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Un recorrido por PROFIBUS

Un recorrido por PROFIBUS Introducción al bus de campo para la automatización de procesos

Introducción al bus de campo

“El libro es un aperitivo excelente – una introducción grandiosa al mundo de Profibus.” Jörg Freitag , Chairman de PROFIBUS International

para la automatización de procesos

“PROCENTEC esta dando cursos en todo el mundo. Nuestros participantes siempre estan pidiendo un buen material de lectura. La mayoría de los libros son demasiado técnicos para principiantes o técnicos de mantenimiento. Este libro es un recurso muy simple y práctico para entender la tecnología de PROFIBUS. PROCENTEC recomienda este libro para cada uno que se involucre con PROFIBUS.” Dennis van Booma, Gerente General de PROCENTEC en Holanda

“James Powell y Henry Vandelinde explican con simpleza y profesionalismo el uso de PROFIBUS desde una perspectiva de la experiencia práctica. Una guía fundamental para el ingeniero de planta que quiere conocer los grandes beneficios de este bus “. Ing. Andrés Gorenberg, Div. Industry Siemens S.A.

James Powell, P. Eng. Henry Vandelinde, Ph.D.

Siemens Milltronics Process Instruments Inc. Peterborough, Ontario , Canada K9J 7B1

Un recorrido por PROFIBUS

“Muy buen libro! a mi particularmente me gustaron los ejemplos de visita a planta.” Ron Mitchell, RC Systems , autor de PROFIBUS – una guía de bolsillo

James Powell, P. Eng. Henry Vandelinde, Ph.D.

Un recorrido por PROFIBUS Introducción al bus de campo para la automatización de procesos

James Powell, P. Eng. Henry Vandelinde, Ph.D.

Copyright© Siemens Milltronics Process Instruments Inc. 2009. Todos los derechos reservados. Ningún fragmento de este libro puede ser reproducido sin permiso por escrito por parte del editor. ISBN-10: ISBN 978-0-9782495-1-9 Fotografía de tapa ©iStockphoto.com/clu Traducción: Bárbara Szteinberg Impreso y encuadernado en Argentina para Siemens Milltronics Process Instruments Inc. Peterborough, ON K9J 7B2 www.siemens.com/processautomation

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Prólogo Para el principiante, el mundo de la comunicación industrial parece una mezcla de buses de campo, paquetes de software y medios, a menudo confusa, y con múltiples capas y dimensiones. Durante mis veinte años de búsqueda entusiasta y promoción activa de las comunicaciones industriales, me acostumbré más y más a ver esa mirada de susto en los novatos que ingresaban al campo, y entonces decidí ver si lograba en el mundo de los buses de campo, específicamente el de PROFIBUS, quitar el velo de misterio y magia que lo rodea. Mi intención no fue escribir un manual definitivo y abarcador sobre PROFIBUS. Hay muchos otros que están mucho más calificados que yo para llevar a cabo esa tarea. Yo quise demostrar que cuando la comunicación industrial se comprende y luego se instala con previsión y cuidado, las operaciones de redes son beneficiosas e indoloras. Diseñamos este libro con ese fin, hablarle al principiante, llevar a ese novato de la mano y guiarlo a través de la ruta de los buses, hacia una comunicación exitosa. Sin embargo, este no es un manual de uso. Considérenlo más una base para el diseño de la comunicación, con información para que los curiosos exploren y motivación para que los dedicados vayan más allá. Es así como analizaremos las operaciones del BUS, los detalles del protocolo, capas físicas y redes, los elementos básicos del diseño de una red, los consejos y las sugerencias de instalación, la puesta en marcha, el mantenimiento, la gestión de activos de la planta y la resolución de problemas. Todos estos temas están diseñados para hablarle al principiante, para tomar la totalidad de PROFIBUS como bus de campo y hacerlo llegar a todos aquellos que quieran probarlo e investigar. Nuestro deseo es que al terminar este libro tengan un conocimiento concreto de lo que necesitarán para implementar un sistema PROFIBUS, y que continúen investigando sobre cómo PROFIBUS puede ayudarlo a usted y a su organización a mejorar la seguridad, la eficiencia y la productividad.

James Powell, P.Eng.

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Reconocimientos A partir de este libro logré entender la veracidad del dicho: "Se necesita un pueblo entero para escribir un libro". Un proyecto como este requiere mucho esfuerzo y dedicación por parte de toda la comunidad, y nosotros tenemos la suerte de estar rodeados de gente que creyó en lo que estábamos haciendo y nos brindó libremente su tiempo y experiencia. Entonces, para comenzar, quiero agradecerles a Stephen Milligan, Andrew Blazey, Jorg Freitag y a la gerencia de Siemens por su apoyo moral en este proyecto. Mi gratitud también se extiende a Nicolas Heise y al equipo IP4 por sus valiosos consejos y contribuciones, y a Mark Wheeler por su continuo apoyo y asesoramiento. También agradezco mucho la habilidad organizativa de Jamie Chepeka, Andrés Gorenberg y Adriana Mazzei, y los esfuerzos de traducción de Gabrielle Vester y Bárbara Szteinberg. Y para Albert Justus, quien reviso y editó con paciencia el manuscrito en alemán, vielen Dank! Un agradecimiento especial a Pete Froggatt, el ilustrador creativo cuyo talento y fantasías le ponen una sonrisa a nuestro trabajo. También agradecemos a los siguientes revisores técnicos que tomaron el infantil borrador y ayudaron a convertirlo en el trabajo refinado que tienen en sus manos. Thomas Bartsch, Dominique Basson, Sean Cahill, Mark Cargill, Mike Cavanagh, Richard Colony, Chris Da Costa, David Deibert, Timothy Dowsett, Carl Henning, Jane Ingram, Albert Justus, Thomas Klatt, Ron Mitchell, Gilles Ouimet, Volker Schulz, Moin Shaikh, y Dennis van Booma a quienes tanto agradecemos por haber agregado sus voces a este libro. El agradecimiento final es para nuestras familias, James quiere agradecerles a Debbie y a Maya, y Henri les agradece a Lee Anna y a sus muchachos. Apreciamos su paciencia y apoyo mientras nosotros trabajábamos como burros en esta obsesión, mucho más de lo que se imaginan. Muchas gracias a todos por su tiempo y esfuerzo. Lo mejor de este libro les pertenece a ustedes, y cualquier error, imprecisión u omisión yace totalmente en nosotros. Nosotros nos divertimos, y quién sabe, hasta quizás lo hagamos de nuevo.

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Contenidos Prólogo iii Reconocimientos

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Capítulo 1: Introducción: Un BUS

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La ruta del bus 1 Presentación del bus de campo 1 Beneficios de utilizar un bus de campo PROFIBUS PROFIBUS: Comienzos 7 PROFIBUS DP: Periferia descentralizada 10 PROFIBUS PA: Automatización de procesos 11 HART en PROFIBUS 13 PROFIsafe 14 PROFIdrive 16 PROFINET 17 Próxima parada del BUS 20

Capítulo 2: Cómo funciona un BUS

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La ruta del bus 21 Conceptos simples 21 Escaneo del bus PROFIBUS (¡la ruta del bus!) 24 Diagnósticos 27 Perfiles PROFIBUS 32 Próxima parada del BUS: Capas físicas y componentes de red

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Capítulo 3: Capas físicas y componentes de red 43 La ruta del bus 43 Capas físicas 43 Entornos intrínsicamente seguros/peligrosos 50 Elección de una capa física 52 Componentes de red 53 Redundancia 59 Elección de los componentes de red 63 Próxima parada del BUS: Diseño inteligente 63

Capítulo 4: Diseño inteligente: Elementos básicos de PROFIBUS DP/PA 65 La ruta del bus 66 Diseño básico PROFIBUS DP 66 Reglas básicas de diseño PROFIBUS PA 71 Ejemplo de diseño de PROFIBUS PA 76 Herramientas de diseño 79 Cálculo de velocidad de actualización 80 Sugerencias de diseño de PROFIBUS PA 85 Próxima parada del BUS: Instalación 87

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Capítulo 5: Instalación

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La ruta del bus 89 Hardware de conexión 89 Esquema de instalación 93 Separación de cables 95 Método de instalación 96 Las mejores instalaciones 99 Próxima parada del BUS: Puesta en marcha

Capítulo 6: Puesta en marcha

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La ruta del bus 101 Configuración de red 102 Configuración/parametrización de dispositivos de campo 106 Configuración de un dispositivo de campo 110 Uso de software de configuración: Los mejores ejemplos 113 Velocidad de carga y descarga 113 Verificar que los dispositivos de campo y de red funcionen correctamente 114 Próxima parada del BUS: Uso de la red 114

Capítulo 7: Gestión de activos de planta, mantenimiento y operaciones 115 La ruta del bus 116 Gestión de activos de planta 116 Activos humanos 117 Activos virtuales 118 Activos físicos 121 Nuevo diagnóstico para instrumentos de campo 123 Impactos y beneficios para el usuario final 126 Impacto en la puesta en macha 126 Impacto en el mantenimiento 127 Impacto en las operaciones 130 Próxima parada del BUS: Resolución de problemas 130

Capítulo 8: Verificación del funcionamiento de la red y resolución de problemas 131 La ruta del bus 131 Problemas de red 132 Herramientas 136 Procedimientos para resolver problemas Destino final del BUS 155

Apéndice A: Acrónimos 156 Apéndice B: Definiciones 158 Apéndice C: Recursos adicionales 162 Índice 164

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Capítulo Uno

Introducción: Un BUS "Ha llegado el momento", dijo la morsa, "de hablar de varias cosas"1 Como en el cuento de Alicia en el país de las maravillas, y muchos aventureros antes y después que ella, lo invitamos a acompañarnos en este viaje de descubrimientos. Sin embargo, en vez de atravesar la madriguera de un conejo, le sugerimos que suba a bordo de un bus, saque su boleto y disfrute del viaje. No habrá conejos blancos, orugas parlanchinas ni ostras regordetas, pero le prometemos miles de aventuras a medida que nuestro bus avance a través de las redes, los buses de campo y los protocolos de comunicación.

La ruta del BUS Este bus hace las siguientes paradas: • • • • • • • • •

Introducción al bus de campo Beneficios de utilizar un bus de campo, un PROFIBUS PROFIBUS: génesis PROFIBUS periféricos descentralizados (DP) PROFIBUS automatización de procesos (PA) PROFIsafe PROFIdrive PROFINET Próximas paradas

Presentación del bus de campo PROFIBUS es un bus de campo: un bus de campo es un enlace de comunicación de dos vías entre un controlador o monitor y un dispositivo de campo. Es una red necesaria para integrar los dispositivos de automatización de procesos a un sistema unificado. La clave para el éxito operativo del bus de campo es que el controlador pueda hablarle no sólo al dispositivo de campo, sino también hacer que el dispositivo de campo le responda y dé aviso al controlador si fuera necesario. A su vez, el diálogo digital notifica al usuario cuando ocurren eventos clave en la red, ofreciendo muchos datos necesarios para mantener un proceso activo. Un bus de campo es sistema nervioso que une el cerebro central (controlador) y todas las partes que mantienen la planta de proceso funcionando a su máxima capacidad. 1

La comunicación de dos vías es el aspecto clave del bus de campo.

Carroll, Lewis. Alicia en el país de las maravillas. W.W. Norton & Company, 1971. p. 142.

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Capítulo 1: Introducción: Un BUS

Actualmente hay tres protocolos abiertos que se consideran buses de campo de proceso: • HART: se considera un bus de campo, pero no se ajusta a su definición completa, ya que no posee una comunicación de dos vías real.2 Un instrumento HART no puede decirle nada al host a menos que se lo pida. • Foundation Fieldbus (FF): se ajusta completamente a la definición del término bus de campo. FF utiliza la misma capa física que PROFIBUS PA y poseen una historia en común.3 A menudo, el término bus de campo se asocia erróneamente con FF, sin embargo, el término bus de campo hace referencia a todos los protocolos de comunicación de dos vías. • PROFIBUS: se ajusta por completo a la definición del término bus de campo, y como les mostraremos en este libro, es el único que ofrece una solución completa.

Un protocolo es un conjunto de reglas (estándar) que define cómo dos o más dispositivos se comunican.

Un protocolo abierto es aquel que no pertenece a ninguna empresa y todos pueden utilizarlo.

Este capítulo les presenta a PROFIBUS como el protocolo de comunicación principal para la industria de procesos, y muestra las ventajas ya comprobadas que este bus de campo le ofrece a la industria.

Automatización La automatización se define como el uso de la tecnología para controlar una serie de eventos con poca o ningún tipo de asistencia del hombre. Por lo general, hay dos categorías de automatización: • automatización de fábrica • automatización de procesos Automatización de fábrica: se refiere al tipo de automatización utilizado para la fabricación de objetos tales como autos o computadoras. Los tipos de información que entran y salen son en su mayoría variables discretas, encender esto o apagar aquello. Además, los procesos de fábrica tienden a ser muy rápidos, por lo que se necesita una red rápida. Automatización de procesos: se refiere a la automatización utilizada en la producción de productos que requieren algún tipo de fórmula o secuencia de eventos como hacer masa para galletitas o mezclar químicos. Gran parte de la información que entra y sale corresponde a variables analógicas (agregar 7,341 kg de aquello o elevar la temperatura de esto a 32,5ºC). Además, los procesos automatizados tienden a ser bastante lentos (en comparación con la automatización de fábrica) por ende, la necesidad de velocidad se reduce. La versión HART 7 lanzada recientemente introduce un método para que un dispositivo esclavo genere una respuesta. Mientras que esta nueva característica ayudará a HART a ser un bus de campo más real, aún es opcional en HART 7 y pasará un tiempo antes de que se adopte ampliamente. 3 Tanto FF como PROFIBUS PA vienen de trabajar en el estándar SP50. 2

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Capítulo 1: Introducción: Un BUS

Electrónica

Automotriz

Alimentos y bebidas

Farmacéuticos

Metal/minería

Cemento y vidrio

Pulpa y papel

Petróleo y gas

Discreto

Químicos

Agua

Refinerías

Energía

Proceso

La mayoría de las industrias tienen una mezcla de automatización de fábrica y de procesos. Por ejemplo, una planta de montaje automotriz requeriría principalmente una automatización de fábrica, sin embargo, como para montar un automóvil se necesita mucha agua, entonces, la mayoría de las plantas de montaje además poseen una planta de tratamiento de agua, que requiere especialmente automatización de procesos. PROFIBUS es el único protocolo que realiza bien una automatización tanto de procesos como de fábrica, cumpliendo con todos los requisitos. Muchos libros sobre PROFIBUS hablan sobre ambas pero tienden a concentrarse en la automatización de fábrica. Este libro también hablará de ambas, pero se enfoca en la automatización de procesos.

Relación entre el instrumento y el sistema de control4 En los sistemas de control sin bus de campo hay una división clara entre los dispositivos de campo y el sistema de control. En general, el técnico en instrumentación buscó los dispositivos de campo y el ingeniero de control reguló el valor analógico 4-20 mA que llegaba al sistema de control. El ingeniero de control a su vez verificó la precisión y la velocidad de respuesta, pero no estaba muy preocupado por los detalles del instrumento.

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Powell, James. The Benefits of the Block Model Concept in Fieldbus Systems. ISA, 2005.

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Capítulo 1: Introducción: Un BUS

Medida

4-20 mA

Instrumento de campo

Controlador

Con PROFIBUS PA, los instrumentos son una parte integral del sistema y el ingeniero de control tiene un dominio total de los dispositivos. Desde la perspectiva del ingeniero, ahora no hay distinción entre los instrumentos y el sistema de control. Es un todo integrado.

Medida

Bus de campo

Instrumento de campo

Controlador

Considerar el instrumento como parte del sistema de control es un cambio de paradigma importante, ya que le otorga el rol que se le había reservado para el sistema de dominio. Como todo cambio importante, tiene una gran cantidad de beneficios (que discutiremos en la próxima sección) pero además algunos desafíos. Un desafío constante con el enfoque PROFIBUS es capacitar a la gente sobre los beneficios de la tecnología, que sólo se pueden concretar si aquellos involucrados saben cómo aprovechar todo su potencial. Aunque los ingenieros de control y los técnicos de instrumentación siempre han trabajado juntos, cada grupo posee sus propias herramientas y su dominio. Ahora, el técnico de instrumentos necesita acceder al sistema de control para configurar y monitorear los instrumentos. El técnico también debe entender el modelo de bloque de la misma forma que el ingeniero de control, y trabajar en equipo para maximizar los beneficios del bus de campo.

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Capítulo 1: Introducción: Un BUS

Beneficios de usar un bus de campo PROFUBUS Un bus de campo en general, y PROFIBUS en particular, mejorará la eficiencia y reducirá los costos a lo largo de todo el ciclo de vida de la planta. Los beneficios clave son: • • • • •

construcción/instalación optimizadas puesta en marcha más rápido mayor precisión verificación confiable de las variables del proceso gestión de activos de planta continua.

Construcción/instalación optimizadas Sin un bus de campo hay al menos un juego de cables para cada dispositivo de campo -incluso, muchos dispositivos de campo requerirían más de un juego-. Esto genera una gran cantidad de cables y de tendidos de cables. PROFIBUS reduce los innumerables conductores a un sólo cable PROFIBUS. Esta disminución ahorra tanto costos de instalación como espacio físico.

Puesta en marcha más rápida Con los dispositivos 4-20 mA, el usuario final debe escalar los valores del dispositivo de campo y del controlador, y deben ser compatibles. Con PROFIBUS, los bloques de entrada y salida analógicas pasaron del controlador al dispositivo de campo, y ahora el usuario final realiza el escalamiento desde un sólo lugar. Una vez puse en marcha una planta de procesos con casi mil instrumentos conectados a entradas/ salidas 4-20 mA. Durante la fase de puesta en marcha, un electricista y yo trabajamos durante semanas verificando que el escalamiento de los dispositivos de campo coincidiera con el de los PLC y HMI. La planta tenía 1,6 km de largo y hacer esta verificación implicó mucho esfuerzo y muchas caminatas.

Escalar un dispositivo es establecer el rango (valor alto y valor bajo), de la salida y la entrada de un dispositivo.

Con PROFIBUS esto se hubiera hecho en pocos días en la comodidad de la sala de control, ya que el escalamiento se realiza en el instrumento y después se comunica con el instrumento a través de la red.

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Capítulo 1: Introducción: Un BUS

Además, para simular un lazo con dispositivos 4-20 mA, los valores del controlador se deben anular. Al bloquearlos, el dispositivo se puede desconectar, y con una fuente de alimentación con un potenciómetro se genera el valor deseado. En PROFIBUS, los valores de los dispositivos de campo se pueden simular, por lo que es muy simple y rápido simular un lazo de control y acelerar significativamente la puesta en marcha. Finalmente, para programar/configurar dispositivos 4-20 mA, el dispositivo debe tener un acceso físico, ya sea a través de teclados numéricos o programadores manuales. Con PROFIBUS, el dispositivo de campo se configura a través del bus. La puesta en marcha, a través del bus, mejora la eficiencia de las operaciones ya que no requiere tiempo de desplazamiento de una persona hacia el dispositivo mismo. Además es más seguro porque el personal no necesita ingresar a zonas peligrosas o dificultosas. Los instrumentos 4-20 mA similares de diferentes proveedores se programan de forma diferente. PROFIBUS estandariza eficientemente la instrumentación, asegurando que dispositivos similares de diferentes proveedores tengan parámetros centrales y una estructura en común, algo que no ocurre en otros protocolos. Esta generalización se extiende también a los diferentes tipos de instrumentos. Además reduce los requisitos de capacitación y acelera la puesta en marcha ya que el personal se desplaza más fácilmente de un instrumento a otro. Para resumir, PROFIBUS acelera la puesta en marcha porque: • el escalamiento se realiza en un sólo lugar • se simulan los valores del proceso, acelerando la verificación de lazos • la configuración se realiza a través del bus • se unifican los dispositivos.

Mayor precisión Actualmente, todos los dispositivos de campo utilizan tecnología digital. Por lo tanto, con los dispositivos 4-20 mA, los dispositivos tendrán que tomar el valor digital que viene dado y convertirlo en valor analógico para transmitirlo vía lazo 4-20 mA. Luego, en el controlador, esta señal se deberá convertir de nuevo en una señal digital. La precisión se pierde durante estas dos conversiones. PROFIBUS elimina la necesidad de realizar estas dos conversiones.

Verificación confiable de variables de proceso Sin una comunicación de dos vías, la variable de proceso podría estar mal sin que el control lo sepa. Un instrumento muerto, por ejemplo, podría 6

Capítulo 1: Introducción: Un BUS

pasar inadvertido hasta que pase algo en el proceso, una situación que debemos evitar. Esta ceguera del proceso posee varios costos asociados porque el proceso podría interrumpirse, generando posiblemente: • • • •

daños al equipo pérdidas de inventario derrames que limpiar daños al entorno.

Una comunicación adecuada, mantendrá el proceso funcionando de modo seguro, y es el componente clave en la gestión de activos de la planta.

