Profibus Pa Johann Landry

República Bolivariana de Venezuela Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre” Vicerrectorado de Barquisimeto Departamento de Ingeniería Electrónica

PROFIBUS-PA

Alumno: Landry Johann Exp: 20042-0190 Profesor: Indriago Miguel

Julio, 2011

Introducción: Los buses de campo se usan en la actualidad de forma prioritaria como un sistema de comunicación para el intercambio de información entre sistemas de automatización y sistemas de campo distribuidos. Miles de pruebas satisfactorias han demostrado de forma contundente que el uso de la tecnología de los buses de campo puede ahorrar un 40% en costes por cableado, mantenimiento, etc. si son comparados con las tecnologías tradicionales. Cabe destacar que solamente se usan dos líneas para transmitir toda la información importante (datos de entrada y salida, parámetros, diagnósticos, programas y modos de operación para distintos dispositivos de campo). En el pasado era muy normal la utilización de buses de campo incompatibles entre marcas. Afortunadamente en la actualidad todos los sistemas estandarizados. Por tanto, el usuario no está limitado a un único vendedor y es capaz de seleccionar el producto que mejor se adapte a sus necesidades dentro de una amplia gama.

PROFIBUS: Antes de ahondar el tema del Profibus PA se definirá en primera instancia lo que es un Profibus. 

Profibus: es un estándar de red de campo abierto e independiente de proveedores, donde la interfaz de ellos permite amplia aplicación en procesos, fabricación y automatización predial. Este estándar es garantizado según los estándares EN-50170 y EN-50254. Desde enero de 2000, el PROFIBUS está fuertemente establecido con el IEC-61158, al lado de siete otros buses de campo. El IEC-61158 se divide en siete partes, de números 61158-1 a 61158-6, con las especificaciones del modelo OSI.

Comunicación industrial PROFIBUS La arquitectura del PROFIBUS se divide en tres tipos principales:   

PROFIBUS DP PROFIBUS-FMS PROFIBUS-PA

PROFIBUS-PA: El PROFIBUS-PA es la solución de PROFIBUS para procesos de automatización. PA conecta sistemas de automatización y sistemas de control de procesos con los dispositivos de campo tales como medidores de presión, temperatura y nivel. PA puede ser usado como un sustituto de la tecnología análoga de 4 a 20 mA. El PROFIBUS-PA consigue

economizar costos por arriba del 40 % en planeamiento, cableado, condicionamiento y mantención y ofrece un incremento significativo en funcionalidad y seguridad. Para obtener una apreciación más directa de esta mejora otorgada por el PROFIBUS-PA se tiene el siguiente gráfico:

Comparación de las técnicas de la transmisión Si los puntos medidos están ampliamente distribuidos, PROFIBUS-PA requiere menor cableado. Cuando se usa el método convencional de cableado, cada línea de señal individual debe ser conectada al módulo I/O del sistema de control de procesos. PROFIBUS-PA ha sido desarrollado en cooperación con usuarios de las industrias de procesamiento y satisface los requerimientos especiales de esta área de aplicación:   

Un singular perfil de aplicación para procesos de automatización y conmutabilidad de dispositivos de campos de diferentes proveedores. Adición y remoción de estaciones de bus aún en áreas intrínsecamente seguras sin influencia a otras estaciones. Comunicaciones transparentes vía acopladores entre segmentos de bus PROFIBUS-PA en automatización de procesos y segmentos de bus PROFIBUS-DP en automatización de manufactura.

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Accionamiento remota y transmisión de datos sobre los mismos dos cables basados en la tecnología IEC 1158-2. Uso en áreas potencialmente peligrosas con tipo de protección de peligros "intrínsecamente segura " y "no intrínsecamente segura".

El protocolo de transmisión de PROFIBUS-PA usa las funciones básicas de PROFIBUS-DP para la transmisión de valores de medición y estado y las funciones extendidas de PROFIBUS-DP para la parametrización y operación de los dispositivos de campo. Para la transmisión es usada tecnología de dos hilos de acuerdo con IEC 1158-2. La interface entre el protocolo de acceso al bus PROFIBUS (nivel 2) y la tecnología IEC 1158-2 (nivel 1) está especificada en el estándar EN 50 170.

Ejemplo de transmisión PA Características del perfil PA La física del bus PA es únicamente lazo de corriente y es apta para trabajo en zonas Ex. Las funciones acíclicas que soporta el protocolo PA permiten la parametrización de los instrumentos a través de un Maestro clase II. De este modo, el usuario puede modificar el span, las alarmas, la unidad de medición del instrumento, la constante de filtro y otros parámetros, sin necesidad de retirarlo del bus y sin interferir en la comunicación del sistema. Un esclavo PA puede ser visto como un esclavo DP (conectado al bus DP a través del conversor), es decir, puede ser uno de los 126 participantes que la norma DP admite, o puede estar conectado a un link DP/PA, al cual hasta 31 instrumentos PA pueden vincularse. Cada Link DP/PA es a su vez un esclavo DP, con lo cual la cantidad de instrumentos PA comunicados a un solo maestro DP puede llegar a ser mayor a 3000 en una sola red.

