP consiste en: Un PLC o PC como sistema de control Varios dispositivos E/S como:

    E/S digitales o analgicas Accionamientos AC o DC

    Vlvulas magnticas o neumticas

    Figura 4.48. Configuracin PROFIBUS DP.

    Ambas variantes FMS y DP utilizan el mismo medio de acceso al medio (Capa 2) yla misma tcnica de transmisin (Capa 1).

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    PROFIBUS-PA

    PROFIBUS PA es la versin de PROFIBUS utilizada en automatizacin de procesos.PROFIBUS PA utiliza la tcnica de transmisin especificada en IEC 1158-2 y permiteseguridad intrnseca y estaciones alimentadas por el bus. PROFIBUS PA estbasado en los resultados del Proyecto de Sistemas Inter Operables (IPS- Inter-Operables System Project) el cual ha sido adoptado por la Organizacin de UsuariosPROFIBUS. Los perfiles del dispositivo definen las funciones especificas deldispositivo. El Lenguaje de Descripcin de Dispositivos (DDL - Device DescriptionLanguage) y los bloques de funcin permiten una completa interoperabilidad deldispositivo.

    Conf igu racin PROFIBUS-PA

    Figura 4.49. Configuracin PROFIBUS - PA.

    El protocolo es similar al de la red Profibus-FMS excepto que la capa 7 difiereligeramente. La capa 7 implementa el software de control de los bloques de

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    funciones y tambin contiene un lenguaje descriptor de dispositivos que se empleapara la identificacin y direccionamiento de los dispositivos de campo.

    Figura 4.48. Protocolo Profibus-DP

    La capa de enlace de datos de la red Profibus denominada Fieldbus Data Link Layer

    (FDL) ejecuta todas las trasmisiones de mensajes y protocolo. Esta capa esequivalente a la capa 2 del modelo OSI. La FDL tambin provee Control de Accesoal Medio (MAC) e integridad de datos. El control de acceso al medio se asegura quesolo una estacin tiene el derecho para transmitir. Debido a que Profibus puedecomunicar entre los maestros con iguales derechos de acceso (por ejemplo, 2PLCs), el control de acceso al medio se emplea para proveer a cada maestro laoportunidad de ejecutar sus tareas de transmisin dentro de intervalos de tiempodefinidos precisos. Para la comunicacin entre un maestro y esclavo, se consigueintercambio de datos en tiempo real, cclico tan pronto como sea posible en la red.

    El protocolo de acceso al medio de Profibus es un mtodo de comunicacin hbrido

    que incluye el protocolo token passing para comunicacin entre maestros y unprotocolo Maestro / Esclavo para comunicacin entre un maestro y los dispositivosde campo esclavos.

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    Dr. Luis Corrales ENERO 2008 Pg. 189

    Figura 4.49. Comunicacin Profibus Maestro-Maestro, Maestro-esclavo

    La Figura 4.49 muestra una estructura PROFIBUS con cinco estaciones activas(maestros) y cinco estaciones pasivas (esclavos). Los cinco dispositivos maestrosforman un anillo lgico y emplean el protocolo de paso de testigo (token passing).

    Durante cierto tiempo, despus que una estacin activa recibe el token, este lepermite ejecutar las funciones de maestro en el bus. Se puede comunicar con todaslas estaciones esclavas en una relacin de comunicacin maestro-esclavo y contodas las estaciones activas en una relacin de comunicacin maestro-maestro.

    En la fase de arranque del sistema, la tarea del control de acceso al medio (MAC) dela estacin activa es detectar su asignacin lgica y establecer el Token ring. En lafase operativa, las estaciones en condicin de falla o apagadas deben sereliminadas del anillo y las nuevas estaciones debern ser incorporadas al mismo.

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    Dpto. Automatizacin y Control Industrial Interfaces Comunicacin Industrial

    Dr. Luis Corrales ENERO 2008 Pg. 190

    RED: Exchange MASTER ESCLAVO (DP master Class 1)GREEN: Exchange MASTER MASTERBLUE:Class 2)

    Figura 4.50. Ejemplo de una red Profibus y el protocolo hbridoLas caractersticas adicionales del control de acceso al medio de PROFIBUS son:

    * Reconocer defectos en el medio de transmisin o en el transceiver.

    *