Permite la gestión de activos de planta La gestión de activos de la planta intenta obtener los mayores beneficios de una inversión. Tradicionalmente, la gestión de activos en el mundo de los procesos se enfocaba sólo en la instrumentación. PROFIBUS ha expandido el significado de esta definición hasta incluir una amplia variedad de dispositivos como computadoras, interruptores de red, controladores, motores, máquinas e instrumentos. La comunicación de dos vías de PROFIBUS habilita una cantidad de funciones que aumentarán el retorno de la planta sobre los activos. La gestión de activos es un tema amplio que analizamos en detalle en el Capítulo Siete.

PROFIBUS: Comienzos El término PROFIBUS es una fusión de PROcess FIeldBUS y define al protocolo industrial diseñado para cubrir todos los requisitos de automatización industrial al enlazar una variedad de dispositivos de procesos. Ningún otro protocolo ofrece una solución de automatización completa, y ARC5 identifica: "La propuesta de valor única de PROFIBUS es su capacidad para integrar de forma homogénea los instrumentos de proceso, como transmisores de presión y caudalímetros, con el otro lado de la aplicación donde están los dispositivos discretos y de control de movimiento, como accionamientos y sensores".6 PROFIBUS es el único protocolo que abarca toda la planta, a diferencia de otros como Foundation Fieldbus o DeviceNet, que requieren más de un protocolo para crear todas las aplicaciones diferentes en una planta de procesos. Por lo tanto, con PROFIBUS, el personal sólo necesita conocer una serie de herramientas y saber un protocolo. 5 Fundada en 1986, ARC Advisory Group es la empresa de asesoría e investigación para las soluciones de manufactura, energía y cadena de abastecimiento (www.arcweb.com). 6 Informe técnico ARC, mayo 2004, The Value Proposition of PROFIBUS in the Hybrid Industries. p. 14.

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Capítulo 1: Introducción: Un BUS

Esto simplifica las operaciones y reduce la cantidad de capacitación necesaria. Como protocolo de automatización industrial, PROFIBUS utiliza diferentes aspectos de sí mismo y funciona como un libro con muchos capítulos. El título de libro es PROFIBUS DP, y los capítulos son PROFIBUS PA, PROFIsafe, y PROFIdrive. Cada capítulo representa una fracción significativa del todo. PROFIBUS DP define el protocolo central y cada uno de los PROFI están definidos dentro del estándar PROFIBUS DP, sumando funcionalidad al protocolo central. PROFIBUS DP

DP: Periféricos descentralizados

PROFIBUS PA

PA: Automatización de procesos

PROFIsafe

PROFIBUS para aplicaciones de seguridad

PROFIdrive

PROFIBUS para aplicaciones de accionamientos

Control con PROFIBUS En la década del 80 y a principios de los años 90, la automatización estaba limitada a muchos protocolos de red propietarios diseñados y pertenecientes a fabricantes de automatización individuales: Si un usuario elige PROFIBUS, no está comprometido con ningún proveedor.

• Honeywell – DMCS, • GE Fanuc – GENIUS, • Modicon – ModbusPlus Estos protocolos funcionaban pero los usuarios estaban atados a ese proveedor durante toda la vida útil de la planta, negándole efectivamente el acceso a la instrumentación de la competencia y dejándolos a merced de sus controles de precios. Sin embargo, PROFIBUS es un protocolo abierto de PROFIBUS y PROFINET International que es una organización de empresas. Abierto significa que cualquiera puede usarlo y que ninguna empresa lo controla o emite opinión sobre quién puede usarlo. Aunque en ciertas ocasiones se lo ha llamado protocolo propietario de Siemens, Siemens es sólo una de las 1.400 empresas miembro que conforman PROFIBUS Internacional. Siemens es una de las empresas involucradas en el desarrollo inicial de PROFIBUS, muy activa en PROFIBUS y PROFINET International (PI). No obstante, ni Siemens ni ninguna de las otras empresas miembro tiene derecho a decir quién usa o deja de usar este protocolo.

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Capítulo 1: Introducción: Un BUS

PROFIBUS International: breve lista de miembros

ABB

Emerson

Endress + Hauser

Yokogawa

Vega

Siemens

GE FANUC

Softing

Invensys / Foxboro

Rockwell

Schneider Electric

Fuji Electric

Así empezó todo: desarrollo PROFIBUS PROFIBUS posee una historia de diseño significativa ya que se desarrolló para cubrir las necesidades de protocolos de red del mercado. PROFIBUS comenzó como parte de un proyecto para un bus de campo de una asociación de trece empresas y cinco universidades en Alemania en 1987. Las empresas miembro coincidieron en un concepto de bus de campo estándar para la automatización de procesos, y PROFIBUS FMS (Especificación de Mensaje de Bus de Campo) fue la primera versión. Para 1993, la necesidad de un protocolo más rápido y más sencillo llevó a PROFIBUS DP, que reemplazó a FMS. DP-V0, la primera versión de la especificación PROFIBUS DP, definió la estructura de comandos total del protocolo y las funciones para lectura y escritura de datos de prioridad temporal crítica. A la lectura y escritura de datos de prioridad temporal crítica se la conoce como intercambio de datos en el mundo PROFIBUS y es vital para la funcionalidad de PROFIBUS.

DP-V2 Funciones agregadas para PROFIdrive

DP-V1 Funciones agregadas para PROFIBUS y PROFIsafe

DP-V0 Estructura total definida de PROFIBUS Primera versión del protocolo compatible con DP-V1 y DP-V2

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Capítulo 1: Introducción: Un BUS

La interoperabilidad es una fortaleza de PROFIBUS

La segunda versión de la especificación PROFIBUS DP, DP-V1, agregó funciones para la automatización de procesos y las aplicaciones de seguridad (PROFIBUS PA y PROFIsafe), y utilizó la misma estructura de comandos general según lo definía DP-V0, a la vez que aseguraba la interoperabilidad. La interoperabilidad es la capacidad para comprar un dispositivo de cualquier proveedor, conectarlo a una red PROFIBUS y hacerlo funcionar. Luego surgió DP-V2 que agregó las funciones necesarias para aplicaciones con accionamientos de alta velocidad, utilizando la misma estructura de comandos general definida en DP-V0. Todas las versiones diferentes del protocolo pueden coexistir en la misma red y funcionar juntas. La única limitación es qué comandos soporta el maestro. Un maestro DP-V0 puede realizar un intercambio de datos con un dispositivo de campo DP-V2. Sin embargo, un maestro DP-V0 no puede utilizar comandos DP-V1 o DP-V2 en los dispositivos de campo porque no los conoce. En ese caso debe conseguir un maestro actualizado que coincida con la versión del dispositivo de campo.

PROFIBUS DP: Periferia descentralizada

El estándar RS-485 define las características eléctricas del cable, y los niveles de tensión y corriente de la señal digital.

PROFIBUS DP es el núcleo del protocolo que define todas las funciones básicas que utilizaremos el resto de los capítulos. PROFIBUS DP a menudo se asocia con la capa física basada en RS-485. La capa física es cómo la información digital (los unos y los ceros), viaja de un lado a otro. PROFIBUS DP puede tener muchas capas físicas como RS-485, inalámbrica, y fibra óptica, que se interconectan fácilmente. RS-485 es la capa física más comúnmente utilizada para PROFIBUS debido a su capacidad para transmitir a altas velocidades y a su robustez en entornos industriales muy ruidosos. PROFIBUS DP se utiliza principalmente para dispositivos de entrada/ salida de alta velocidad y para enlazar dispositivos inteligentes (como sistemas de accionamientos). PROFIBUS posee un gran paquete de datos (244 bytes) para manejar información fácilmente desde un rack de entrada/salida remota o un accionamiento en un sólo mensaje. Como la velocidad de los datos alcanza hasta 12 mega bits por segundo, esta información regresa al controlador en un lapso muy breve.

Los dispositivos digitales son simples dispositivos de ON/OFF, es decir, la luz o el pulsador están encendidos o apagados. 10

PROFIBUS DP tuvo éxito tanto en la automatización de fábricas como en la automatización de procesos: • la automatización de fábrica utiliza principalmente dispositivos de entrada y salida discretos (digitales), y PROFIBUS DP enlaza racks E/S y conecta accionamientos

Capítulo 1: Introducción: Un BUS

• la automatización de procesos utiliza principalmente dispositivos analógicos, y PROFIBUS DP enlaza segmentos PROFIBUS PA, racks E/S remotas, accionamientos y algunos instrumentos.

PROFIBUS PA: Automatización de Procesos PROFIBUS PA (Automatización de Procesos) es una serie de funciones agregadas a las especificaciones PROFIBUS versión 1.0 (DP-V1) para que el protocolo sea más útil en las industrias de procesos. A PROFIBUS PA se lo asocia a menudo con la capa física Manchester encoded Bus Powered (MBP), definida en el estándar IEC 61158-2. Ya que las industrias de procesos utilizan principalmente dispositivos con entradas y salidas analógicas, se agregó una serie de funciones para facilitar el enlace de muchas funciones unitarias de los dispositivos analógicos en una capa física dedicada. Se agregaron las siguientes características: • • • •

Los dispositivos analógicos poseen un rango de valores, la válvula está abierta en un 75,25%.

energía del bus diseño intrínsicamente seguro capacidad de configuración a través del bus perfiles del dispositivo.

Energía de bus La energía del bus es una característica importante para la instalación de una red. Si un dispositivo se comunica y se alimenta a través de un sólo cable, el usuario final ahorra dinero porque sólo necesitará un cable en vez de dos para hacer funcionar el dispositivo de campo. En las industrias de procesos, donde hay muchos dispositivos analógicos de una sola función, los dispositivos alimentados a través del bus ahorran dinero. Esta función, junto con un diseño intrínsicamente seguro, quedaron cubiertos con la introducción de la capa física Manchester encoded Bus Powered (MBP), definida en el estándar IEC 61158-2.7 Ver Capítulo Tres para más detalles sobre esta capa física.

Intrínsicamente seguro Un dispositivo intrínsicamente seguro mantiene la tensión y la corriente lo suficientemente bajas como para que no generen chispas que puedan encender el ambiente, por eso su uso es seguro en muchas industrias de procesos. Varios de estos entornos poseen químicos que se transportan en el aire o partículas que podrían estallar si se generase una chispa.

7 International Electrical Congress (IEC) es una organización normativa internacional comprometida con la creación y el mantenimiento de estándares internacionales y abiertos para su uso en la industria eléctrica.

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Capítulo 1: Introducción: Un BUS

Configuración a través del bus Para un sistema con una gran cantidad de dispositivos con funciones únicas, una configuración efectiva y el mantenimiento de los dispositivos puede generar problemas de acceso físico y tiempo de parada. La capacidad para configurar y resolver los problemas de un dispositivo en la red, elimina la dificultad de acceso, y la resolución de problemas de la red ahorra tiempo y evita posibles tiempos de parada.

Perfiles de dispositivos Un perfil es la estandarización de un dispositivo de campo desde el punto de vista del bus. Define cuál es la salida y cuáles son los parámetros centrales del dispositivo. Un perfil estandarizado crea una unificación entre: • dispositivos del mismo fabricante y tipo (presión, temperatura, nivel, flujo, posicionadores de válvulas) • dispositivos del mismo tipo y de diferentes fabricantes • dispositivos de diferente tipo. Por ejemplo, los trasmisores de presión, nivel y temperatura usarían todos los mismos bloques de entrada analógica y tendrían todos el mismo formato de salida. Esto representa un gran valor para el usuario final, ya que reduce los costos de ingeniería y de formación. Como las salidas son estándar, no necesita diseñar códigos especiales en el controlador para manipular las entradas/salidas, reduciendo costos de ingeniería. Es más, una vez que entiende cómo funciona un tipo de dispositivo de campo PA, el segundo es fácil ya que trabajan de la misma forma. Por lo tanto, el personal sólo necesita formación sobre un método operativo que se aplica luego a todo el sistema.

Capa física La energía del bus y la seguridad intrínseca son parte de la capa física que se introdujo con DP-V1, así como también la configuración a través del bus y el perfil estándar. La mayoría de los instrumentos utilizan la nueva capa física MBP. No obstante, no lo necesitan,8 y muchos instrumentos se pueden colocar en la capa física RS-485 porque no lo requieren, o no tienen la capacidad para utilizar las funciones de la MBP.

8 Tener instrumentos en las capas físicas MBP o RS-485 es exclusivo de PROFIBUS. Otros buses de campo sólo poseen un tipo de capa física disponible.

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Capítulo 1: Introducción: Un BUS

Los instrumentos pueden no usar MBP porque: • el instrumento requiere más energía de la que el bus le provee • el instrumento no puede ser intrínsicamente seguro • la variable de proceso del instrumento posee alta velocidad de actualización. Por ejemplo, algunos caudalímetros no pueden alimentarse del bus porque requieren demasiada energía. Estos caudalímetros también poseen alta velocidad de actualización. Los medidores Siemens están disponibles en ambas versiones: MBP y RS-485 (PROFIBUS PA y PROFIBUS DP), y ambas utilizan el perfil estándar y se configuran a través del bus.

Los instrumentos pueden estar en la capa física MBP o RS-485 y aún así estar diseñados para el perfil estándar PROFIBUS PA.

NOTA: este libro se basa en PROFIBUS DP-V1 ya que es el protocolo que mejor se adapta a las industrias de procesos por la operación intrínsecamente segura de su protocolo y las propiedades de configuración del bus.

HART en PROFIBUS El Transductor Remoto Direccionable de Alta Velocidad (HART) es un protocolo bien establecido, diseñado para conectar dispositivos de campo con sistemas de control. A HART a menudo se lo considera la transición entre el mundo 4-20 mA y el mundo enteramente digital de PROFIBUS, ya que contiene tanto la señal 4-20 mA, como la señal digital. La señal digital está superpuesta en la señal 4-20 mA y se utiliza para configurar y resolver problemas. La señal 4-20 mA se usa para transmitir la variable de proceso principal. HART es un protocolo bastante simple y no posee el concepto de perfil detallado de PROFIBUS PA. Por lo general, tiene una conexión punto a punto y funciona a 1.200 bits por segundo. El canal de comunicación no posee la inmunidad al ruido eléctrico de PROFIBUS PA. Este protocolo lo desarrolló a mediados de los '80 Rosemount, y luego se convirtió en un protocolo abierto en 1993, cuando la propiedad intelectual se donó a la Fundación HART Communication (HCF). Hay una gran cantidad de instrumentos instalados basados en HART. La mayoría de los instrumentos HART está conectada al sistema de control vía una tarjeta 4-20 mA, y la señal digital sólo se utiliza en el momento de la puesta en marcha para la configuración. DP-V1 introdujo un método estandarizado para encapsular el mensaje HART en un paquete PROFIBUS. Esto facilita la integración de dispositivos HART en redes PROFIBUS. Una gran cantidad de proveedores como CEAG, Pepperl+Fuchs, Siemens y Stahl hicieron módulos (racks E/S remota) para conectar instrumentos HART a redes PROFIBUS.

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Capítulo 1: Introducción: Un BUS

Facilitar la integración de dispositivos HART en redes PROFIBUS fue una idea brillante, ya que hay muchos instrumentos basados en HART. Tuve un cliente que quería actualizar su planta reemplazando la mayoría de los instrumentos. Sin embargo, deseaba mantener muchos que estaban en buenas condiciones, y a pesar de que estaban conectados a tarjetas de entrada 4-20 mA, eran instrumentos HART. Al usar HART con funciones PROFIBUS, pudieron mantener estos instrumentos. Además, pudieron utilizar la capacidad de diagnóstico escondida de estos instrumentos. Con PROFIBUS, el sistema de control estaba configurado para verificar el estado de los instrumentos HART regularmente. Cuando surgía alguna anomalía, SIMATIC PDM buscaba entre los instrumentos, como si fuera un dispositivo PROFIBUS PA. Configurar el monitoreo de estado requería más trabajo que con los instrumentos PA, pero aún así funcionó muy bien, y al no reemplazar esos instrumentos HART, ahorraron mucho dinero.

PROFIsafe

PROFIBUS con PROFIsafe fue el primer protocolo abierto certificado por TUV para aplicaciones hasta SIL nivel 3.

PROFIsafe agregó un diagnóstico mejorado a PROFIBUS, permitiendo así su uso en sistemas seguros, adecuados para aplicaciones hasta SIL-3, según el estándar IEC-61508. Los sistemas de seguridad requieren un método de transporte de datos seguro, donde la probabilidad de ocurrencia de un error no detectado sea extremadamente baja. Para alcanzar estos altos estándares de seguridad, el sistema debe poder detectar los siguientes errores: • • • • • • •

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repetición de mensajes pérdida de mensajes inserción de mensajes secuenciamiento incorrecto de mensajes corrupción de los datos transmitidos demora en la recepción o transmisión de datos mezcla de mensajes estándar con los de seguridad.

Capítulo 1: Introducción: Un BUS

Para detectar estos errores, se agregaron las siguientes características: • • • • •

lazo de retorno de datos (cada mensaje se confirma) verificación de errores adicional numeración consecutiva de mensajes tiempo esperado de mensajes identificación de transmisor y receptor.

Lazo de retorno de datos Este método de confirmar la información es similar al de ingresar los números de una tarjeta de crédito por teléfono. Este número se ingresa y luego el receptor lo repite para confirmar que haya sido grabado correctamente, evitando sorpresas cuando llega la cuenta a fin de mes. PROFISafe hace lo mismo con los datos: repite el mensaje para asegurarse de que sea correcto, reduciendo la probabilidad de transmitir un mensaje erróneo. Mientras que PROFIBUS posee verificación de errores, PROFIsafe aumenta la red de seguridad al retomar el lazo de la información para detectar errores de bit.

Verificación adicional de errores La verificación de errores es un método para verificar que todos los datos que llegan no tengan errores de bit, asegurándose de que el binario 1 no se haya interpretado como binario 0. Hay diferentes métodos para hacer esto, incluyendo un esquema de verificación de errores estándar de PROFIBUS. Sin embargo, para los sistemas de seguridad, se necesitó una verificación adicional de errores para rehuir a la posibilidad de un error de bit no detectado.

Número consecutivo de mensajes Los mensajes se identifican con un número único consecutivo: si un mensaje se pierde o se corrompe debido a errores de bit, el sistema lo sabe. Por ejemplo, si un controlador recibe el mensaje 123, 124, y luego pasa al 126, sabe que falta el 125.

Tiempo esperado de mensajes Los mensajes no sólo deben llegar a destino, sino que también deben hacerlo dentro de un tiempo determinado. Esto le asegura que si la comunicación se interrumpe, ambos lados se enteran lo más pronto posible.

Identificación de transmisor y receptor Cuando se trabaja con seguridad, asegúrese por completo de que el controlador le esté hablando al dispositivo correcto y que el dispositivo esté hablando con el controlador correcto. Esto evita que un mensaje no relacionado con la seguridad se disfrace de uno de seguridad. 15

Capítulo 1: Introducción: Un BUS

Sistemas de seguridad y PROFIBUS Los sistemas de seguridad tradicionalmente se instalaban con relés de seguridad. A pesar de que los sistemas cableados son muy confiables, son difíciles de instalar y mantener, e instalar un sistema de seguridad de relés requiere un cableado manual considerable. Para realizar cualquier cambio o para hacer algún agregado, el recableado se convierte en algo muy costoso y complicado por el gran volumen de cables. Los controladores de automatización son más eficientes ya que se reducen los requisitos de cableado, y modificar cualquier lógica o hacer alguna adición es a través del software. Actualmente, PROFIsafe es ampliamente utilizado para enlazar racks E/S remotas en PROFIBUS DP. De este modo, las tarjetas de entrada y salida se colocan cerca de los dispositivos en el campo. El próximo paso para la eficiencia es llevar el protocolo directamente al instrumento de campo. PROFIBUS con PROFIsafe funciona muy bien en ambas topologías. Además, con la información adicional provista por PROFIBUS, los ingenieros de seguridad pueden determinar la causa y el tiempo precisos de una interrupción. Una vez trabajé con un sistema de seguridad de una planta de acero. Durante la segunda fase de expansión, debíamos ampliar el sistema. Dada la complejidad del sistema y la gran cantidad de cables, no era una tarea sencilla, y un pequeño problema en el cableado interrumpiría todo el sistema. Rastrear el problema nos llevó más de una hora. Con un sistema PROFIBUS, hubiéramos hallado el mismo problema en minutos. Además, durante la producción, cada vez que ocurría un disparo de seguridad, nos llevaba un tiempo descubrir por qué el sistema se había interrumpido. El diagnóstico en PROFIBUS hace esta tarea mucho más fácil y rápida.

PROFIdrive Aunque PROFIdrive agrega las funciones necesarias para trabajar con aplicaciones con accionamientos de alta velocidad, PROFIBUS DP funciona bien para muchas de las aplicaciones de accionamientos de la industria de procesos. Sin embargo, en ciertas aplicaciones, en especial en el control de procesos, la sincronización a alta velocidad de muchos accionamientos es absolutamente necesaria.

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Capítulo 1: Introducción: Un BUS

Para estas aplicaciones, el estándar PROFIBUS se debe complementar con estas funciones clave de PROFIdrive: • tiempo de ciclo DP constante (equidistante) • sincronización de reloj • intercambio de datos entre dispositivos esclavos.

Tiempo de ciclo DP constante (equidistante) En la mayoría de las aplicaciones, si hay una pequeña variación durante un ciclo de proceso programado no interesa. Entonces, encender una bomba de aguas residuales a 1122 ms o a 1125 ms no interfiere con el proceso. Sin embargo, si el eje de una máquina de alta velocidad se mueve dos ms más tarde de lo que debiera, el proceso sí se ve afectado porque en esos dos ms la máquina recorrió medio metro. Para estas aplicaciones se requiere un tiempo de ciclo DP constante y PROFIdrive le ofrece esta seguridad.

ms = mili-segundos

Sincronización de reloj Cada accionamiento funciona con su propio reloj. Para una máquina de alta velocidad con ejes múltiples, tener dos accionamientos que deban moverse simultáneamente con relojes internos desfasados es un problema. La sincronización asegura armonía.

Intercambio de datos entre dispositivos esclavos Dada la necesidad de alta velocidad, los diferentes dispositivos no pueden esperar a que el maestro envíe la información a cada esclavo por separado. Entonces, se agregó la función de intercambio de datos entre esclavos para resolver este problema. Permite que un esclavo escuche los datos necesarios de otro esclavo. Así, un esclavo publica los datos y el otro suscribe a esos datos. En términos de comunicación, esto se llama algoritmo de publicador/suscriptor.

PROFINET Si PROFIBUS es un libro, entonces PROFINET es otro libro del mismo autor. PROFINET fue diseñado para utilizar grandes secciones del protocolo PROFIBUS. Por ejemplo, el libro PROFINET, también tiene capítulos llamados PROFIdrive y PROFIsafe. Ambos protocolos poseen muchas cosas en común, incluyendo la organización que los regula, PROFIBUS y PROFINET International (PI).

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Capítulo 1: Introducción: Un BUS

PROFINET fue diseñado como una red única y abarcadora para la automatización industrial con las siguientes características: • • • • • •

E/S en tiempo real integración entre pares control de movimiento integración vertical de diferentes buses seguridad protección.

PROFINET usa tecnología Ethernet que ya hace años está en el entorno de las oficinas y es la que alimenta Internet. Ethernet define: • una capa física • un esquema de direccionamiento.

ERP MES Columna Ethernet PLC/DCS

DeviceNet PROFIBUS DP

PROFIBUS PA HART FF H1 PROFINET PROXY

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Capítulo 1: Introducción: Un BUS

Capa física: es el método para transferir información de un dispositivo a otro. En el Capítulo Tres veremos que PROFIBUS puede tener diferentes capas físicas. Sin embargo, estas otras capas físicas para PROFIBUS utilizan el mismo esquema de direccionamiento. Esquema de direccionamiento: Ethernet define su propio esquema de direccionamiento el cual influye significativamente en cómo trabaja la red y el rango de aplicaciones que puede completar. En especial, el esquema de direccionamiento, junto con su capacidad de manejo de datos, facilita el uso de los protocolos basados en Ethernet tanto en redes de área local como en redes de área amplia, abarcando diferentes áreas geográficas. Por eso, los protocolos basados en Ethernet cuentan con una ventaja importante en comparación con los protocolos más usados en las redes de área local.

Una red de área local se limita a un área geográfica pequeña como un edificio, una red de área amplia se ubica a lo largo de una zona geográfica grande como un grupo de edificios, una ciudad o una planta.

PROFINET se desarrolló para aprovechar los siguientes aspectos de Ethernet: • funciona bien en redes de área local y en redes de área amplia • se acopla a las redes locales de forma eficiente • se adquiere a bajo costo debido al gran volumen de ventas de Ethernet • opera con un gran ancho de banda por lo que es muy rápido y maneja gran cantidad de datos. Al diseñar PROFINET, PROFIBUS International (PI) pudo haber simplemente codificado el mensaje PROFIBUS en un mensaje Ethernet, como lo ha hecho Modbus TCP/IP. Pero como PROFIBUS también quería sacar el mayor provecho posible del ancho de banda y de la velocidad de Ethernet, PI diseñó un nuevo protocolo para utilizar el direccionamiento y la funcionalidad de Ethernet, pero manteniendo la propiedad intelectual PROFIBUS. Esta solución óptima adoptó toda la funcionalidad Ethernet y maximizó sus beneficios. PROFINET se puede utilizar en una amplia gama de aplicaciones como:

• conectar diferentes redes • accionamientos de alta velocidad • control distribuido. La lista se amplía siempre ya que PI agrega continuamente más funcionalidades a PROFINET.

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Capítulo 1: Introducción: Un BUS

Cuando nos preguntan si deben usar PROFINET o PROFIBUS, la respuesta es "Sí". Ambos protocolos se complementan. Del mismo modo que cuando utiliza Word® y Excel®9, el usuario pasa fácilmente de un protocolo a otro para realizar diferentes tareas, y puede usar el conocimiento común tanto para uno como para otro. Cada uno de los dos protocolos posee aplicaciones en las que se destaca y es decisión del usuario final elegir la mejor para sus aplicaciones. PI cree que ambos continuarán creciendo, pero en el futuro, PROFIBUS comenzará a quedar de lado y PROFINET ganará más terreno debido a las ventajas de Ethernet mencionadas anteriormente. Pero esto, sin embargo, llevará un tiempo. En las aplicaciones de automatización de procesos, PROFINET se utiliza para unir PROFIBUS con otras redes. Pero para las aplicaciones de control, hay pocos proyectos PROFINET, ya que la mayoría actualmente usa PROFIBUS. NOTA: la unión de redes es una función avanzada, por eso, PROFINET no se verá en detalle en esta publicación.

Próxima parada del BUS En los siguientes capítulos veremos cómo funciona PROFIBUS y cómo utilizarlo. A modo de introducción a PROFIBUS, el contenido se enfoca en aplicaciones prácticas, limitando la teoría a proveer una base en pos de la comprensión. A continuación en el recorrido de este bus veremos lo siguiente: • • • • • •

detalles sobre cómo funciona el protocolo perfiles y cómo se diseñan para ayudar al usuario de procesos diferentes capas físicas y componentes de red cómo diseñar y construir una red PROFIBUS cómo operar una red PROFIBUS cómo resolver problemas de una red PROFIBUS.

Así que tome asiento, no pierda de vista su boleto de transferencia y que comience el viaje.

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Word y Excel son marcas registradas de Microsoft Corporation.

Capítulo Dos

Cómo funciona el BUS Y corres y corres para alcanzar el sol, pero se está hundiendo, dando la vuelta para salir detrás de ti de nuevo.1 Cuando PROFIBUS International amplió el protocolo PROFIBUS a DP-V1 para que funcione mejor en las industrias de procesos, no sólo incluyó las funciones adicionales del protocolo, sino que también estableció los estándares asociados con el funcionamiento de los dispositivos. Este capítulo analiza cómo funciona el protocolo, los dispositivos clave estándar que se agregaron y los beneficios que se obtuvieron.

La ruta del BUS Este bus hace las siguientes paradas: • • • •

conceptos simples: lo básico para entender PROFIBUS escaneo del bus PROFIBUS: cómo funciona diagnóstico perfiles: estándares de los dispositivos.

Conceptos simples PROFIBUS se basa en una cantidad de conceptos y términos simples, y esta sección los define y los une para mostrarles cómo funciona el protocolo.

Maestro-esclavo y la red en anillo El protocolo PROFIBUS trabaja combinando dos conceptos de comunicación bastante sencillos llamados maestro-esclavo y red de anillo, que conforman la base de operaciones del protocolo. Maestro-Esclavo: esta relación es el corazón del protocolo PROFIBUS. En un protocolo maestro-esclavo, un dispositivo de la red está definido como maestro y es aquel que posee el mando. Todos los otros dispositivos de la red se llaman esclavos. Ningún esclavo puede hablar en la red, salvo que el maestro primero le diga al dispositivo que puede hacerlo.

1

Hablar en la red significa transmitir datos.

Pink Floyd, “Time.” Dark Side of the Moon, 1973.

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Capítulo 2: Cómo funciona el BUS

Red en anillo: Este concepto funciona como una carrera de relevos en la que se pasa un testigo de un corredor al siguiente, quien no puede correr hasta que no tenga el testigo. PROFIBUS utiliza el mismo concepto entre diferentes maestros. Un maestro sólo puede hablar en un bus cuando tiene el testigo. Este testigo pasa de maestro en maestro, de a uno por vez, en círculo. El testigo es un permiso del maestro para hablar y completar su función, y después pasarlo. Cuando el testigo terminó su circuito, vuelve a comenzar. Maestro: el mundo PROFIBUS define dos tipos diferentes de maestro: • Maestro clase uno • Controlador típico (por ej. Sistema de Control Distribuido [DCS], Controlador Lógico Programable [PLC]) • Maestro clase dos • Estación de trabajo de ingeniería estándar utilizada para configurar la red o resolver problemas (por ej. SIMATIC PDM). Esclavo: cualquier dispositivo que no es un maestro de clase uno ni dos es un dispositivo esclavo. Un dispositivo esclavo sólo habla en el bus cuando le hablan. La mayor parte de los dispositivos en una red PROFIBUS son esclavos ya que hacen la mayor parte de las tareas pesadas.

Tipos de mensajes PROFIBUS PROFIBUS posee dos tipos diferentes de mensajes: los mensajes de prioridad temporal crítica y los de prioridad temporal no crítica, que se diferencian por la velocidad a la que se entregan. Mensajes de prioridad temporal crítica: comunicación de información de entrada/salida (E/S) que se utiliza para control. Llegan vía servicios cíclicos. Mensajes de prioridad temporal no crítica: comunicación de información de configuración y diagnóstico avanzado. Llegan vía servicios acíclicos.

Los datos de entrada son los que vienen del dispositivo de campo, y los datos de salida, los que van al dispositivo de campo.

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Servicios cíclicos: son un grupo de comandos que se utilizan durante el intercambio de datos entre el maestro y el esclavo. Se llama cíclico porque los comandos ocurren en cada ciclo del bus, y por lo general son enviados por un maestro clase uno. Los datos de estos mensajes son típicamente de entrada/salida (E/S) a los fines del control. Estos mensajes son todos de prioridad temporal cíclica. En PROFIBUS DP-V0, el formato de los datos de E/S no está definido. Sin embargo, para los dispositivos diseñados según las especificaciones de perfil de PROFIBUS PA (DP-V1), las E/S están definidas. La especificación del perfil de PROFIBUS PA es la estandarización de un dispositivo de campo desde el punto de vista del bus. Es decir, define cuáles son los parámetros de las E/S. Esto se analiza más en detalle en la sección de perfiles PROFIBUS del Capítulo Dos.

Capítulo 2: Cómo funciona el BUS

Las E/S son analógicas y digitales. Los datos analógicos se ocupan de las variables que están representadas por un número de coma flotante. Dos ejemplos de números de coma flotante serían 1,234 o 23,34458. Estos números representarían medidas en el mundo real como la temperatura en grados C o el nivel en metros. Los datos digitales se ocupan de las variables que son ON u OFF, y que se representan con un 1 para ON, y con 0 para OFF. Estos números reflejan el estado de algo en el mundo real como si las luces están encendidas o apagadas, o si un tanque está lleno o no. Digital y analógico se envían en diferente formato en PROFIBUS. Una variable de entrada/salida analógica se envía con cinco bytes: • los primeros cuatro bytes son la representación de la coma flotante IEEE2 de la variable de proceso principal (PV) • el quinto byte es el que refleja el estado de la PV. Valor coma flotante IEEE

Byte 1

Byte 2

Byte 3

Byte estado

Byte 4

Un byte tiene 8 bits de largo. Un bit es un dígito binario, 1 o 0.

Byte 5

Una variable de entrada/salida digital se envía como dos bytes: • el primer byte refleja el valor del interruptor (ON u OFF) • el segundo byte refleja el estado de la PV.

Valor digital

Estado

Byte 1

Byte 2

Servicios acíclicos: son un grupo de comandos utilizados luego del intercambio de datos entre el maestro y el esclavo. Se llama acíclico porque se inicia sólo a pedido y puede tardar varios ciclos hasta completar la comunicación, y el maestro nunca sabe exactamente cuándo se completará, quizás sólo le tome 100 ms o quizás más. Los datos comunicados de esta forma son de configuración o de diagnóstico avanzado que sólo utilizan los operadores humanos. Por lo tanto, un tiempo de demora variado no representa un problema para las operaciones del sistema.

El IEEE es el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos. Establece los estándares de comunicación digital como el IEEE 754 que define cómo representar un número de coma flotante en formato de número real breve.

2

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Capítulo 2: Cómo funciona el BUS

Escaneo del bus PROFIBUS (¡la ruta del bus!) Esta sección une maestro-esclavo, red en anillo, maestros múltiples, esclavos, servicios cíclicos y servicios acíclicos para mostrar cómo funciona el escaneo del bus PROFIBUS. La operación real de un escaneo de bus es similar a la ruta que sigue un autobús de pasajeros en sus rondas: cada parada está planificada y cronometrada, y toda la ruta esta pre-planificada. Para entender mejor esto, conviene mirar un sistema con dos maestros clase 1, y uno clase 2 (llamados maestro A, maestro B y maestro C respectivamente). El maestro A tiene 4 esclavos: esclavo 1, esclavo 2, esclavo 3 y esclavo 4. El maestro B tiene 3 esclavos: esclavo 5, esclavo 6 y esclavo 7. El maestro C no tiene esclavos y es un maestro clase 2. maestro A

clase 1

esclavo 1, esclavo 2, esclavo 3, y esclavo 4

maestro B

clase 1

esclavo 5, esclavo 6, y esclavo 7

maestro C

clase 2

sin esclavos

El escaneo de bus seguirá el siguiente orden: • • • • • • • • •

el Maestro A recibe el testigo el Maestro A envía salidas al esclavo 1 y pide entradas el Esclavo 1 envía entradas a maestro A el Maestro A envía salidas al esclavo 2 y pide entradas el Esclavo 2 envía entradas a maestro A el Maestro A envía salidas al esclavo 3 y pide entradas el Esclavo 3 envía entradas a maestro A el Maestro A envía salidas al esclavo 4 y pide entradas el Esclavo 4 envía entradas a maestro A.

➡

El Maestro A tiene algo de tiempo para enviar una lectura acíclica o escribir una en sus esclavos. Sin embargo, esta vez no hay comandos no cíclicos pendientes, así que le pasa el testigo al maestro B.

• • • • • •

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el Maestro B envía salidas al esclavo 5 y pide entradas el Esclavo 5 envía entradas a maestro B el Maestro B envía salidas al esclavo 6 y pide entradas el Esclavo 6 envía entradas a maestro B el Maestro B envía salidas al esclavo 7 y pide entradas el Esclavo 7 envía entradas a maestro B.

Capítulo 2: Cómo funciona el BUS

• El Maestro B tiene un poco de tiempo para enviar una lectura acíclica o escribirle a uno de sus esclavos. En este caso, tiene una lectura acíclica pendiente de la última vez que intentó leer información del esclavo 6, pero obtuvo un mensaje de respuesta diciendo que estaba ocupado. El maestro B envía un pedido de lectura acíclica al esclavo 6. • El esclavo 6 tuvo el tiempo suficiente para reunir la información que el maestro B quería, entonces responde al pedido de lectura acíclico al enviarle la información requerida al maestro B. ➡

El Maestro B le pasa el testigo al maestro C.

• El Maestro C está en pleno proceso de lectura de los datos de configuración del esclavo 2, entonces le envía una lectura acíclica al esclavo 2. • El esclavo 2 envía los datos de configuración pedidos al maestro C. • El Maestro C pasa al testigo a maestro A y el proceso se inicia nuevamente. NOTA: esta representación de escaneo es una simplificación donde se omiten los mensajes administrativos de la red para mayor claridad.3 Este esquema es una representación visual del escaneo del bus.

PROFIBUS DP

TESTIGO

Maestro clase 1 (p ej. PLC)

DP-esclavo 1

DP-esclavo 2

PROFIBUS DP

TESTIGO

Maestro clase 1 (p ej. PLC)

DP-esclavo 3

DP-esclavo 4

PROFIBUS DP Maestro clase 2 (p.ej. estación de ingeniería)

DP-esclavo 5

DP-esclavo 6

DP-esclavo 7

Comandos acíclicos de un maestro clase uno o dos Los servicios acíclicos ofrecen un método para leer y escribir información de prioridad temporal cíclica desde y hacia el dispositivo de campo. Para que esto funcione, tanto el dispositivo de campo como el maestro deben soportar DP-V1. Para más detalles sobre escaneo de bus lea The New Rapid Way to PROFIBUS DP, Manfred Popp, y PROFIBUS PA Instrumentation Technology for the Process Industry, Ch. Diedrich y Th. Bangemann.

3

25

Capítulo 2: Cómo funciona el BUS

Estos comandos acíclicos pueden venir del maestro clase 1 o 2. Los códigos de comando del maestro clase 1 son diferentes de los del maestro clase 2, complicando así las cosas porque el dispositivo de campo debe soportar ambas series de comandos. Los dispositivos de campo lanzados entre 1998 y 2002 sólo soportan los comandos acíclicos que vienen del maestro clase 2, posiblemente porque en esa época, ningún maestro clase 1 soportaba comandos acíclicos. Esto ahora ha cambiado. Los servicios acíclicos en un maestro clase 1 le permiten al controlador: • acceder a datos de diagnóstico adicional • cambiar la configuración del dispositivo de campo sobre la marcha. Ranura de direccionamiento e índice acíclicos: por lo general, los maestros clase 2, como el SIMATIC Process Device Manager (PDM), se configuran de modo tal que el usuario final no tenga que saber nada sobre direccionamiento acíclico para usar el software, este sólo pide un parámetro y hay un archivo del software que se ocupa del direccionamiento. No obstante, cuando se utiliza un maestro clase 1 como un PLC o DCS para leer/escribir parámetros de configuración, se debe conocer el procedimiento de direccionamiento. Actualmente hay pocas aplicaciones que requieren un maestro clase 1 para acceder a los datos acíclicos. Este direccionamiento tiene forma de ranura y un número de índice absoluto4 que actúan como las coordenadas X e Y de un mapa. La información está ubicada en un número de ranura específico y un cierto índice absoluto, y puede ser una variable o un grupo de variables.

109

Índice absoluto

0

1 2 Índice de ranura

3

5

Ejemplo: para saber la temperatura interna del dispositivo, leer ranura 1, índice absoluto 109. El índice absoluto se llama a veces simplemente el índice. Esto varía según el documento.

4

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Capítulo 2: Cómo funciona el BUS

Mensaje PROFIBUS El mensaje real PROFIBUS que pasó del maestro al esclavo y del esclavo a maestro se describe en varios documentos.5 Para el usuario final, el formato del mensaje no tiene valor más que saber que la longitud de los datos está establecida en 244 bytes. Esto es importante para PROFIBUS porque maneja muchos más datos en un mensaje en comparación con muchos otros protocolos industriales como DeviceNet o Modbus RTU.

Diagnóstico El diagnóstico es una función fundamental del protocolo de bus de campo, y PROFIBUS ofrece una funcionalidad de diagnóstico completa para la red, asegurándose de que los instrumentos informen todos los estados al maestro y que se implementen diferentes acciones para lidiar con este asunto.

Diagnóstico cíclico La comunicación de dos vías es la base de todo bus de campo como PROFIBUS porque es vital que el dispositivo esclavo alerte al maestro de cualquier evento. En todos los dispositivos PROFIBUS (DP-V0 y superiores), un esclavo puede indicar al maestro una solicitud de diagnóstico durante el próximo ciclo. Un esclavo simplemente pone una bandera de solicitud de diagnóstico en su mensaje de respuesta de intercambio de datos, así solicita un diagnóstico. Luego de que el esclavo emite una solicitud de diagnóstico, el maestro emite el comando en el siguiente ciclo del bus. El mensaje de respuesta al diagnóstico está compuesto del mensaje de diagnóstico más un diagnóstico extendido. NOTAS: • El mensaje de diagnóstico principal indica errores o problemas relacionados con la configuración del controlador. PROFIBUS International define todos estos mensajes. • El diagnóstico extendido abarca lo relacionado con el dispositivo de campo.

Para más detalles sobre mensaje PROFIBUS, por favor, remítase a The New Rapid Way to PROFIBUS DP de Manfred Popp, o PROFIBUS PA Instrumentation Technology for the Process Industry, Ch. Diedrich y Th. Bangemann.

5

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Capítulo 2: Cómo funciona el BUS

mensaje de diagnóstico + diagnóstico extendido • • • • •

mensaje de diagnóstico (def. PI6): configuración de datos cíclicos errónea tamaño de datos incorrecto módulo incorrecto número de identificación incorrecto

Configuración del controlador

Diagnóstico extendido (definición Perfil y Dispositivo): • • • • • •

falla electrónica configuración inválida temperatura electrónica muy alta reinicio realizado falla de medición más diagnósticos disponibles

Falla o configuración del dispositivo

Diagnósticos en DP-V1: además del mensaje de diagnóstico cíclico, un dispositivo escrito según las especificaciones de perfil PROFIBUS DP-V1 también ofrecerá dos fuentes de diagnóstico adicionales: el byte de estado cíclico y los mensajes de diagnóstico acíclicos. Byte de estado cíclico: todos los dispositivos escritos según las especificaciones de perfil PROFIBUS PA devuelven un estado con cada variable de entrada. Este byte de estado ofrece principalmente información sobre el estado de la variable del proceso (PV) determinando si es un buen valor o no. Este byte de estado también comunica las alarmas altas y bajas. La mayoría de los errores de código poseen significados pre-definidos, cuyos valores define PI. Se reservan otros códigos para que el fabricante de instrumentos refleje los errores específicos de su dispositivo. Los códigos de buena calidad y de calidad dudosa son los mismos para todos los dispositivos PROFIBUS. Los códigos de mala calidad cambian según el dispositivo. Por ejemplo, mientras que un hexadecimal 10 sería un código malo de falla de sensor en un transmisor de temperatura, sería Pérdida de Eco (LOE) en un dispositivo de radar.

6 PI significa para PROFIBUS y PROFINET International, una organización independiente que administra los protocolos PROFIBUS y PROFINET.

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Capítulo 2: Cómo funciona el BUS

Códigos de estado para buena calidad Valores en notación hex

Descripción

0x80

Los datos son BUENOS

0x84

Se ha cambiado un parámetro en el bloque de función: estado activo por 10 s

0x89

Alarma baja activa

0x8A

Alarma alta activa

0x8D

Alarma baja activa

0x8E

Alarma alta activa Códigos de estado para calidad dudosa

Valores en notación hex

Descripción

0x4B

El valor es un valor sustituido (normalmente usado en Failsafe).

0x4C/0x4F

Valor inicial.

0x47

Último valor usable.

Códigos de estado para mala calidad Valores en notación hex

Descripción

0x10

El timer LOE ha vencido: esto lo puede causar el LOE o un mal funcionamiento del sensor: valor MALO.

0x01

Hay un error en la configuración de los bloques de función en PROFIBUS PA.

0x1F

El bloque de función o el bloque transductor se desconectaron del servicio.

Byte de estado condensado: cuando el perfil V3-01 introdujo el byte de estado condensado, redefinió los códigos de error: • menos mensajes de error • mensajes de error más significativos • fácil separación de las alarmas de procesos y de mantenimiento al tenerlas mapeadas por bit para que se filtren más fácilmente. • introducción de nuevos códigos para tres niveles de alertas de mantenimiento: mantenimiento requerido, mantenimiento obligatorio, alarma de mantenimiento.

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Capítulo 2: Cómo funciona el BUS

Los dispositivos lanzados antes de 2006, sólo soportan el byte de estado expandido mostrado antes y llamado comúnmente byte de estado. Generalmente, todos los dispositivos lanzados después del 2006 soportan los bytes de estado condensado. Muchos de estos dispositivos le brindan la opción al usuario de elegir entre el byte de estado extendido y el byte de estado condensado. Muchos de los códigos del byte de estado condensado no cambian en comparación con el byte de estado expandido. Por ejemplo, un código de buen estado sigue siendo hex 80. La tabla a continuación ofrece más ejemplos: Estado Condensado (BUENO) Valor hex

30

ESTADO-BUENO

Descripción

0x80

BUENO: OK

No se asocia error o estado especial con este valor.

0x84

BUENO : evento de actualización

Si el valor es bueno y el bloque tiene un evento de actualización activo. (El estado permanece activo 20 segundos.)

0x86

BUENO : activar alarma de recomendación

Si el valor es bueno y el bloque posee una alarma activa.

0x80…0x8E

BUENO : verifica límite / actualización

Igual que los códigos de estado originales.

0xA4…0xA7

BUENO: requiere mantenimiento

Valor válido. Mantenimiento a mediano plazo.

0xA8…0xAB

BUENO: mantenimiento obligatorio

Valor válido. Mantenimiento a corto plazo.

0xBC…0xBF

BUENO : verficación de función

El dispositivo realiza una verificación interna de funciones sin influenciar al proceso. Valor válido.

Capítulo 2: Cómo funciona el BUS

Estado Condensado (INCIERTO) Valor hex

Estado: BUENO

Descripción

0x45

INCIERTO: set sustituto

Sólo salida de lógica failsafe.

0x4F

INCIERTO: valor inicial

Valor predefinido hasta que no haya un valor medido disponible o hasta que se haga un diagnóstico que afecte el valor y el estado acordados.

0x68…0x6B

INCIERTO: mantenimiento obligatorio

El uso del valor del proceso depende de la aplicación. Valor potencialmente inválido. La causa se determina leyendo el diagnóstico extendido. Se exige mantenimiento a corto plazo.

Diagnóstico acíclico El canal de comunicación acíclica PROFIBUS les permite a los fabricantes de instrumentos ofrecer información de diagnóstico muy detallada que no cabría ni el byte de estado ni en el mensaje de diagnóstico cíclico. Luego de que la solicitud de diagnóstico y el byte de estado advierten al usuario de un error, se pueden recibir dos mensajes vía comunicación acíclica:

NOTA: describe condiciones y acciones del dispositivo requeridas Ver ítems tildados

NOTA: describe posibles causas del estado del dispositivo y sugiere acciones

• mensaje de diagnóstico acíclico • mensaje de diagnóstico extendido acíclico. Mensaje de diagnóstico acíclico: este mensaje es el mismo que el mensaje de diagnostico extendido cíclico. No obstante, esta información se repite como mensaje acíclico porque las herramientas de ingeniería como SIMATIC PDM sólo tienen acceso a la información acíclica.

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Capítulo 2: Cómo funciona el BUS

Mensaje de diagnóstico extendido acíclico: el mensaje de diagnóstico extendido acíclico brinda más detalles sobre el estado del dispositivo y el estado operativo. Esta información la lee el maestro clase 1 o clase 2. Una estación de trabajo de ingeniería cuenta con la ventaja de utilizar información en el EDD (o DTM) para visualizar toda la información de diagnóstico, tanto de diagnóstico como de diagnóstico extendido de modo muy simple.

A primera vista, la información de diagnóstico que está expandida a lo largo de los canales cíclicos y acíclicos parece compleja. Pero el sistema se hará cargo de la mayor parte y el usuario inexperto sólo debe saber lo siguiente: • monitorear el byte de estado • monitorear la tabla de fallas del controlador • cuando hay un error en el dispositivo de campo, utilice el software de configuración para abrir la página de diagnóstico del dispositivo que le dirá todo lo que necesita saber.

Perfiles PROFIBUS

Los perfiles PROFIBUS son líderes en la estandarización de dispositivos

Los perfiles de dispositivo son una gran característica de PROFIBUS y su uso aumenta en gran medida el uso del protocolo. Un perfil de dispositivo es un estándar basado en la "representación de un dispositivo en términos de parámetros, ensambles de parámetros y estados de modelo que describe los datos y la conducta del dispositivo a través de la red" 7. Entonces, un perfil brinda la estandarización de un dispositivo desde el punto de vista de la red para intercambiar datos, configuración y funcionalidad. PROFIBUS tiene perfiles para una amplia selección de equipos. Por ejemplo, hay perfiles para: • sistemas de accionamientos • automatización de procesos (nivel, temperatura, flujo y transmisores de presión, posicionadores de válvula) • robots y control numérico • encoders 7

32

Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) Estándar TS 61915:2003, p. 15.

Capítulo 2: Cómo funciona el BUS

• • • • •

accionamientos hidráulicos dispositivos para la manufactura de semiconductores aparatos de conmutación de baja tensión dosificación y pesaje bombas líquidas.

Esta no es una lista completa y se amplía continuamente. Antes de establecer los perfiles, cada proveedor definió sus parámetros más importantes, que generaron definiciones de parámetros completamente diferentes. Esta diferencia causó muchos problemas con los usuarios finales porque la mayoría acabó con dispositivos de proveedores diferentes, generando confusiones de red cuando se pasaba de un proveedor a otro. Esta confusión se ha minimizado al definir los perfiles que ahora estipulan comúnmente los parámetros que comparten todos los proveedores. También define el formato de la variable de salida y una palabra de estado que informa al usuario el estado de la salida. Beneficios clave del perfil estándar: • Facilidad de uso: el perfil estándar crea muchas similitudes entre dispositivos parecidos y diferentes; por ende los instrumentos de campo PROFIBUS son fáciles de usar, incluso en redes grandes con instrumentos mezclados. • Fácil intercambiabilidad: es la capacidad para pasar del dispositivo de un proveedor a otro dispositivo similar de otro proveedor. El perfil estándar PROFIBUS facilita esto más que ningún otro protocolo. Un perfil define: • Los datos que se presentan en la red y el formato de los mismos. • Funciones estándar que la red puede utilizar para obtener y manipular datos (es decir, bloque de entrada analógica con escalamiento). • Parámetros estándar necesarios para configurar el dispositivo. • Métodos o procedimientos para comunicar parámetros al dispositivo a través de la red de comunicación. El perfil estándar PROFIBUS define los parámetros básicos que cada dispositivo de cada tipo debe tener y de dónde obtenerlos. También define cómo se presenta en la red la variable de proceso. Adherir a un perfil estándar PROFIBUS permite tener muchas similitudes entre los dispositivos, más allá de quién sea el proveedor.

33

Capítulo 2: Cómo funciona el BUS

La discusión que resta sobre perfiles se enfoca en el perfil para la automatización de procesos que define los perfiles para transmisores de nivel, flujo, temperatura, presión y posicionadores de válvulas.

Ejemplo de perfil: configuración de un dispositivo de nivel8 Este ejemplo compara el trabajo necesario para pasar de un monitor de nivel del proveedor A al del proveedor B. Se deben llevar a cabo las siguientes tareas para hacer esta integración: 1. Configurar el dispositivo. 2. Configurar la red de comunicación. 3. Configurar el maestro. Para comparar, hay dos tipos de configuración: una sin perfiles y la otra con perfiles. Sin perfiles: se programa cada dispositivo con una serie de parámetros que hacen básicamente lo mismo. Pero, lo confuso es que los nombres y el orden de estos parámetros es diferente. Es más, lo que se logra con una configuración en un producto puede llevar varias configuraciones en otro. Como se ve en la Configuración Rápida de los tanques de ambos proveedores, ni los parámetros ni la terminología es la misma, aunque las condiciones del tanque sí lo sean. Estas variaciones pueden complicar la configuración, requerir más capacitación, más tiempo y más costos a la instalación porque cada dispositivo se ingresa de forma diferente. Ambos dispositivos también requieren configuración de comunicación y definen la información que pasa a la red. Aquí nuevamente ambos dispositivos poseen diferentes parámetros de configuración y presentan información diferente. El dispositivo maestro se debe programar de modo tal que recupere estos datos de los dispositivos, y que después se agreguen códigos especiales para obtener la información (escalamiento, formato) en la forma requerida. La rutina que utiliza el proveedor A es totalmente diferente de la del proveedor B. Además, cada dispositivo envía su indicador de estado. Los indicadores de estado son diferentes, y debe verificar cada uno de ellos, además de la configuración de sus alarmas en la interfaz hombre-máquina (HMI). Todas estas diferencias complican la tarea de instalación.

8

34

Esta sección está adaptada de Benefits of the Profile Concept, James Powell. ISA, 2004.

Capítulo 2: Cómo funciona el BUS

Proveedor “B“

Proveedor “A“

A

C

100% B C A B

0%

A = Vacío B = Espacio C = Casi vacío Configuración rápida P001 Operación P002 Material P003 Medir respuesta P004 Transductor P005 Unidades P006 Distancia vacía P007 Tramo

A = Distancia de bloqueo B = Distancia vacía C = Nivel lleno Configuración rápida C1 Distancia vacía C2 Nivel lleno C3 Distancia de bloqueo D3 Unidades D4 Modo operativo D5 Aplicación de nivel

Los datos presentados al maestro también difieren. Proveedor A

Proveedor B

Byte 0 a 1: palabra de estado (mapeo de bit por tanque, 0 = OK, 1 = error) Byte 2 a 3: nivel en tanque 1 como porcentaje del tramo multiplicado por 100 Byte 4 a 5: nivel en tanque 2 como porcentaje del tramo multiplicado por 100

Byte 0 a 3: medida de distancia en tanque 1 Byte 4 a 5: estado para tanque 1 (valor de 1000 = OK) Byte 6 a 9: medida de distancia en tanque 2 Byte 10 a 11: estado para tanque 2 (valor de 1000 = OK)

Con perfiles: Cada dispositivo PROFIBUS posee un archivo de datos asociado que se llama archivo punto GSD (.gsd). Es el que le dice al maestro qué es el dispositivo y qué variables puede ofrecer. 35

Capítulo 2: Cómo funciona el BUS

Sólo cargue el archivo en el software de configuración para el maestro y elija la información necesaria (en este caso, sería nivel, distancia o volumen). La operación es sencilla y es igual para cada proveedor que adhiera al perfil. Al configurar el dispositivo, ambos dispositivos deben tener un archivo GSD diferente, pero presentar la misma información a la red. Por lo tanto, pasar de uno a otro implicaría sólo borrar uno y arrastrar el nuevo, colocándole la misma dirección. Valor coma flotante IEEE

Byte 1

Byte 2

Byte 3

Byte estado

Byte 4

Byte 5

La definición de tanque está en el perfil estándar, así que es igual para ambos dispositivos. Entonces, los parámetros centrales son iguales para ambos, y hay un sólo conjunto de parámetros centrales que recordar.

Ajuste del sensor

Calibración punto alto

Nivel alto (predeterminado 100)

Nivel bajo (predeterminado 0)

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Nivel Desfase de nivel

Calibración punto bajo

Capítulo 2: Cómo funciona el BUS

Dentro del perfil hay una definición de la salida y un método para escalar. El escalamiento se realiza en un dispositivo usando un bloque de entrada analógica llamado entrada porque los datos se ven desde la perspectiva del maestro PROFIBUS. La salida de este bloque es una representación flotante IEEE de la variable del proceso más el byte de estado. La variable del proceso se puede escalar en el dispositivo para que coincida con lo que la HMI desee. La palabra de estado se lee en el maestro PROFIBUS y se activa su alarma de allí también. El resultado del perfil es que no necesita programación especial en el maestro PROFIBUS para el escalamiento o para monitorear el estado.

Conclusión Los perfiles simplifican la instalación y la configuración de diferentes dispositivos de campo. Sin perfiles: • hay dos pasos de configuración que no son parecidos • hay dos rutinas en el maestro para ajustar datos entrantes • hay dos rutinas en el maestro para monitorear el estado de los dispositivos • hay un código agregado en la HMI para indicar error. Con perfiles: • no hay rutinas especiales en el maestro para ajustar datos • no hay rutinas especiales en el maestro para monitorear el estado de los dispositivos • no hay códigos especiales en la HMI para indicar error • hay dos configuraciones que son muy similares.

Operación de un perfil de instrumento de campo Para las computadoras que poseen grandes sistemas de control DCS o PLC, se ha desarrollado un lenguaje que utiliza bloques, predefinidos, un lenguaje familiar para los ingenieros de control. También se lo conoce como diagrama de bloques de función (FBD) o simplemente diagrama de bloque. Cada bloque es una representación gráfica de un programa que realiza una tarea como comparar dos valores o encender una bomba. Los bloques poseen entradas y salidas, y una programación gráfica simple que dibuja líneas entre los bloques. Cada bloque realiza una función o una serie de funciones que se leen de izquierda a derecha, de arriba hacia abajo. De un bloque se pasa al próximo bloque. Algunos bloques detendrán el flujo en esa línea según el resultado del cálculo. Un bloque complicado puede definirse al conectar una serie de bloques más simples, ofreciendo niveles de

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Capítulo 2: Cómo funciona el BUS

programación, haciendo que una tarea compleja sea fácil de comprender. Comparar > R

Nivel Tanque 1

En 1

Bomba 1 Ajustar

4,5

En 2

Comenzando por la izquierda, este bloque de diagrama muestra cómo el primer bloque es una función de comparación. Compara dos entradas para ver si una es más grande que la otra. En este caso, verifica si la variable del tanque 1 es mayor a 4,5 metros. Si es cierto, el bloque conectado se ejecutará. Este segundo bloque es un bloque determinado que, por ejemplo, encenderá la bomba 1. Si el valor no es mayor a 4,5 metros, el bloque de la izquierda no se ejecuta y la bomba permanece apagada. Este ejemplo simple se puede trasladar a un algoritmo de control de bomba y combinar para hacer un bloque llamado Control de Bomba.

Sensor Temperatura electrónica

Sensor

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Bloque transductor

Entrada analógica Bloque de función 1

Entrada analógica Bloque de función 2

PROFIBUS PA

Para PROFIBUS, el instrumento forma parte de una serie de bloques; los dispositivos de nivel, presión o temperatura funcionan de la misma manera.

Capítulo 2: Cómo funciona el BUS

La información del sensor ingresa al bloque transductor que luego envía la información a los bloques de función de entrada analógica. Note que los bloques analógicos se llaman bloques de entrada porque el flujo de información se observa desde el sistema de control. Estos bloques de entrada analógica son similares a los bloques de entrada analógica para entradas 4-20 mA, salvo que en ese caso, no se ejecutan en el controlador principal y ofrecen información de estado también. Un sensor de temperatura interno también alimenta el bloque transductor. Este sensor verifica el estado del instrumento monitoreando la temperatura e informado al usuario antes de que ocurra algo. El bloque transductor, un dispositivo de nivel en este ejemplo, también se define en términos de bloques múltiples. Todos estos bloques (con excepción del bloque de tecnología del sensor), se definen en PROFIBUS Profile Standard V 3.0. Nivel

Valor de sensor

Sensor

Tecnología del sensor

Calibración

Valor primario [Nivel/Volumen] (Unidades nivel/ volumen)

Linealización

PV AIFB1

(Entrada analógica) Ajuste sensor

Ajuste nivel Punto Punto calibración calibración alto bajo Punto nivel Punto nivel alto bajo

Tipo de linearización

SV1

Valor secundario 1 [Nivel] (Unidades nivel)

AIFB2

(Entrada analógica)

SV2

Tipo calibración Valor secundario 2 [Distancia 1] (Unidad sensor)

Como con las subrutinas en la mayoría de los lenguajes de computación, los valores que pasan entre los bloques también poseen un indicador de estado que indica que el cálculo (o en este caso la variable del proceso) está bien. Este indicador de estado es un resultado lógico del uso de la estructura de modelo de bloque, ya que los bloques también realizan auto-diagnósticos, alertando al sistema de control sobre problemas en el instrumento mismo. Al usar los bloques, los ingenieros de control ven al instrumento en un lenguaje que conocen. El bloque de función de entrada y salida analógica que previamente se ejecutó en el controlador principal, ahora se ejecuta en el instrumento mismo. De hecho, desde el punto de vista del ingeniero de control, dónde se ejecute el código no tiene importancia ya que es sólo un sistema que controlar y modificar a su gusto.

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Capítulo 2: Cómo funciona el BUS

Evolución del perfil estándar

Se lanzó en 1996 una versión de prueba de Profile V.2.0

La primera versión que se lanzó del documento del perfil estándar, Profile V.3.0 se publicó en 1999, y define la salida estándar y estandariza los parámetros de los dispositivos. Dentro de este estándar definido hay dos tipos de dispositivos: • Dispositivos clase A: utilizan el modelo de bloque pero no el bloque transductor estandarizado o los parámetros estandarizados. • Dispositivos clase B: utilizan el perfil estándar completo. El dispositivo clase A se definió para facilitar a los fabricantes el cumplimiento del estándar y el lanzamiento del producto. Ya no es aceptable para la certificación PROFIBUS. Para el usuario final, se recomienda el uso de dispositivos clase B, Profile V.3.0. Este es el tipo de dispositivo que le dará al usuario final todos los beneficios principales. Hoy, la mayoría de los dispositivos PROFIBUS PA lanzados están diseñados para Profile V.3.0 clase B o superior.

Actualizaciones Desde el lanzamiento del perfil estándar en 1999, hubo dos actualizaciones menores: • Versión 3.01 lanzada en 2004. • Versión 3.02 lanzada a principios de 2009. Versión 3.01: enfocada a los mensajes de error/diagnóstico y al flujo de esos mensajes. Agregó un byte alternativo llamado Estado Condensado con el siguiente efecto: • reducción de la cantidad de mensajes de error • creación de una progresión de pasos de alerta para mensajes de mantenimiento (mantenimiento requerido, mantenimiento obligatorio, alarma de mantenimiento). • filtro fácil entre las alarmas de proceso y de mantenimiento. A los códigos de estado condensado se les realiza un mapeo de bits para que un sólo filtro de bit separe las alarmas de proceso de las de mantenimiento. • permite que el usuario tenga un control total de los mensajes de error (es decir, el usuario final accede al instrumento y elige si un error debería ser un error, una advertencia o no ser una alerta). Versión 3.02: ofrece muchas mejoras de integración: • mejora la velocidad de carga/descarga en un factor de seis • mejora la integración del dispositivo a través de un mejor manipuleo de la versión.

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Capítulo 2: Cómo funciona el BUS

PROFIBUS International trabaja continuamente para mejorar el perfil estándar. La instrumentación es un campo que crece rápidamente, tanto a nivel de mercado como tecnológico, y la comunicación de bus de campo es un componente integral de dicho crecimiento. PROFIBUS se compromete con ese crecimiento y con la maximización del potencial de comunicación para que las empresas puedan cosechar los beneficios de redes efectivas.

Próxima parada del BUS: Capas físicas y componentes de red En el próximo capítulo analizaremos las diferentes capas y componentes que puede hallar en PROFIBUS y que componen una red PROFIBUS.

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Capítulo 2: Cómo funciona el BUS

Notas

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Capítulo Tres

Capas físicas y componentes de red Sólo cree y no te equivocarás. A la luz del día, hallarás el camino.1 Un bus de pasajeros toma diferentes caminos: autopistas, carreteras y calles laterales, todas con vías de acceso, carteles de detención y luces en las diferentes intersecciones. Del mismo modo, PROFIBUS viaja por diferentes medios físicos: cables, luz y ondas de radio. Como un camino que ofrece direcciones alternativas en sus intersecciones, PROFIBUS pasa por diferentes cajas (acopladores, repetidores) para tomar diferentes caminos. Estos caminos (capas físicas) son medios electrónicos. En este capítulo analizamos los diferentes medios eléctricos usados y después las diferentes formas de conectarlos, como las intersecciones que unen diferentes calles.

La ruta del BUS Este bus hace las siguientes paradas: • • • • • •

Capas físicas Entornos intrínsicamente seguros/peligrosos Elección de una capa física Componentes de red Redundancia Elección de componentes de red

Capas físicas Una capa física es cómo los datos, los unos o los ceros, se transfieren de un punto a otro en la red; es el camino por el que pasa PROFIBUS y el enlace físico entre los dispositivos. Así como los diferentes caminos se diseñan para funciones de transporte específicas, PROFIBUS también ofrece diferentes capas físicas con usos específicos, incluyendo RS-485, fibra óptica e inalámbrica.

1

Led Zeppelin, “In the Light.“ Physical Graffiti, 1974.

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Capítulo 3: Capas físicas y componentes de red

RS-485 Es el Estándar Recomendado 485 (RS-485) hace referencia a la capa física que utiliza una tensión diferencial para transmitir los datos. Un circuito eléctrico en el dispositivo receptor mide la tensión entre dos líneas de entrada y busca la diferencia entre ellas para determinar cuál es un 0 y cuál es un 1. El diagrama muestra ambas tensiones de entrada A y B: la diferencia de tensión la muestra la flecha y es el valor A-B. Si está entre -1,5 V y -6 V, es un 1 lógico, y si está entre +1,5 V y +6 V, es un 0 lógico.

A B

Ruido: una ventaja del estándar RS-485 es su inmunidad eléctrica al ruido. Si se introduce un ruido eléctrico (n) en la línea A, el mismo ruido se introducirá en la línea B. Así es cómo se calcula la diferencia:

(A+n) – (B+n) = A – B + n-n = A – B El ruido se anula. Hace unos largos 20 años, reparaba una red RTU Modbus RS-485 que unía una interfaz hombremáquina (HMI) con un Controlador Lógico Programable (PLC). RS-485 posee una gran inmunidad al ruido, entonces me sorprendí de la ruidosa forma de onda que medía el osciloscopio. Ya había verificado la conexión a tierra y como normalmente RS-485 funciona muy bien estaba desorientado con esta anomalía. Luego en la investigación noté que el cable RS-485 estaba sujetado con el de energía de 440 VAC que iba a los motores principales, una gran violación a las reglas del cableado: los cables de energía y los de comunicación deben estar separados. La moraleja: aunque RS-485 tiene gran inmunidad sonora, no es inmune a una mala instalación.

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Capítulo 3: Capas físicas y componentes de red

Cantidad de dispositivos: RS-485 puede tener hasta 32 dispositivos en un segmento. Un segmento es una sección de la red por donde pasa la misma señal eléctrica interrumpidamente. Este límite de 32 dispositivos lo imponen las limitaciones naturales de un circuito eléctrico. Luego de detectar la señal de 31 receptores (1 emisario más 31 receptores = 32 dispositivos), la señal se degrada hasta el punto de no poder leerse correctamente. La cantidad de dispositivos se puede ampliar usando repetidores. Velocidad de red: la velocidad de la red se puede ajustar a diferentes velocidades de transmisión entre 9,6 k baudios y 12 M baudios, siendo una velocidad típica 1,5 M bits por segundo. Distancia: a medida que la distancia se reduce, la velocidad de transmisión máxima cambia exponencialmente. A medida que la distancia aumenta, la velocidad de transmisión máxima cae exponencialmente.

Un dispositivo en este caso es cualquier aparato eléctrico conectado a este segmento.

Velocidad Distancia (bits por segundo) (m) 9,6 K

1200

19,2 K

1200

45,45 K

1200

93,75 K

1200

187,5 K

1000

500 K

400

1,5 M

200

3M

100

Baudios = velocidad de trasmisión que se mide en bits por segundo.

6M 100 La capa física RS-485 se conoce al menos desde la década del '80 12 M 100 y se utiliza en muchas aplicaciones con diferentes protocolos. La mayoría de los Controladores Lógicos Programables (PLC) usan RS-485 para la comunicación inter-PLC y para la comunicación entre un programador y el PLC. Otros protocolos que utilizan RS-485 son: • Modbus RTU (protocolo propietario Modicon que ahora es abierto) • DF-1 (protocolo propietario Allen-Bradley) • SNP (protocolo propietario GE FANUC)

k = kilobits M = mega bits

NOTA: la versión PROFIBUS del RS-485 es una modificación del estándar original. El estándar original sólo podía transmitir a una velocidad máxima de 187,5 k bits por segundo. PROFIBUS extendió esto a 12 mega bits por segundo.

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Capítulo 3: Capas físicas y componentes de red

Conclusión RS-485 es la capa física principal ideal para PROFIBUS DP por los siguientes motivos: • • • •

posee gran inmunidad sonora viaja largas distancias admite hasta 32 dispositivos en un segmento transmite hasta 12 mega bits por segundo.

Fibra óptica La capa de fibra óptica usa luz para transmitir datos. PROFIBUS tiene diferentes soluciones de fibra óptica disponibles según el costo y la distancia. Por lo general, a mayor distancia, mayor costo. Impulso luminoso

Un módem es un Salida dispositivo que traduce Entrada impulCable de fibra óptica so eléctrico impulso una señal de una eléctrico tecnología de transmisión a otra. La operación con fibra óptica comienza con una señal eléctrica que se .

convierte en luz, transmitida a través de un cable de fibra óptica que luego se vuelve a convertir en impulso eléctrico en su destino. La luz viaja en ambas direcciones en el cable, muy rápido, y puede transmitir la señal a grandes distancias por una fibra de alta calidad. Los lazos de tierra son corrientes eléctricas que viajan por el cable de tierra y pueden interferir con la comunicación.

Como los módem de fibra óptica traducen la información eléctrica en luz, también ofrecen aislamiento eléctrico. Así, en dos áreas con diferente puesta a tierra, la fibra óptica las conecta sin peligro de generar lazos de tierra. El ruido eléctrico está compuesto de ondas electromagnéticas que pueden inducir tensión en los cables de cobre. Pero, las ondas electromagnéticas no tienen efecto en la luz; por ende, no hay ruido eléctrico, haciendo que la fibra óptica sea ideal para áreas con mucho ruido eléctrico ambiental.

Conclusiones de fibra óptica • • • •

46

extiende la red a lo largo de grandes distancias resuelve problemas de puesta a tierra es efectiva en aplicaciones con mucho ruido ofrece topologías más versátiles.

Capítulo 3: Capas físicas y componentes de red

La Marina Americana usa anillos PROFIBUS de fibra óptica para muchos de sus portaaviones. Recuerdo que me contaron de los grandes problemas de puesta a tierra que tenían los buques. Al principio me sorprendió hasta que me di cuenta de que un buque es un contenedor de metal que cabecea en el agua, funcionando como un capacitor variador, creando diferentes potenciales de tierra en todo el buque. La fibra óptica es la solución perfecta para buques. Además, en caso de buques de guerra, la capacidad para ajustar la redundancia es una gran ventaja.

Inalámbrica En una red inalámbrica, los datos se transmiten a través del aire de una fuente a un receptor. La señal eléctrica se traduce en ondas electromagnéticas que viajan grandes distancias, según el tipo de módem. Además, debido a la traducción en ondas electromagnéticas, un lado no tiene conexión eléctrica con el otro (brindando un gran aislamiento), haciendo que la tecnología inalámbrica sea una solución práctica a los problemas de puesta a tierra. Hay muchas soluciones inalámbricas disponibles para PROFIBUS con diferentes tecnologías de radio e infrarrojas. (En el sitio web PROFIBUS hay una lista completa, en www.PROFIBUS.com/meta/ productguide busque "wireless"). La tecnología inalámbrica ahorra costos de cableado físico. Tender cables de un dispositivo a otro cuesta dinero, tanto en el cable que se consume como en el trabajo que lleva hacerlo adecuadamente. La tecnología inalámbrica también es la única opción para algunas aplicaciones en la que es difícil, sino imposible, tender cables, como cerca de máquinas giratorias o a través de barreras como por ej. en la calle.

Conclusiones sobre tecnología inalámbrica • • • •

posee rango extendido resuelve problemas de puesta a tierra ahorra costos de cableado es excelente en aplicaciones donde es difícil o imposible tender cables.

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Capítulo 3: Capas físicas y componentes de red

La tecnología inalámbrica está en boga actualmente, pero la mayor parte que utilizan los proveedores inalámbricos actuales hace tiempo que está establecida. Les daré un ejemplo. Hace quince años trabajaba en un proyecto con módems inalámbricos de amplio espectro para conectar un PLC remoto a un DCS Honeywell con Modbus. El cliente precisaba recibir cuatro valores analógicos importantes para el proceso. Los módems costaban CAD 2000 (dólar canadiense) cada uno, con un costo total de proyecto de CAD 10.000. Las instalaciones ya no tenían lugar en el tendido de cables, y para tender otro había que cavar otro camino principal con un costo estimado de CAD 500.000. Entonces, los CAD 10.000 eran una inversión pequeña y el cliente los pagó con gusto.

Manchester Encoded Bus Powered (MBP) (IEC 61158-2) El estándar IEC 61185-2 define una capa física que utiliza un método especial llamado Manchester Encoded Bus Powered (MBP) para ofrecer energía y comunicación en los mismos dos cables y transmitir la información al variar el consumo de energía en el cable de energía.

bits

1

0

1

1

0

|

1 = 10 mA

19 mA

1 mA 1 bit

48

tiempos de bit 1 bit

Capítulo 3: Capas físicas y componentes de red

El nivel de tensión en el bus debe ser de un mínimo de 9 V CC2, pero puede llegar hasta 32 V CC. La velocidad de transmisión se puede fijar en 31,25 Kbits/segundo. Esta es la capa física principal para PROFIBUS PA. La corriente base mínima es de 10 mA. La capa física hace que los dispositivos varíen el consumo de energía en el tiempo. La transmisión de un 1 o un 0 depende de si la energía aumenta o se reduce. Si la energía pasa de alta a baja durante un tiempo de bit predefinido, entonces es un 1 lógico. Si la energía pasa de baja a alta, entonces es un 0 lógico. Al principio del mensaje hay una secuencia de arranque para que todos los dispositivos de la red coordinen los tiempos de bit. Eléctricamente, es mucho más complejo que RS-485, y la descripción anterior es una simplificación de cómo funciona la capa física.

El MPB para PROFIBUS PA es la misma capa física usada por Foundation Fieldbus H1.

Cantidad de dispositivos: la capa física puede manejar un máximo de 32 dispositivos (31 dispositivos de campo más un acoplador). PROFIBUS trabaja bien con esta cantidad. Sin embargo, según se describe en el Capítulo Cuatro, las opciones de topología de red se reducen una vez que supera los 24. Velocidad de la red: la velocidad de MPB está siempre fija en 31,25 kbits/segundo. Distancia: para aplicaciones no-IS, el segmento MPB no puede exceder los 1.900 m (6232 ft). Para aplicaciones IS, no puede exceder los 1.000 m. (3280 ft).

Conclusiones MBP • Ofrece comunicación y energía en los mismos dos cables, ahorrando muchos costos de instalación ya que la energía y la comunicación no necesitan líneas separadas. • Intrínsecamente seguro (IS) alias MPB-IS. Ver Intrínsicamente Seguro a continuación. • MBP tiene bastante inmunidad sonora, así que se puede utilizar en entornos industriales con mucho ruido electromagnético.

RS-485-IS RS-485-IS es una modificación de RS-485 para niveles de energía más bajos. IS significa Intrínsicamente Seguro (ver abajo). Hay un acoplador especial para traducir la capa física de RS-485 a RS-485-IS, y RS-485-IS

Para obtener la certificación PI, el dispositivo debe poder encenderse con 9 V CC aplicados. Hay algunos dispositivos PROFIBUS PA no certificados que requieren más que esto para encenderse, otra buena razón para usar sólo dispositivos PROFIBUS PA certificados.

2

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Capítulo 3: Capas físicas y componentes de red

también usa diferente cableado y posee una velocidad máxima límite de 1,5 megabits/segundo. NOTA: El rack de E/S remoto Siemens ET200 opera con RS-485-IS, y es una solución rentable para las E/S remotas en entornos IS.

Entornos intrínsecamente seguros / peligrosos Las plantas de proceso suelen tener áreas donde hay sustancias explosivas en el aire, y una chispa eléctrica generaría una explosión. El IEC 3 ha definido diferentes zonas según cuán a menudo se encuentra una mezcla explosiva: • Zona 0 posee la mayor frecuencia • Zona 1 posee menos que la Zona 0 • Zona 2 posee menos que la Zona 1. Las definiciones de IEC tienen aceptación mundial. No obstante, muchos países poseen otras clasificaciones en paralelo, así que puede haber diferentes terminologías. Por ejemplo, en Estados Unidos, Clase 1 Div 1 corresponde a la Zona 0 y la Zona 1. La respuesta del bus de campo a los entornos explosivos es limitar la energía que va al bus y los dispositivos a un nivel donde sea imposible generar una chispa o un efecto térmico. Los dispositivos diseñados según este concepto se dice que son intrínsecamente4 o naturalmente seguros. ¡ADVERTENCIA! Esta sección sobre Intrínsecamente Seguro / FISCO / FNICO y RS-485-IS es sólo una introducción. Se podría escribir un libro entero sobre este tema. Cuando se embarque en un proyecto IS, por favor capacítese más sobre esta tecnología. Los diferentes proveedores que venden productos IS tienen documentación detallada. ¡Por favor recuerde que hay vidas en riesgo cuando se trata de IS! La energía se limita utilizando un acoplador especial que mantiene la energía a un nivel específico según la zona para la que se diseñó. En general, cuando se trata de entornos IS, se utiliza una capa física MBP. Cuando MBP se usa en entornos IS, se la llama MBP-IS. Sin embargo, PROFIBUS ofrece una segunda opción llamada RS-485-IS.

3 International Electrical Congress (IEC) es una organización normativa internacional comprometida con la creación y el mantenimiento de estándares internacionales y abiertos para su uso en la industria eléctrica. 4 Intrínseco: que pertenece a la naturaleza o a la constitución esencial de una cosa.

50

Capítulo 3: Capas físicas y componentes de red

Los ingenieros novatos por lo general ignoran la importancia de las áreas intrínsecamente seguras. Recuerdo mi primera capacitación sobre seguridad y mi primera visita a una planta química. Acababa de salir de la universidad y sabía todo. Comencé a tenerle más respeto cuando entré a la sala de control e hice la pregunta más tonta: "¿Por qué las paredes son tan gruesas?" Para que la gente sobreviva en caso de una explosión. ¡Ay! Mis lecciones de respeto continuaron cuando entré a una zona donde un detector de cloro se apagó. El nivel de alarma significaba que los humos no eran letales, pero sí más elevados de lo que deberían. Dos segundos después, cuando respiré los humos no letales, supe que estos químicos se merecían nuestro respeto, y es más, aún recuerdo el dolor en los pulmones y el pánico que sentí.

Concepto de bus de campo de seguridad intrínseca (FISCO) Para obtener la aprobación para una aplicación IS, debe hacer una serie de cálculos. Pero para MBP, un grupo de ingenieros descubrió que podía simplificar estos cálculos ya que al mirar la capa física notaron lo siguiente: • hay sólo una fuente de alimentación • todo el resto son dispositivos de energía • hay un consumo de energía constante. Entones se llegó a esta conclusión: los dispositivos PROFIBUS pueden ser intrínsecamente seguros al enchufarse, siempre que la suma de la corriente esté por debajo de la corriente máxima aplicada al acople IS cuando se suma el consumo de corriente de los diferentes instrumentos. Pero tenga en cuenta que hay varias limitaciones en la capa física: • • • •

requiere cable clase A distancia máxima de 1.000 metros largo máximo de la línea auxiliar 60 metros necesita una fuente de alimentación y un acople con aprobación FISCO • un acople FISCO típico ofrece 14 V, 110 mA • instrumentos con aprobación FISCO. 51

Capítulo 3: Capas físicas y componentes de red

Con estas limitaciones, los dispositivos de campo con aprobación FISCO podrían usarse en entornos de Zona 0 ó superiores.

Concepto de bus de campo no incendiario (FNICO) y FISCO ic El estándar FNICO opera con el mismo principio que FISCO, pero se aplica en la Zona 2, lo que implica que ciertos requisitos de la fuente de alimentación son más holgados, permitiendo más instrumentos por segmento. A principios de 2008, FNICO fue reemplazado por FISCO ic, que aplica reglas muy similares. Las limitaciones de la capa física son: • • • • • •

requiere cable clase A distancia máxima de 1.000 metros largo máximo de la línea auxiliar 30 metros fuente de alimentación y acople con aprobación FISCO los acopladores FNICO y FISCO ic ofrecen 17,5 V, 350 mA sólo instrumentos con certificación FISCO5

Elección de una capa física Hay disponibles muchas capas físicas: • RS-485 • MBP • Inalámbrica

• RS-485-IS • MBP-IS • Fibra óptica

Estas son algunas pautas para elegir la indicada para su aplicación: 1. RS-485 es el camino principal para la automatización y conforma la columna vertebral de la red. 2. Use fibra óptica en estas condiciones: • largas distancias • asuntos de puesta a tierra (como entre edificios) • mucho ruido eléctrico. 3. Use inalámbrico en estas condiciones: • largas distancias • alto costo de cableado • mal acceso al tendido de cables.

5 Actualmente esta es la descripción correcta ya que no hay aún dispositivos con aprobación FISCO ic o barreras. Esto cambiará con el tiempo y debería verificarse al diseñar el segmento IS.

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Capítulo 3: Capas físicas y componentes de red

4. RS-485 se debería utilizar para aplicaciones de control de procesos, pero las ramas pueden ser MBP. Use RS-485 para accionamientos e instrumentos que requieren alta velocidad. La mayoría de los instrumentos estarán en MBP. 5. Las ramas de control de proceso en áreas IS usan MBP-IS.

Componentes de red En esta sección les mostramos cómo unir los caminos.

Repetidores Un repetidor es un dispositivo que repite una señal eléctrica devolviéndole su fuerza total. Cada vez que se lee una señal eléctrica, se reduce el nivel de energía. Además, cuanta más distancia recorra, menor es el nivel de energía. Finalmente se llega a un punto en el que la señal no se puede leer porque los niveles son muy bajos. Un repetidor toma esa señal baja, la lee en un segmento y la repite en el segundo segmento, devolviéndole toda su fuerza. Todas las capas físicas diferentes de la red tienen una cantidad limitada de repetidores porque cada repetidor introduce un retardo en la señal. PROFIBUS necesita que la comunicación se realice en un cierto tiempo para cumplir con los requisitos deterministas del sistema de control. Si hay demasiados repetidores en una ruta de comunicación, se excede este tiempo límite (timer controlador) generando un error serio porque su controlador ya no puede controlar el proceso. A menudo los fabricantes de repetidores le pedirán que ajuste algunos de los parámetros de temporización PROFIBUS (también llamados parámetros de bus PROFIBUS) para no exceder el timer controlador PROFIBUS.

1. Leer una señal significa que el circuito eléctrico detecta si el valor es 1 o 0. 2. Determinista es el conocimiento de un evento inminente en un período de tiempo fijo. Este es un requisito de los sistemas de control avanzados.

Repetidor

Segmento A

Segmento B

Regenerar señales originales

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Capítulo 3: Capas físicas y componentes de red

El repetidor más común en la automatización de procesos es el que se usa para RS-485. Muchos de estos módems permitirán hasta nueve repetidores en cualquier ruta de comunicación. Así, entre dos dispositivos que hablan (maestro-maestro / maestro-esclavo), no puede haber más de nueve repetidores; sin embargo, la cantidad total de repetidores en todo el sistema puede ser mucho mayor. Además de usarse para extender la longitud de la red y la cantidad de dispositivos, los repetidores también sirven para crear líneas auxiliares para RS-485. Por lo general, RS-485 se conecta con un método llamado conexión en cadena margarita. Los cables van directamente de un dispositivo a otro. Sin embargo, las líneas auxiliares se derivan de un cable principal y se tiende otro cable hasta el dispositivo de campo. Cuando RS-485 está funcionando a 1,5 meg o más, las líneas auxiliares no están permitidas. Cuando funciona a velocidades menores, puede haber una cantidad limitada de líneas auxiliares, de un largo limitado. Estas restringen la velocidad máxima de transmisión y generan reflejos en la línea que reducen la robustez de todo el sistema. Generalmente no son una buena idea para RS-485, pero como el repetidor refresca la señal, también se puede usar para crear la misma topología que las líneas auxiliares. Algunos fabricantes (por ej. Procentec y Phoenix Contact) han creado repetidores especiales diseñados para crear líneas auxiliares en PROFIBUS DP.

Servicios de campo

Repetidor

Dispositivo de campo 54

Capítulo 3: Capas físicas y componentes de red

Resumen de la tecnología de repetidores RS-485 • extiende el largo total de la red para una velocidad dada • aumenta la cantidad de dispositivos en la red • permite diferentes topologías (líneas auxiliares).

Repetidores MBP Aunque hay repetidores MBP, tienen un uso limitado para PROFIBUS. PROFIBUS posee la carretera DP que une todas las calles laterales PA, y si uno de los segmentos PA se sobrecarga, puede agregar un acoplador o enlace/acoplador PA para crear un nuevo segmento. Comúnmente, esto es más fácil, más rentable y con mejor rendimiento que un repetidor PA.

Acoplador RS-485-IS Este dispositivo convierte RS-485 a su versión Intrínsecamente Segura llamada RS-485-IS. Este acoplador limita la velocidad de transmisión total a 1,5 meg. Además usa diferentes cables y terminaciones que el RS-485. Este dispositivo sólo se usa cuando hay dispositivos que conectar a RS-485-IS.

Conectando PROFIBUS DP a PROFIBUS PA PROFIBUS DP es la columna vertebral de su red con segmentos PROFIBUS PA agregados a través de algún acoplador/enlace/puerta. Actualmente, hay empresas que proveen equipos (Siemens, ABB y Pepperl+Fuchs) con cinco soluciones posibles.

Empresa

Nombre del producto

Velocidad del lado DP

Comentarios

Siemens

Acoplador DP/PA

Fijo en 45,45 k bits por segundo

El lado PA usa el mismo espacio de dirección que el lado DP

Siemens

Acoplador DP/PA Link

Cualquier velocidad

El lado PA usa un espacio de dirección diferente que el lado PA

ABB

Dispositivo de enlace DP/PA

Cualquier velocidad

El lado PA usa el mismo espacio de dirección que el lado DP

Pepperl+Fuchs

Acoplador de segmento para PROFIBUS PA (SK1)

Fijo en 93,75 k bits por segundo

El lado PA usa el mismo espacio de dirección que el lado DP

Pepperl+Fuchs

PROFIBUS Power Hub System (SK3)

Cualquier velocidad

El lado PA usa el mismo espacio de dirección que el lado DP

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Capítulo 3: Capas físicas y componentes de red

El acoplador Siemens DP/PA ofrece una solución de bajo costo y bajo rendimiento.

Acoplador PROFIBUS DP/PA Siemens: el acoplador Siemens convierte una capa física RS-485 en una capa física MBP. De alguna forma es similar a un repetidor, pero en vez de repetir el mensaje con el mismo método eléctrico, repite el mensaje usando otro método eléctrico. Al igual que un repetidor, es generalmente invisible en la red y las direcciones en un lado del acoplador son parte del mismo espacio de dirección del otro lado del acoplador. Hay dos versiones en este acoplador: una para aplicaciones IS y una para no-IS 6. El acoplador no-IS más nuevo se puede configurar con una dirección. Al configurarlo con una dirección ofrece información sobre el nivel de corriente y tensión en el segmento PA. Los acopladores requieren que el DP esté fijo en 45,45 k bites por segundo.

Los módulos de enlace DP/A Siemens son un poco más costosos, pero poseen mejor rendimiento.

Siemens PROFIBUS DP/PA Link: el módulo PROFIBUS DP/PA Link es un innovador dispositivo de Siemens que crea una verdadera sub-red al configurar un PROFIBUS DP esclavo de un lado y un maestro PROFIBUS DP (PA) en otro. En esta configuración, el lado PROFIBUS DP de la red puede tomar cualquier velocidad de transmisión, igual que un acoplador P&F, pero la diferencia es que el espacio de dirección del lado PA es diferente al del DP. Por ende, con el módulo de enlace Siemens, entrarán más instrumentos en una red DP porque ya no está limitada al espacio de dirección de 0 a 125 de DP.

Maestro PROFIBUS DP (cualquier velocidad hasta 12M bit/s) Módulo de enlace DP/PA con 2 acopladores y una fuente de alimentación. PROFIBUS PA (31,25 K bit/s)

PROFIBUS PA (31,25 K bit/s)

Diferente espacio de dirección que la red DP de arriba 6 Cabe mencionar que los acopladores Siemens no-IS pueden suministrar 1 A y 31 V CC de energía, la cantidad más grande del mercado, muy útil para lograr la mayor cantidad de dispositivos y la longitud máxima.

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Capítulo 3: Capas físicas y componentes de red

Otra ventaja del módulo de enlace son los tiempos de actualización de los instrumentos de campo. Por ejemplo, cuando usamos los acopladores Siemens con 100 instrumentos de campo conectados, para actualizar la variable del proceso principal de cada instrumento de campo se utiliza el siguiente cálculo:

100*15,5 + 20ms = 1,57 seconds Pero, si se utilizan varios módulos de enlace, cada uno con 20 instrumentos, entonces el tiempo de actualización es casi cinco veces más rápido:

20*15,5 + 20ms+1ms = 0,331 seconds El módulo de enlace necesita un acoplador (ya sea versión IS o no-IS para funcionar y puede usar un máximo de cinco. Las reglas de diseño general de este módulo son bastante simples: • un máximo de 244 bytes de salida y 244 bytes de entrada disponibles (así que debe verificar que la cantidad total de bytes de entrada/salida en el lado PA no exceda estos límites) • no más de 64 dispositivos en total7 • un máximo de cinco acopladores. Vea Capítulo Cuatro: Diseño Inteligente para ampliar más sobre las reglas de diseño. La norma PROFIBUS establece que los datos en el paquete de comunicación tienen un máximo de 244 bytes, ofreciendo un máximo de 244 bytes de datos de entrada y 244 de salida. Esto se aplica a casi todos los maestros con los que he trabajado. Sin embargo, hay excepciones a la regla. Algunas de las primeras tarjetas de interfaz PROFIBUS tienen algunas limitaciones. Por ejemplo, APACS DCS, un producto DCS legado, está limitado porque los datos de entrada sólo pueden tener un máximo de 122 bytes. Los datos de salida pueden ser de 244 bytes, pero no los de entrada.

Los módulos de enlace más antiguos sólo pueden manejar un máximo de 32 dispositivos.

7

57

Capítulo 3: Capas físicas y componentes de red

Descubrí esto en un llamado por servicio. Se comunicaron conmigo porque la gente de servicio que estaba poniendo en marcha la red no tenía experiencia suficiente y no podía hacer funcionar los módulos de enlace DP/PA. La información que les faltaba era que cuando se trabaja con un host que no es Siemens, hay que utilizar una GST-Tool (descarga sin cargo del sitio Siemens) para combinar los archivos GSD de los instrumentos de campo con los archivos GSD de módulo de enlace DP/PA. Esta parte la resolvimos enseguida. Después descubrimos que los diseñadores habían pasado por alto el límite de 122 bytes en los datos de entrada. Finalmente tuvimos que mover un par de instrumentos a otros segmentos. Ambos problemas se hubieran evitado fácilmente con leer el manual, ¡la diferencia está en los detalles!

Dispositivo de enlace ABB PROFIBUS DP/PA: la solución de ABB es muy similar a la solución de enlace/acoplador de Siemens, salvo que los dispositivos del lado PA de la red son parte del mismo espacio de dirección que el lado DP. Además, el módulo de enlace ABB no posee dirección en el lado DP y es invisible en la red. ABB posee una estación central donde PROFIBUS DP se enchufa a la red. Hay diferentes versiones de esta estación central, cada una con su cantidad de canales: 1, 2 y 4. Cada canal puede tener hasta cinco módulos Powerlink enchufados con un segmento PA por módulo Powerlink. El modulo Powerlink está disponible en versión IS y no-IS. Este diseño ofrece un modo similar de aumentar la velocidad de transmisión como el módulo Link de Siemens. Por ejemplo, si se distribuyen 80 dispositivos en cuatro módulos Powerlink conectados a un canal de estación central, los tiempos de actualización se pueden cuadruplicar con sólo pasar a la versión de cuatro canales y luego usar un canal por módulo Powerlink. Al configurar el maestro DP, ajuste a cualquier velocidad de transmisión y el dispositivo de enlace ABB funcionará. Tenga en cuenta que los archivos GSD del dispositivo esclavo PA deben convertirse con una herramienta de software de ABB, y una vez hecho, la configuración es sencilla.

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Capítulo 3: Capas físicas y componentes de red

Esta es una forma muy efectiva de convertir DP a PA. El dispositivo de enlace actúa como una puerta invisible entre ambas redes. Cuando resuelve problemas en el dispositivo de enlace, recuerde que los mensajes del lado DP son diferentes a de los del lado PA. La única desventaja real es el límite de 124 del dispositivo para una red DP. Acoplador de segmento Pepperl+Fuchs para PROFIBUS PA (SK1): una idea similar a la del acoplador Siemens, salvo que la velocidad de transmisión del lado DP está fija en 93,75 kbits por segundo. Esta es una solución de gama baja de Pepperl+Fuchs, adecuada para aplicaciones con baja velocidad del lado DP. Sistema Powerhub Pepperl+Fuchs PROFIBUS (SK3): esta solución de Pepperl+ Fuchs también es muy similar a la solución enlace/acoplador de Siemens, salvo que los dispositivos del lado PA de la red son parte del mismo espacio de dirección que el lado DP. El Powerhub tiene diferentes modelos con diferentes opciones: • cantidad de canales • FISCO y FISCO ic • redundancia de energía (ver Medios y Redundancia de energía a continuación) • diagnóstico avanzado de lazo. Cada canal posee su propio PA maestro, entonces este producto (como el ABB) aumenta la velocidad de transmisión de modo similar a la del módulo Link de Siemens. Con sólo reducir la cantidad de dispositivos en un canal, aumenta la velocidad de transmisión. Al configurar el maestro DP, puede ajustar cualquier velocidad de transmisión y el Powerhub Pepperl+Fuchs funcionará. Tenga en cuenta que los archivos GDS del dispositivo esclavo PA deben convertirse con una herramienta de software de Pepperl+Fuchs, y una vez hecho, la configuración es sencilla. Por lo general, el dispositivo Pepperl+Fuchs es impresionante y el diagnóstico de lazo es algo que definitivamente debe considerar. Hay un modulo para el Powerhub que registra la forma de onda PA real, a la que luego se accede a través de la red DP.

Redundancia En algunas aplicaciones de la automatización de procesos, el proceso debe continuar aún si hay algún tipo de falla. Un término común para ello es alta disponibilidad. La redundancia ayuda a que el sistema continúe funcionando con múltiplos de algo, para que si uno falla, el otro lo reemplace. 59

Capítulo 3: Capas físicas y componentes de red

Hay diferentes formas de redundancia: • • • •

redundancia de maestros redundancia de medios redundancia de dispositivos redundancia de energía.

Tanto PROFIBUS DP como PA tienen redundancia de maestro y de medio, y hay disponible redundancia de dispositivo. • Redundancia de maestros: es como tener dos jefes, uno primario y otro secundario. Si el jefe primario se apaga, los interruptores le reportan al jefe secundario (backup). • Redundancia de medios: es como tener dos caminos separados para ir a tu casa, un camino siempre está disponible si uno se bloquea o se daña. Así, en una red, dos cables van al mismo nodo para que si se pierde uno, aún haya comunicación con ese dispositivo. • Redundancia de dispositivos: es cuando múltiples dispositivos están haciendo lo mismo, ya sea entrada o salida. Si uno falla, el otro lo reemplaza. Con PROFIBUS PA también se puede tener redundancia energética. • Redundancia energética: es como un automóvil con dos tanques de combustible. Si un tanque se queda sin combustible, siempre hay un segundo que mantiene el automóvil en marcha.

Redundancia de maestros y de medios PROFIBUS DP Hay numerosas opciones y fabricantes que ofrecen redundancia de maestros y de medios para RS-485 (PROFIBUS DP). Siemens, ABB y Pepperl+Fuchs, para nombrar algunos, tienen redundancia en el maestro y en los medios. La solución de Siemens es usar una serie especial de PLC con tolerancia a fallas y alta disponibilidad: S7-400H. Algunas E/S poseen la capacidad incorporada de pasar del cable PROFIBUS DP primario al secundario, y los otros usan un módulo especial llamado Y-Link. Además de estas soluciones RS-485 para redundancia de medios, otra opción son los módems de fibra óptica. Muchos de estos se pueden configurar de modo tal que ofrezcan redundancia de anillo. Esto significa que para cada modulo de fibra óptica siempre hay dos rutas hacia el maestro. Por lo tanto, si una ruta se corta, hay otra disponible.

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Capítulo 3: Capas físicas y componentes de red

Redundancia de maestros, medios y energía. PROFIBUS PA Para PROFIBUS PA, Siemens y Pepperl+Fuchs ofrecen: • redundancia de energía • redundancia de acoplador • enlaces para redundancia DP. Además, Siemens ofrece una verdadera topología de anillo que brinda una redundancia de medios completa con rutas redundantes hacia cualquier esclavo en el anillo. Redundancia en el suministro energético y el acoplador (PA Master): Pepperl+Fuchs maneja la redundancia del acoplador y/o del suministro energético de modo simple usando módulos enchufables a su Powerhub, haciendo que todo el hardware sea sólo un agregado del o de los acopladores. El usuario puede elegir entre redundancia energética o redundancia energética y de acoplador (PA Master). El usuario tiene las mismas opciones con Siemens. La única diferencia es que con Siemens se requiere uno o más componentes. Este ítem adicional se llama distribuidor de campo activo. El distribuidor de campo activo toma los cables PA de dos acopladores DP/ PA y encauza uno hacia el segmento PA. Si la comunicación o la energía de uno de los acopladores/fuente de alimentación PA falla, el distribuidor de campo activo pasará a la otra línea para mantener activa la comunicación. Para obtener redundancia de maestro PA en este diseño, el usuario debe agregar un módulo de enlace más y que PROFIBUS DP redundante vaya hacia el nodo.

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Capítulo 3: Capas físicas y componentes de red

Redundancia de medios PROFIBUS PA: Siemens y Moore Hawke ofrecen redundancia de medios PROFIBUS PA. La solución de Moore Hawke ofrece sólo una caja de empalmes en el anillo, por ende es limitada. La caja de empalmes conmuta entre dos líneas de entrada.

La solución de Siemens es usar un anillo con múltiples cajas de empalmes llamada Distribuidores de Campo Activos (AFD). AFD hará lo siguiente: • auto-terminar el bus • ofrecer protección contra cortocircuitos ante caídas de PA para que si un esclavo PA entra en cortocircuito, la red no se apague. • muestra luces de diagnóstico indicando que los esclavos están bien o qué cable se rompió. Los acopladores que soportan esta estructura ofrecen útiles características adicionales a través de las direcciones PROFIBUS: Una LifeList muestra todos los dispositivos que se están comunicando en la red

• corriente y tensión del segmento PA • una LifeList local • diagnóstico de quiebre de cables/cortocircuito. El anillo Siemens PA tiene varios beneficios: • mayor disponibilidad de la red, lo que implica menos tiempo de parada para el proceso • resolución de problemas más fácil gracias a un mejor diagnóstico de la red • cambio de dispositivos por mantenimiento más fácil debido a la protección contra cortocircuito • diseño e instalación de red más simple debido a la auto-terminación y protección contra cortocircuitos.

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Capítulo 3: Capas físicas y componentes de red

En general, la estructura de anillo es la solución preferida para todas las aplicaciones. No obstante, la necesidad de una mayor disponibilidad es la clave. Si es un lazo de control importante, esta mayor disponibilidad vale los costos adicionales. Pero si se trata de un tanque para una aplicación agrícola donde una mayor disponibilidad no afecta tanto las ganancias, seguramente no valga la pena el gasto adicional.

Elección de componentes de red Elegir algunos componentes de red será sencillo a partir del diseño y la distribución (Capítulo Cuatro). Por ejemplo, con 40 dispositivos en PROFIBUS DP, necesitará un repetidor. Elegir la marca y el modelo del repetidor requerirá más reflexión. Una ventaja que tiene el diseñador con PROFIBUS es la variedad de opciones. Cuando usa PROFIBUS PA, necesita algún tipo de enlace de DP a PA y/o un acoplador. Como la funcionalidad básica varía considerablemente entre marcas y modelos, el diseñador debe recordar que la elección del dispositivo de enlace afecta al diseño. En general, hay una interacción entre la capa física, los componentes y el diseño de red. Al iniciar el proceso, el diseñador debe tener una visión clara de los requisitos de red del usuario final y estar dispuesto a cambiar los componentes, las capas físicas y el diseño a medida que se instala. El diseño no es lineal. Es recurrente y, según la experiencia del diseñador, puede llevar varios intentos hasta lograr el correcto.

Próxima parada del BUS: Diseño inteligente Ahora que se han presentado todas las piezas, los capítulos siguientes se concentran en: • • • • •

diseño de red: ¿cuáles son las reglas? instalación de la red configuración de la red operación de la red resolución de problemas de red.

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Capítulo 3: Capas físicas y componentes de red

Nota

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Capítulo Cuatro

Diseño inteligente: Elementos básicos de PROFIBUS DP/PA El arte debe ser tu incentivo y el diseño no, salvo que sea un buen diseño para un autobús.1 Un PROFI bus bien diseñado traslada los datos rápida y confiablemente, y para diseñar una buena red PROFIBUS, debe seguir estas pautas: • seguir todas las reglas de diseño e instalar correctamente la red le asegura un funcionamiento adecuado de la red PROFIBUS, sin errores. • no seguir las reglas de diseño puede agregar costos incurridos durante el tiempo que estuvo resolviendo problemas, y cambiar un diseño de red fallido en el campo lleva muchísima cantidad de tiempo y dinero, ya que el proceso se detiene a medida que se hacen las reparaciones. En otras palabras, ¡vale la pena seguir las reglas! PROFIBUS utiliza dos capas físicas principales: RS-485 y MBP, y su diferencia se refleja en la designación PROFIBUS: • PROFIBUS DP: se refiere en general al protocolo PROFIBUS DP ejecutado en RS-485. • PROFIBUS PA: se refiere en general al protocolo PROFIBUS DP que se ejecuta en la capa física Manchester encoded Bus Powered (MBP) (IEC-61158-2). 2

Hay más de una respuesta correcta, muchos diseños diferentes resolverán el mismo problema.

Cuando se trabaja en un diseño de red es muy importante recordar que se trata de un proceso recurrente. El primer intento a menudo no se parece en nada al producto terminado debido a la cantidad de factores que deben considerarse como progresos del diseño3. Este capítulo analiza principalmente las reglas generales de diseño. Tenga en cuenta que los componentes seleccionados agregan más reglas. Por ejemplo, los diferentes tipos de dispositivos de conexión DP/ PA poseen sus propias reglas. David Hockney, artista británico, (1936 -) Al protocolo mismo se lo llama PROFIBUS DP y por eso cuando se ejecuta en otra capa física como la de fibra óptica se sigue llamando PROFIBUS DP. 3 Ver en el Capítulo Tres el debate sobre la interacción entre el diseño, la elección de la capa física y los componentes.. 1 2

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Capítulo 4: Diseño inteligente: Elementos básicos de PROFIBUS DP/PA

La ruta del BUS Este bus hace las siguientes paradas: • • • • • •

Diseño básico PROFIBUS DP Diseño básico PROFIBUS PA Ejemplo de diseño de PROFIBUS PA Herramientas de diseño Cálculo de velocidad de actualización Sugerencias de diseño de PROFIBUS PA.

Diseño básico PROFIBUS DP PROFIBUS DP es la columna vertebral de la típica red PROFIBUS que enlaza accionamiento, arrancadores de motor, E/S digitales y segmentos PROFIBUS PA. Las plantas de proceso a menudo tienen una mezcla de E/S analógicas y digitales, junto con una cantidad cada vez mayor de Accionamientos de Frecuencia Variable. La capacidad para unir todos estos dispositivos diferentes fácilmente en una red es una de las fortalezas clave de PROFIBUS.

Reglas básicas de diseño para PROFIBUS DP en RS-485 de cobre 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

No exceder los 32 nodos por segmento. Los nodos deben tener un enlace margarita (no líneas auxiliares4). Terminar cada segmento en sus extremos. No exceder los 125 dispositivos con direccionamiento directo por tarjeta de interfaz PROFIBUS DP. No más de nueve5 repetidores entre el maestro y cualquiera de sus dispositivos de campo en cualquier ruta de comunicación. Correlación entre el largo máximo por segmento y la velocidad de transmisión. Seguir las prácticas de puesta a tierra recomendadas. Diseñar para la velocidad máxima de transmisión, pero ejecutar a la velocidad mínima posible.

Explicación detallada de las reglas 1. No exceder los 32 nodos en un segmento. Luego de que una señal eléctrica ha sido registrada por 31 dispositivos (1 emisor + 32 receptores = 32 nodos), la señal se degrada al punto de no poder volver a leerse. Esta degradación es sólo un límite físico del estándar RS-485. Sin embargo, algunos dispositivos PROFIBUS DP usan

Profihub es un repetidor RS-485 para crear líneas auxiliares para DP. 66

4 Las líneas auxiliares se pueden usar si su la velocidad de red es menor a 1.5 meg. Pero, tenga en cuenta que PROFIBUS International no recomienda el uso de tendido de cables en ninguna velocidad. 5 Nueve es el máximo. Muchos diseñadores prefieren no exceder los cuatro debido a los retardos que generan los repetidores.

Capítulo 4: Diseño inteligente: Elementos básicos de PROFIBUS DP/PA

los nuevos chips del mercado RS-485 que no degradan la señal del mismo modo, permitiendo más de 31 dispositivos en un segmento. No obstante, esta regla sigue vigente porque la única forma de identificar estos dispositivos es examinar cada tablero de interfaz PROFIBUS, un ejercicio que lleva mucho tiempo.

NOTAS: • Un segmento es una zona de la red en la que hay sólo una señal eléctrica (es decir, sin repetidores). El diagrama muestra un segmento ya que no hay repetidores. • Un nodo es cualquier dispositivo que ocupa una conexión en la red, incluyendo los dispositivos que tienen direcciones (racks de E/S y accionamientos) y los que no (repetidores y acopladores). 2. Los nodos deben tener un enlace margarita.

NOTAS: • Una cadena margarita conecta los cables de un dispositivo directamente con el siguiente y luego sale de nuevo hacia el que sigue (ver el diagrama). • Cuando los dispositivos están conectados en margarita y uno de ellos falla, el resto no se ve afectado. • Los reflejos son imágenes de la señal original (forma de onda) que regresan por el cable e interfieren con la señal original, así como las olas interrumpen la línea de la superficie del agua cuando salpicamos al costado de la bañera. • Un cable de bajada o una línea auxiliar es un cable sujetado de una conexión en T, y sólo un cable que va desde el cable principal hasta el dispositivo. RS-485 siempre ha recomendado el método de cableado en cadena margarita porque los empalmes en T crean reflejos en la señal eléctrica. Los reflejos dificultan la lectura de la señal: cuanto mayor es el reflejo, mayor es la dificultad. El tamaño de los reflejos aumenta con el tamaño de la línea auxiliar (largo del cable que sale del empalme en T) y la velocidad de la red. Con bajas velocidades de transmisión, se pueden tolerar algunas líneas auxiliares. Pero, a una velocidad de 1,5 meg o superior, no se toleran líneas auxiliares. Desde la perspectiva del cableado, sería útil tener una o múltiples líneas auxiliares, usando repetidores para crearlas6. 6 Los fabricantes, incluyendo Phoenix Contact y Procentec, venden repetidores especiales que crean múltiples líneas auxiliares. El producto Profihub de Procentec está ilustrado en la página anterior.

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Capítulo 4: Diseño inteligente: Elementos básicos de PROFIBUS DP/PA

3. Terminar cada segmento en sus extremos.

Polarizar la red significa agregar tensión eléctrica o corriente a la red.

PROFIBUS DP usa una terminación activa especial en el segmento. La mayoría de las redes basadas en RS-485 usan sólo un resistor de terminación en A y B, al que se llama terminación pasiva porque no hay energía. PROFIBUS usa una terminación activa que tiene un resistor pull-up y pull-down para polarizar la red. Polarizar la red mejora la relación señal-ruido de la señal. Esto es útil en cualquier velocidad de transmisión ya que mejora la calidad de la señal. Sin embargo, debido a los breves tiempos de bit en altas velocidad de transmisión, esta terminación activa es un requisito. La terminación activa siempre debe estar encendida para asegurar una comunicación confiable. VP Pull-up 390 Ω Línea B Profibus DP 220 Ω Línea A 390 Ω Pull-down GND

Desarrollamos una red PROFIBUS DP en el Centro de Enseñanza Milltronics de Siemens, en Peterborough. Un extremo de la red terminaba en el PLC. El otro extremo terminaba en el último rack de simulación de aplicación. Ejecutamos la red a 1,5 meg y funcionó bien. Nuestro departamento de marketing a menudo venía y encendía un rack para hacer pruebas, y la comunicación funcionaba, más allá de que no había ninguna terminación en el último rack. Un día, durante una de las clases, los estudiantes del último rack terminaron antes y apagaron el rack. De pronto, las otras cinco estaciones perdieron la comunicación. Resultó que la red funcionaba sin un terminador activo si la red no estaba muy congestionada, pero no si estaba muy congestionada.

Un modo de asegurarse de que la polarización activa esté funcionando siempre es usar una caja de terminación con energía individual. 68

Capítulo 4: Diseño inteligente: Elementos básicos de PROFIBUS DP/PA

¡ADVERTENCIA! La terminación activa en ambos extremos de un segmento es crucial para evitar que la red colapse. Por ende, es mejor no terminar un rack E/S porque al apagarlo se apaga también la terminación activa y colapsa la red. Esto se evita usando un bloque de terminación con energía independiente. 4. No exceder los 125 dispositivos con direccionamiento por tarjeta de interfaz PROFIBUS DP Rango de dirección de 0 a 127 PROFIBUS Dirección 127

Reservada para enviar mensajes (mensajes que se mandan a todos los dispositivos de la red).

Dirección 126

Reservada para dispositivos nuevos cuyas direcciones sólo se pueden ajustar a través de la red (no interruptores dip).

Direcciones 0 a 125

Disponible para maestros y todos los esclavos.

Dirección 2

Usado para controladores principales.

Dirección 0 o 1

Usado para estación de ingeniería (si tiene una estación de ingeniería permanente, use la dirección 1, dejando 0 para un huésped).

¡ADVERTENCIA! Dos dispositivos no pueden tener la misma dirección. Si se asigna la misma dirección a dos dispositivos, habrá errores en el bus. Vea el Capítulo Ocho para ver más sobre estos errores.

Aún cuando haya una estación de trabajo de ingeniería permanente en la red, se debe reservar una dirección extra. También es bueno mantener un puerto DB-9 disponible para las herramientas de resolución de problemas y/o para estaciones de ingeniería huésped.

5. No más de nueve repetidores entre el maestro y cualquiera de sus dispositivos de campo en cualquier ruta de comunicación. Puede haber más de nueve repetidores en total en la red. No obstante, el maestro sólo puede hablar a través de un máximo de nueve repetidores para llegar a su esclavo debido a los retardos que genera cada repetidor. Controlador

Esclavo

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Capítulo 4: Diseño inteligente: Elementos básicos de PROFIBUS DP/PA

6. Correlación entre el largo máximo por segmento y la velocidad de transmisión. Velocidad (Kbaud)

Largo max. segmento

9,6

1.200m

19,2

1.200m

45,45

1.200m

93,75

1.200m

187,5

1.000m

500

400m

1,500

200m

3,000

100m

6,000

100m

12,000

100m

Esta tabla es válida sólo para los cables PROFIBUS DP Clase A. Aunque que las guías de cableado PROFIBUS DP definen diferentes grados de cables, se prefieren los de Clase A. ADVERTENCIA: Asegúrese de que haya un largo mínimo de un metro entre los dispositivos de una red. 7. Seguir las prácticas de puesta a tierra recomendadas. Para PROFIBUS DP, las prácticas de puesta a tierra recomendadas son: • conectar todos los blindajes del cable a tierra • usar un cable conductor a tierra que vaya de armario a armario en el mismo segmento. El objetivo del cable a tierra es asegurarse de que todos los dispositivos en un segmento tengan el mismo potencial de tierra. Conectar el blindaje del cable a tierra en todos los dispositivos de un segmento brinda la mejor protección contra los ruidos eléctricos de alta frecuencia. 8. Diseñar para la velocidad máxima de transmisión, pero ejecutar a la velocidad mínima posible.7 Esta es la única regla que en verdad es la mejor recomendación. Diseñar para una velocidad alta y ejecutar a una velocidad baja tiene estos beneficios: • deja mucho espacio para expansión • aumenta la robustez del sistema. Diseñar una red como para que funcione a 12 meg, pero instalarla para que funcione a la menor velocidad posible le brindará la velocidad de actualización deseada. Ejemplo: se diseña una red para 12 meg y descubre luego de la instalación que tiene una velocidad de actualización de 1 ms. La aplicación sólo requiere 20 ms de actualización. Bajar la velocidad a 1,5 meg genera un tiempo de actualización de 10 ms, que aún cumple con los requisitos de los 20 ms. Por lo tanto, ejecutarla a 1,5 meg crea una red robusta que no excede ningún límite. Además, hay campo para expansiones futuras ya que el largo máximo del segmento para 1,5 meg es de 100 metros más de los 12 meg de velocidad para los que la red fue diseñada. 7 La idea de diseño se le atribuye al profesor Andy Verwer, docente titular del Departamento de Ingeniería y Tecnología de la Universidad Manchester Metropolitan. Los autores desconocen su fuente, pero es una muy buena idea.

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Capítulo 4: Diseño inteligente: Elementos básicos de PROFIBUS DP/PA

Reglas de diseño básico para PROFIBUS PA La capa física PROFIBUS PA tiene más latitud para la distribución de la red que la capa física PROFIBUS DP, incluyendo diferentes topologías como la troncal, de estrella o de árbol. • Topología troncal: la red utiliza un cable principal con líneas auxiliares. Esta topología tan común también se recomienda para PA.

• Topología de estrella: una variación de la topología troncal donde una línea va a una caja de empalme y todas las líneas auxiliares salen de esa caja de empalme.

• Topología de árbol: se parece mucho a un árbol con ramas que salen de otras ramas. Esta topología no es muy utilizada.

Reglas básicas de diseño PROFIBUS PA 1. Los largos máximos auxiliares deben ser correlativos con la cantidad de líneas auxiliares. 2. Utilice cable PROFIBUS PA clase A y de un sólo fabricante. 3. El largo total del cable depende del acoplador, aunque no debe exceder los 1.900 metros. 4. Asegúrese de que no haya más de nueve voltios en cada esclavo. 5. La cantidad total de dispositivos depende del consumo de corriente. 6. Terminar cada segmento en sus extremos. 7. Seguir las prácticas de puesta a tierra recomendadas. 8. El diseño Intrínsecamente Seguro (IS) afecta el largo máximo de las auxiliares y el largo total.

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Capítulo 4: Diseño inteligente: Elementos básicos de PROFIBUS DP/PA

Explicación detallada de las reglas 1. Los largos máximos auxiliares deben ser correlativos con la cantidad de líneas auxiliares. El largo máximo de cada línea auxiliar depende de la cantidad total de líneas auxiliares. Tenga en cuenta que el largo máximo auxiliar también depende de si es una red IS o no-IS. Cantidad de líneas auxiliares

Largo máximo para no-IS

Largo máximo para IS

1-12

120 m

60 m

13-14

90 m

No se aplica

15-18

60 m

No se aplica

19-24

30 m

No se aplica

25-32

9V

8 Estos valores son de referencia y están sujetos a cambios. Por favor, consulte con el fabricante los valores oficiales antes de hacer cálculos para aplicaciones reales.

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Capítulo 4: Diseño inteligente: Elementos básicos de PROFIBUS DP/PA

5. La cantidad total de dispositivos depende del consumo de corriente. Como I segmento debe ser menor que la corriente suministrada por el acoplador, las especificaciones del acoplador tienen un gran impacto en la cantidad de dispositivos permitidos por segmento. Para aplicaciones no-IS, Siemens tiene un acoplador DP/PA que suministra 1 A de corriente, asegurándole la cantidad máxima de dispositivos permitidos. 6. Terminar cada segmento en sus extremos. La terminación PROFIBUS PA es muy diferente a la DP. PROFIBUS PA uso un capacitor (1µF) y un resistor (100 ohm) en serie, y la red debe terminarse en los extremos más lejanos. PA habitualmente utiliza el diseño de línea troncal y las terminaciones están ubicadas en los extremos del tronco. A veces no es simple distinguir qué es línea troncal y qué es línea auxiliar. La buena noticia es que tampoco interesa siempre que las líneas auxiliares definidas cumplan con los máximos determinados en la primera regla mencionada antes. 7. Seguir las prácticas de puesta a tierra recomendadas. Para aplicaciones IS y no-IS9, PROFIBUS International10 recomienda conectar el blindaje del cable a tierra en todos los dispositivos y usar una rejilla de puesta a tierra equipotencial. Una rejilla de puesta a tierra equipotencial es una red de varillas de tierra interconectada que asegura que todas las partes de la planta estén en la misma tierra. 8. El diseño Intrínsecamente Seguro afecta el largo máximo de las auxiliares y el largo total.

Las costumbres de la puesta a tierra son parecidas a la religión: varían de región en región. Las recomendaciones de PI son una buena guía, pero verifique las normas locales, en especial en aplicaciones IS.

Siga las mismas reglas que para las aplicaciones de uso general que se describen anteriormente, salvo estas excepciones: • • • •

el largo máximo no puede exceder los 1.000 m use solo cables clase A las líneas auxiliares deben tener menos de 60 m debe usar un acoplador IS o una barrera IS.

9 Para aplicaciones no-IS, algunos manuales recomiendan conectar el blindaje del cable a tierra en sólo un punto y llevar el blindaje continuamente de un dispositivo a otro en un segmento (es decir, tener un cable blindado corriendo continuamente a través de todo el segmento). 10 Installation Guideline for Cabling and Assembly. PROFIBUS International, No de pedido: 8.022.

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Capítulo 4: Diseño inteligente: Elementos básicos de PROFIBUS DP/PA

Me dijeron que las rejillas de tierra equipotencial son bastante comunes en Europa para aplicaciones IS. Pero desafortunadamente no son muy comunes en USA, porque son una puesta a tierra excelente. Descubrimos que a veces los sistemas de puesta a tierra no están muy bien hechos en Norteamérica. Uno de mis clientes, una empresa de bio-combustible, tuvo una buena idea al respecto. Como estaban lidiando con una aplicación IS y no confiaban en el sistema de tierra establecido, pusieron un cable de tierra de un dispositivo de campo a otro para asegurarse de que todos los instrumentos estuvieran en la misma tierra. Después conectarían el blindaje de cable a la tierra en los dispositivos de campo y los acopladores.

Ejemplo de diseño de PROFIBUS PA En este ejemplo, una planta de proceso tiene una granja de diez tanques: Tanques 1 a 4

SITRANS Probe LU para nivel

Tanques 5 a 10

SITRANS LR250 para nivel

Todos los tanques

Transmisor de temperatura SITRANS TH400

Esta es un aplicación no-IS que usa un módulo de enlace DP/PA y un acoplador DP/PA de 1 amp de Siemens.

Mapa de distribución de la planta LR250 Sonda LU

Tanque 1

Tanque 4 Tanque 5 Tanque 8

Tanque 9

TH400 Sala de control

Tanque 2 Tanque 3 Tanque 6 Tanque 7 Tanque 8

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Capítulo 4: Diseño inteligente: Elementos básicos de PROFIBUS DP/PA

Mapa de red simplificado 10 instrumentos

Sala de control 5m

5m

20 m

20 m

6 Instrumentos

600 m

30 m

30 m

4 Instrumentos

Paso uno: Calcular el largo del segmento al sumar los largos estimados.

L segmento = L troncal + ∑ L auxiliar L segmento: 600 + 6*20 = 10*5 + 4*30 = 890 (600 + 120 + 50 + 120)

Paso dos: Sumar todo el consumo de corriente de los esclavos PA (I segmento). Verificar los manuales/especificaciones de cada dispositivo para obtener las diferentes corrientes nominales y para ver si hay algún valor de corriente de falla. (No hay corrientes de falla en los dispositivos de este ejemplo, por ende, esa información no debe incluirse.)

I segmento = ∑ In + corriente de falla más grande

I segmento = suma de In más la corriente de falla más grande de todas.

I segmento : 4*corriente de PROBE LU + 6* corriente de LR250 + 10*corriente de TH400 = 275 mA [4*(20mA) + 6 * (15mA) + 10 * (10 mA) = 80 + 90 + 105]

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Capítulo 4: Diseño inteligente: Elementos básicos de PROFIBUS DP/PA

A partir de esta información, se puede calcular el peor caso de caída de tensión. NOTA: No olvide definir qué tipo de cable A está utilizando. Busque la resistencia del cable en las especificaciones del mismo. (En este ejemplo, el valor es 44 ohm/km.)

V caída = I segmento * (R bucle * L segmento) V caída : 0,275 A * (44 ohms/km * 0,890km) = 10,769 V El acoplador provee un mínimo de 30 V CC, por lo tanto:

V último = V acoplador + V caída V último: : 30 V – 10,8 V = 19,2 V Conclusión: la tensión está bien por encima de los nueve V mínimos.

Paso tres: Verifique la tabla de longitud de los auxiliares para los 20 instrumentos y tenga en cuenta que cada auxiliar puede tener un máximo de 30 metros. En este ejemplo, se estima que cuatro de las líneas auxiliares tienen 30 metros de largo. Recuerde que los largos estimados son medidas conservadoras y que el largo de las líneas auxiliares no debe exceder los 30 metros. Más allá de ello, este es un buen diseño y funciona muy bien cuando se instala. Estaba reparando una red y al principio me parecía que el largo de todos los cables estaba bien hasta que encontré cable enrollado, atascado detrás de un armario. Durante la instalación inicial, se dejó cable adicional en el último armario. El plan consistía en mover el armario, así que el instalador enrolló el cable y pasó sólo una pequeña parte a través del aguajero del armario, dejando el resto con la intención de mover el armario; sin embargo, el armario jamás se movió. La consecuencia fue que la red tenía 100 metros adicionales que nadie imaginaba, por eso los problemas de rendimiento. El diseño y la instalación deben coincidir.

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Capítulo 4: Diseño inteligente: Elementos básicos de PROFIBUS DP/PA

Herramientas de diseño Diferentes fabricantes11 tienen herramientas de diseño para diseñar una red PA. Estas herramientas pueden ser muy útiles. Pero, a veces el enfoque más sencillo es el que mejor funciona. Uno de esos métodos es Excel12 para distribuir cada segmento con los largos estimados en columnas y luego programar las fórmulas como se muestra arriba13. Además es fácil incluir información adicional como números de cable, etiquetas de nombre, números de serie y referencia de manual, haciendo que todos estos datos sean una parte integral de la documentación. Esta herramienta es fácil para diseñar y mantener, y puede comenzar con los largos estimados. A medida que va disponiendo de los datos concretos durante la puesta en marcha, es fácil pasar a los largos instalados.

Pepperl+Fuchs y ABB, entre otros. Excel es marca registrada de Microsoft. 13 Cargill, Mark. Efficient Design of a Successful PROFIBUS Project. Presentado en la Conferencia PROFIBUS UK 2007. 11 12

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Capítulo 4: Diseño inteligente: Elementos básicos de PROFIBUS DP/PA

Cálculo de velocidad de actualización El diseño de red determina la velocidad de actualización y la capacidad de respuesta de las herramientas de ingeniería y de resolución de problemas como SIMATIC PDM. El tiempo que lleve leer la variable variará levemente según el fabricante del acoplador y los posibles dispositivos de campo. La tabla muestra ejemplos del tiempo necesario para datos de dos de los fabricantes más importantes. Estos números se comprobaron en un laboratorio y luego fueron confirmados por pruebas de campo. Siemens (Link Coupler y Coupler): • • • •

El dispositivo PA 1 EA o 1 SA tarda unos 15,5 ms para actualizarse. Cada variable EA o SA adicional agrega unos 2 ms. PROFIBUS agrega 20 ms adicionales de tiempo. Cuando use lectura/escritura acíclica, agregue otros 100 ms. Recuerde que el tiempo medido varió de 40 a 100 ms. 100 ms sería un máximo suficiente.

Pepperl+Fuchs (SK1) • • • •

El dispositivo PA 1 EA o 1 SA tarda unos 12,5 ms para actualizarse. Cada variable EA o SA adicional agrega unos 2 ms. PROFIBUS agrega 30 ms adicionales de tiempo. Cuando use lectura/escritura acíclica, agregue otras 100 ms. Recuerde que el tiempo medido varió de 40 a 100 ms. 100 ms sería un máximo suficiente. Tiempo de transmisión de datos

NOTA: durante estas pruebas descubrimos que varios manuales de fabricantes y otros libros sobre PROFIBUS declaraban un valor de 10 ms como velocidad de actualización. Ahora sabemos que este valor no es correcto. Muchos de estos manuales y libros están siendo actualizados. Cada esclavo PROFIBUS PA posee al menos un bloque de entrada analógica (EA) o salida analógica (SA), o entrada digital (ED) o salida digital (SD). Lleva unos 15,5 ms que el mensaje vaya del maestro al esclavo, que el esclavo lo procese y envíe un mensaje de respuesta y que después el maestro esté listo para mandar otro mensaje. Si el esclavo posee dos bloques de EA, este tiempo aumenta a 17,5 ms. Cuando todos los esclavos terminaron el intercambio de datos, entonces el maestro PROFIBUS debe realizar ciertas funciones incluyendo: • rotación del testigo • búsqueda de nuevas estaciones.

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Capítulo 4: Diseño inteligente: Elementos básicos de PROFIBUS DP/PA

Estas tareas se realizan en 20 ms. Si un maestro se ajusta para realizar lecturas/escrituras acíclicas o si se utiliza un programa de configuración como SIMATIC PDM, debe contar ese tiempo. Aunque este tiempo no varíe, 100 ms es un valor máximo suficiente para la comunicación acíclica.

Comunicación acíclica o no: ¡ese es el dilema! En la mayoría de los sistemas, el controlador no realiza comunicación acíclica, y la única fuente de comunicación acíclica es el software de configuración/diagnóstico. En este caso, el usuario debe considerar lo siguiente: • cuán a menudo se utilizará el software de configuración/ diagnóstico • cuán sensible es la aplicación a tener aumentos periódicos en los tiempos de ciclo hasta 100 ms. Aún si el personal de mantenimiento utiliza un software de configuración/diagnóstico regularmente, el porcentaje del tiempo total del bus será pequeño, probablemente menor al 1%14. En la mayoría de las aplicaciones, al tener un aumento de tiempo de ciclo de hasta 100 ms (1% del tiempo) el proceso no se verá afectado de ninguna forma. Por lo tanto, en la mayoría de las aplicaciones, la comunicación acíclica no debería estar incluida en las estimaciones de tiempo. En una pequeña cantidad de sistemas, el controlador realiza una comunicación acíclica con los dispositivos de campo. En estos sistemas se deberían agregar al tiempo total estimado algunos valores de comunicación acíclica, según el tipo de comunicación. Por ejemplo, si la temperatura interna del transmisor se lee vía servicios acíclicos, entonces 40 ms deberían ser más que suficientes. Si se escriben o leen grandes cantidades de datos desde el dispositivo, entonces unos 100 ms deberían incluirse en el cálculo.

Ejemplo uno • un acoplador Siemens DP/PA • veinte instrumentos en cada segmento • cada instrumento posee sólo una variable de proceso.

14 Esto no se aplica a situaciones de arranque en las que el personal de mantenimiento podría realizar cargas y descargas continuamente durante el día.

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Capítulo 4: Diseño inteligente: Elementos básicos de PROFIBUS DP/PA

15 instrumentos

Cálculo: Tiempo lectura/escritura PV a 20 instrumentos

= 15,5 ms * 20 = 310 ms

Tiempo adicional PROFIBUS

= 20 ms

Tiempo total de actualización

= 330 ms (310 + 20)

Medir el tiempo de actualización con un monitor de bus arroja una variable de actualización dentro del rango de 310 ms a 350 ms. Las lecturas/escrituras cíclicas aumentarán el tiempo de actualización a 450 ms para algunos de los intercambios de datos.

Ejemplo dos • • • •

módulo Siemens DP/PA Link con red PROFIBUS DP se ejecuta a 1,5 meg la red DP tiene un escaneo de 10 ms (actualización cada 10 ms) el módulo de enlace está conectado a cinco acopladores Ex, cada uno con seis instrumentos • cada instrumento posee una variable de proceso.

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Capítulo 4: Diseño inteligente: Elementos básicos de PROFIBUS DP/PA

Cálculo: Tiempo lectura/escritura PV a 30 instrumentos

= 30*15,5 = 465 ms

Tiempo adicional PROFIBUS

= 20 ms

Tiempo total de actualización

= 485 ms (465 + 20)

El módulo de enlace DP/PA es un esclavo PROFIBUS del lado DP y maestro PROFIBUS del lado PA, creando una verdadera sub-red. La información en el módulo de enlace se actualiza continuamente. Como resultado, para obtener todos los datos de y al maestro DP, se necesita el doble de tiempo de bus DP (como mínimo), y la velocidad de actualización será: 485 ms + 2*10 ms = 505 ms Desde el punto de vista del controlador, la velocidad de actualización de datos varía entre 480 ms y 510 ms (aproximadamente). Debido a la naturaleza de la conducta asíncrona, la velocidad de actualización será generalmente menos de 500 ms. Además, si hubo lecturas/escrituras acíclicas, la velocidad de actualización aumenta a 605 ms para algunos intercambios de datos. 83

Capítulo 4: Diseño inteligente: Elementos básicos de PROFIBUS DP/PA

Rendimiento del software de configuración/ diagnóstico En el Capítulo Dos vimos cuán poco tiempo hay para las comunicaciones acíclicas luego de que se realizaron los intercambios de datos. Así es cómo el software de configuración/comunicación como SIMATIC PDM se comunica con los instrumentos de campo. Para muchos procesos, tener un tiempo de actualización de más de un segundo no representa un problema, entonces cada enlace o acoplador se puede cargar hasta la cantidad máxima. PROFIBUS maneja esto por lo que reducirá el costo capital total al maximizar el uso del hardware. Pero, cuando se usa software de configuración/diagnóstico para poner en marcha o arreglar un instrumento de campo, tendrá un rendimiento insuficiente. El software de configuración sólo puede hablar con los dispositivos de campo luego de que se hayan leído todos los datos cíclicos. Si el tiempo de actualización es de un segundo, entonces el software de configuración sólo puede hablar cada segundo. Como puede tomar varios mensajes leer los datos, cuanto más lenta sea la red, más lento será el rendimiento del software de configuración. La experiencia en el campo sugiere que se pueden usar hasta 20 instrumentos en un módulo de enlace DP/PA sin denigrar el rendimiento. Treinta instrumentos en un módulo de enlace DP/PA ponen en juego el rendimiento, mientras que de 40 a 60 instrumentos por módulo definitivamente degradan el rendimiento del software. Tengan en cuenta que estas cifras son arbitrarias y que dependen de la tolerancia al retardo que tenga la actualización de datos en el software de configuración. Determinar cuál es el rendimiento aceptable del software de configuración y cuál no, es muy personal. Muchos de nuestros sistemas demo tienen cinco o seis instrumentos en un módulo de enlace y nunca noté realmente la velocidad. Estuve con clientes que tenían 24 instrumentos por módulo y pensé que eso era lento. Sin embargo, se podía utilizar. De hecho, tengo un cliente que habitualmente pone 30 instrumentos en un módulo de enlace y está conforme. Su idea es que aunque el software de configuración sea lento, ¡es mucho más rápido que ingresar los valores a mano! Además, ¿cuán a menudo usa el software de configuración en comparación con el ahorro de costos de cargar los módulos de enlace?

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Capítulo 4: Diseño inteligente: Elementos básicos de PROFIBUS DP/PA

Sugerencias de diseño de PROFIBUS PA En esta sección, presentamos sugerencias de diseño simple y los beneficios de cada una de las tres aplicaciones generales: • aplicación no-IS • aplicación IS • diseñado para velocidad.

Aplicaciones no-IS Diseño: use un módulo Siemens DP/PA Link con 1 acoplador A (o un canal de Powerhub P+F o ABB DP/PA link) y ponga 20 dispositivos.

15 instrumentos

Este diseño le asegura: • Un cableado versátil porque se pueden usar líneas auxiliares de 30 metros. • Espacio para expansión porque el segmento puede tener cuatro dispositivos adicionales. Esta opción es valiosa ya que se requieren más instrumentos cuando comienza la producción, así que no limite la expansión de la red al diseñar a la máxima cantidad. • El rendimiento del software de configuración/diagnóstico es aceptable.

Aplicaciones IS Diseño: use un módulo Siemens DP/PA Link con varios acopladores Ex (o un Powerhub P+F o ABB DP/PA link), diseñando la red con espacio adicional y agregue un instrumento a cada segmento si es necesario. Utilice los cálculos definidos en la sección de reglas de diseño básicas de PROFIBUS PA de este capítulo para determinar la cantidad de dispositivos permitidos en cada segmento (normalmente cuatro a seis

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Capítulo 4: Diseño inteligente: Elementos básicos de PROFIBUS DP/PA

dispositivos según el consumo de corriente). Asegúrese de no exceder los 20 a 25 dispositivos en total por módulo de enlace (o por canal de los enlaces P+F y ABB).

Este diseño le asegura: • espacio para expansión • un rendimiento aceptable del software de configuración/ diagnóstico.

PROFIBUS PA: diseñado para la velocidad Algunos lazos de control exigen que el tiempo de actualización sea menor a 300 ms. Para estas aplicaciones debe usar el módulo de enlace Siemens DP/PA (o un canal de ABB Link o Powerhub P+F). Diseñe la red según la aplicación IS, pero limite la cantidad total de dispositivos a la mitad.

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Capítulo 4: Diseño inteligente: Elementos básicos de PROFIBUS DP/PA

Con 15 dispositivos, el tiempo de actualización al módulo de enlace será: 15*15,5 ms + 20 ms = 232,5 ms + 20 ms = 252,5 ms

15 instrumentos

Según la velocidad de actualización en la red PROFIBUS DP y el tiempo de escaneo del controlador, reducir la cantidad de dispositivos a diez acelerará definitivamente la red.

Próxima parada del BUS: instalación Luego de diseñar la red, la próxima parada es instalar y poner en marcha dicha red. A continuación en el recorrido de este bus, veremos lo siguiente: • cómo desarrollar una red PROFIBUS • cómo operar una red PROFIBUS • cómo resolver problemas de una red PROFIBUS. Así que busque un asiento, porque el bus comienza a llenarse.

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Capítulo 4: Diseño inteligente: Elementos básicos de PROFIBUS DP/PA

Notas

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Capítulo Cinco

Instalación Red: aquello reticular o entramado, con intersticios entre sus intersecciones.1 Una vez que se diseñó una buena red, el próximo paso es instalarla. Los errores que se cometan aquí acosarán a la red a lo largo de toda la vida útil de la instalación, por eso es vital proceder con cuidado y según las pautas de diseño. Las deficiencias de instalación son la fuente principal de problemas de red.

La ruta del BUS Este bus hace las siguientes paradas: • • • • •

Hardware de conexión Planos de distribución de red Separación de cables Método de instalación Las mejores instalaciones

Hardware de conexión Comúnmente, el diseñador elije todos los dispositivos inteligentes antes de diseñar la red, y después de tender la red, elije cómo conectarlos. Esta sección enumera el hardware necesario para conectar la red.

Conexiones PROFIBUS DP Conectar PROFIBUS DP es relativamente directo ya que todos los nodos por lo general tienen un diseño de cadena margarita, y la única conexión posible es en el dispositivo de campo. Para PROFIBUS DP, se limita a los siguientes tipos: • Conectores DB-9 • Conectores M12 • Conectores terminales (menos frecuente).

1

Conector DB-9

Johnson, Samuel. A Dictionary of the English Language, (1755).

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Capítulo 5: Instalación

El conector DB-9 es el más utilizado, y la mayoría de los dispositivos PROFIBUS DP vienen con un conector DB-9 hembra incorporado. Los dispositivos IP65/IP67 por lo general tienen conectores M12. Pocos dispositivos PROFIBUS DP vienen con bornes de conexión directa. DB-9 connectors: los dispositivos con conexiones DB-9 requieren conectores PROFIBUS DB-9 que puede adquirir de diferentes fabricantes como Siemens y Wago, y sólo difieren levemente en su diseño, calidad y costo. Tenga en cuenta que los conectores DB-9 PROFIBUS son diferentes a los conectores DB-9 estándar usados en las aplicaciones RS-232, ya que tienen circuitos incorporados especiales para reducir los reflejos. Aunque son más costosos que los conectores DB-9 estándar, la reducción de reflejos ha demostrado ser eficaz, por lo que vale su costo. Una vez trabajé en el diseño de una pequeña red PROFIBUS DP que tenía varios conectores PROFIBUS DB-9. El presupuesto era limitado y cuando el gerente vio cuánto estábamos gastando en los conectores, se rió y me dijo: "Buen intento". Yo sabía que los circuitos especiales reducían los reflejos, pero como la red era tan pequeña, pensé que quizás no los necesitaríamos, entonces cedí a los deseos del gerente y cambié los conectores. ¡Gran error! La puesta en marcha fue una pesadilla, teníamos problemas intermitentes por todos lados y la forma de onda era horrible. Tuvimos que cambiar todos los conectores por otros que no eran PROFIBUS, pero más costosos, y bajar la velocidad de transmisión. Finalmente logramos que la red funcione sin errores, pero no fue una tarea agradable y ¡jamás volveré a comprar conectores económicos! Hay muchos tipos de conectores B-9 según cómo se conecta el cable adentro. Los dos tipos estándar son: • Conector vampiro a presión (desplazamiento de aislamiento en forma de V invertida): se unen rápido, pero cuando se usan más de una vez, los dientes de sujeción se pueden doblar, causando problemas en caso de reuso.

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Capítulo 5: Instalación

• Conector por borne de tornillo: lleva más tiempo unirlos, y los tornillos deben ajustarme firmemente. El beneficio de los conectores por borne de tornillo es que es fácil verificar si la conexión se está haciendo. Conector M12: estos conectores se analizan en la sección PROFIBUS PA también. Funcionan muy bien, pero también se reportaron problemas intermitentes generados por instalaciones incorrectas. Parece que es muy fácil instalar estos conectores incorrectamente. Los usuarios nuevos deben instalar estos conectores con cuidado. Conector terminal: algunos dispositivos de campo están conectados a los bloques terminales en los dispositivos. A pesar de que este método funciona bien, al desconectar el dispositivo de la red puede interrumpir la red. Sin embargo, los dispositivos con conectores DB-9 simplemente se desenchufan. A los dispositivos que usan bornes hay que sacarles los cables y posiblemente desconecten al resto de la red PROFIBUS. Por este motivo, en algunos sitios usan desconectores rápidos como los M12 con dispositivos que no son DB-9. (Ver PROFIBUS PA abajo.) ADVERTENCIA: los conectores M12 son una fuente de problemas potenciales si no se instalan correctamente (ver Sistema de conexión rápida a continuación). Los instaladores deben asegurarse de seguir las instrucciones de instalación de estos conectores.

PROFIBUS PA Como las redes PROFIBUS PA poseen normalmente una topología troncal, hay dos ubicaciones posibles: • conectar las líneas auxiliares al tronco • conectar las líneas auxiliares a los dispositivos. Conectar las líneas auxiliares al tronco requiere uno de los siguientes: • regleta de bornes • caja de bornes • conector en T. Conectar las líneas auxiliares a los dispositivos requiere uno de los siguientes: • cableado directo • sistema de desconexión rápida.

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Capítulo 5: Instalación

Conectar las líneas auxiliares a la línea troncal Regleta de bornes: use una regleta de bornes común, esa que cualquier electricista tiene en su caja de herramientas. Enrolle los cables de comunicación (A, B y blindaje) y luego sujételos a la regleta de bornes, colocándola en una caja de empalme que se pueda sellar para protegerla contra el entorno. Esta solución simple conecta las líneas auxiliares PA a la línea troncal principal con un método similar al de las cajas de relés 4-20 mA. Sin embargo, a pesar de ser simple, tenga en cuenta que las regletas de bornes no ofrecen ninguna de las ventajas de las cajas de empalme PROFIBUS PA. Las cajas de empalme PROFIBUS PA2 ofrecen muchas características especiales que varían según el modelo y el fabricante. El usuario final debe seleccionar las características según sus requisitos y su presupuesto.

Caja de empalme Moore Hawke

Caja de empalme Siemens

• Protección contra cortocircuitos: es muy valiosa en un sistema en ejecución cuando necesita reemplazar o agregar un esclavo PA. Durante el proceso de extracción o de instalación, es muy factible que toque los cables (+) y (-), provocando un cortocircuito en el segmento y colapsando toda la red. • Protección contra sobretensión y sobrecorriente: para proteger la red en contra de los rayos. • Auto-terminación de un segmento: aunque los segmentos PROFIBUS PA normalmente terminan en el acoplador DP/PA y en el campo, es normal olvidar la terminación en el extremo troncal durante la puesta en marcha. La autoterminación elimina la posibilidad de este problema. • Opciones de conexión M12 o 7 8 ": ambos conectores facilitan la conexión o desconexión de dispositivos de la red. Se pueden colocar en el dispositivo de campo o en la caja de empalme, o en ambos. Aceleran la conexión final de la red y además son muy útiles cuando se extrae o se reemplaza el instrumento de campo (ver Sistema de conexión rápido abajo). • Características de la redundancia del medio: ver Redundancia de Medios al final del Capítulo Tres. Conector en T: Siemens vende conectores para PROFIBUS PA, y aunque este método funciona, puede tener problemas salvo que respete estas reglas: • se instalen según el manual de instrucciones de los conectores en T • se ajusten correctamente

2 Algunos fabricantes como Moore Hawk, Siemens y Weidmuller hacen cajas de empalme especiales para PA.

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Capítulo 5: Instalación

• si la conexión se afloja, el cable y posiblemente la parte superior del conector deben reemplazarse • sólo utilice los cables Siemens PA correctos. La impedancia de los conectores coincide con un cable Siemens determinado. El diámetro del cable también es importante, así que asegúrese de hacer coincidir la conexión con el cable correcto. NOTA: las cajas de empalmes son generalmente la mejor opción.

Conectar las líneas auxiliares a los dispositivos de campo Cableado directo: en la mayoría de los casos se conecta un cable PROFIBUS PA directamente al borne en los dispositivos de campo. Sistema de conexión rápida: los dos sistemas de conexión rápida usados son M12 y 7 8 " El M12 es métrico y pequeño, y el 7 8 " es imperial y un poco más grande que el M12. Ambos tienen un conector macho que se encastra en la parte exterior del instrumento de campo y el conector hembra del cable se atornilla en él. Este mismo método también se puede usar en la caja de empalme. Los sistemas de conexión rápida son fáciles de usar y cuando se instalan de antemano, aceleran las etapas finales de la puesta en marcha. No obstante, esta ventaja agrega costos y se debe instalar con cuidado. Los diseñadores principiantes deben evitar estos conectores y usar el cableado directo ya que es bastante sencillo instalarlos incorrectamente. Los instaladores deben prestar atención a lo siguiente: • si no continúa el blindaje, la red es vulnerable a ruidos eléctricos • si no los sella bien, puede entrarles agua • si no los ajusta bien, puede haber interrupciones intermitentes en la comunicación.

Esquema de instalación Al diseñar una red, un plano de distribución, donde se identifique la ubicación de cada dispositivo de campo y caja de empalme, es un componente crucial. El plano confirma que la red cumpla con todas las reglas de diseño, y luego comunica la información relevante al instalador. Un plano de distribución adecuado debería incluir: • ubicación de todos los dispositivos • nombre y etiqueta del dispositivo • nombres de dispositivos esclavo • todas las direcciones

¡Los planos valen su peso en oro!

• ubicación de las cajas de empalme • etiquetas de cables • largo estimado en cada dispositivo

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Capítulo 5: Instalación

Línea #1 PA que viene del panel PLC (no olvidar el cable de puesta a tierra) El resistor final es un accesorio

TORRE DE REFRIGERACIÓN

CALDERA

Los conectores en T en el exterior deben estar en cajas plásticas

SISTEMA DE VACÍO

2 cables negros blindados #20 al panel de interruptores de nivel intrínsecamente seguro

FS-TS3

FS-TS2

BIO TS5

BIO TS4

MISC-TS6

GLY-TS10

LEYENDA Caja de distribución estrella PA. Esta caja recibe una línea PA y luego genera 8 ramas PA, cada rama acepta un instrumento. El instalador debe hallar la mejor ubicación para instalar la caja. Esta caja debe ser de fácil acceso para los técnicos. T para una sola rama en línea PA. Se recomienda usar una herramienta especial para pelar el cable.

Interruptor de nivel: intrínsicamente seguro: conectar a un panel de interruptores de nivel único con 2 cables blindados #20 + puesta a tierra. Un instrumento electrónico con PROFIBUS PA. Necesita un cable azul de dos alambres PROFIBUS PA para PA y 314 cables verdeamarillo para tierra. Largos estimados

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Capítulo 5: Instalación

Plano de distribución Este plano debe ser un documento vivo ya que el diseñador necesita tener la información actual y registrar cualquier cambio en el diseño durante la instalación. Los largos estimados se convierten en largos instalados, y las ubicaciones pueden variar para reflejar una implementación práctica ya que las ubicaciones e incluso los procesos pueden cambiar. Los cálculos de red del diseñador son parte de este documento, que a su vez debe confirmar que todas las reglas de diseño PROFIBUS se hayan implementado.

Separación de cables Los cables PROFIBUS DP y PA son ambos cables de comunicación de baja tensión. Cada región tiene sus códigos eléctricos específicos donde se establece cuán separados entre sí deben estar los cables de diferente clase. Es muy importante respetar el código eléctrico local. Las distancias y los detalles específicos varían de región en región; pero todos coinciden en que el cable de comunicación y el de energía no deben tenderse juntos. Además, en caso de tener que cruzarse, debe ser en ángulo recto. Cable comunicación (PROFIBUS)

[> 200mm a]

Cable energía > 300V

(> 600mm b)

[> 200mm a] (> 50mm b)

Cable energía >Alarma de mantenimiento