Diseño de redes PROFIBUS-PA: Para el diseño de estas redes solo es necesario seguir simples criterios contenidos en el estándar, porque toda la "inteligencia" ya viene incorporada en el bus, siendo el diseño una consecuencia de seguir sencillos pasos, incluso cuando un segmento de la red entra en zonas clasificadas (Ex). 1. Cantidad de dispositivos por segmento: Cada segmento Profibus PA se define por una interfaz eléctrica denominada DP/PA Coupler, que puede estar directamente conectada al bus H1 (Profibus DP), el cual convierte la física de tensión de dicho bus a la de corriente de PA. Esto limita la velocidad de los segmentos superiores (93,75 kb/s ó 45,45 Kb/s), por lo que es posible también "desacoplar" eléctricamente los niveles H1 y H2, mediante una interfaz denominada Link, de tal forma que la red H1 no sacrifique su alta velocidad (hasta 12 Mb/s). Con esto, la máxima cantidad de equipos por cada segmento es de 32 dispositivos por DP/PA link. 2. Largos máximos de los segmentos: Cada segmento, que en la práctica representa a una subred y que del punto de vista del dispositivo maestro (Controlador) es una dirección de memoria (cada red Profibus DP puede albergar 123 esclavos o direcciones válidas), tiene limitaciones de distancia tanto en su largo total como en sus derivaciones (recordemos que esta red puede ser configurada como bus y como estrella), las cuales cubren perfectamente la mayoría de la instalaciones, incluso aquéllas muy complejas. 3. Zonas clasificadas: Lo destacado de este estándar es que en su concepto está incorporado su uso en zonas peligrosas con atmósferas potencialmente explosivas. De esta forma, los lineamientos antes planteados son plenamente aplicables para estos ambientes. Esto es válido, ya que Profibus PA adhiere al modelo FISCO (Fieldbus Intriscally Safe Concept), por lo tanto un segmento que posee dispositivos que adhieren al modelo anterior y aplicadas las condiciones restrictivas relativas a zonas clasificadas, queda inmediatamente preparado para operar en estos ambientes, sin requerir certificaciones especiales, cálculos complejos y/o

certificados de sus (Inductancias/Capacitancias, etc.).

características

eléctricas

Se debe tratar de no colocar el Cable Profibus cerca de la potencia de salida de los drivers, ya que estos generan mucho ruido inclusive en un cable apantallado. Finalmente siguiendo estos lineamientos se puede diseñar una red PROFIBUS-PA sin mayor complicación. El uso de PROFIBUS en dispositivos típicos y aplicaciones de control de proceso se definen de acuerdo con el perfil del PROFIBUS-PA, lo cual define los parámetros de los equipos de campo y su comportamiento típico, sin depender del fabricante, y es también aplicable a transmisores de presión y temperatura, y posicionadores. Basándose en el concepto de los bloques funcionales, que con estandarizados de forma que garantice la interoperabilidad entre los equipos de campo. Los valores y estados de la medición y también los valores de ajuste recibidos por el equipo de campo en el PROFIBUS PA se transmiten de manera cíclica con la más alta prioridad a través de un amo clase 1 (DPM1). Sin embargo, los parámetros de visualización, operaciones, mantenimiento y diagnostico se transmiten por herramientas de ingeniería (amo clase 2, DPM2), con baja prioridad a través de servicios acíclicos por conexión C2. De modo cíclico, la secuencia de bytes de diagnostico es también transmitida. La descripción de los bits de estos bytes está en archivo del equipo GDS y depende del fabricante. La duración aproximada del ciclo (Tc) puede calcularse como: Tc ≥ 10ms x número de equipos + 10ms (servicios acíclicos amo clase 2) + 1.3ms (para cada conjunto de 5 bytes de valores cíclicos). Elementos de la red PROFIBUS-PA: En general, se puede enumerar los siguientes elementos de una red PROFIBUS:  

Clase 1: responsable por las operaciones cíclicas (lectura/escritura) y el control de los lazos abiertos y cerrados del sistema de control/automatización (CLP). Clase 2: responsable por los accesos acíclicos de parámetros y funciones de los equipos PA (estación de ingeniería o estación de operación: Simatic PDM o Communwinll o Pactware).

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Acopladores (couplers): son dispositivos utilizados para traducir las características físicas del PROFIBUS DP y del PROFIBUS PA (H1: 31,25 kbits/s). Y aún: Son transparentes para los amos (no tienen dirección física en el barrido). Se aplican en funciones de seguridad (Ex) y (Non-Ex), definiendo y limitando el número máximo de equipos en cada segmento de cada segmento PA. El número máximo de equipos en un segmento depende, entre otros factores, de la suma de las corrientes quiescentes, de fallos en los equipos (FDE) y las distancias cubiertas por el cableado. Pueden energizarse hasta 24 Vdd, conforme el fabricante y el área de clasificación. Pueden trabajar con las siguientes tasas de comunicación, conforme el fabricante: P+F(93.75 kbits/s y SK2: até 12Mbits/s) y Siemens (45.45 kbits/s). Dispositivos de enlace: Utilizados como esclavos de la red PROFIBUS DP y amos de la red PROFIBUS PA (H1: 31,25bits/s). Utilizados para lograr altas velocidades (hasta 12Mbits/s) en el barrido DP. Y aún: Tienen dirección física en el barrido. Permiten acoplarse hasta 5 acopladores, pero limitan el número de equipos en 30 de un barrido “Non-Ex” y 10 de un barrido “Ex”. Con eso aumentan su capacidad de encaminamiento de la red DP. El terminador consiste de un capacitor de 1µF y un resistor de 1000 conectados en serie entre ellos y paralelo al barrido, con las siguientes funciones: Shunt de señal de corriente la señal de comunicación se transmite como corriente pero se recibe como tensión. La conversión se hace por el terminador. Protección contra el reflejo de la señal de comunicación: debe colocarse en las dos terminaciones del barrido, uno en el fin y otro en el acoplador, en general. Cableado: recomendase usar el cable tipo par torcido 1x2, 2x2 ou 1x4 con blindaje, y aún:  Diámetro: 0.8 mm2 (AWG 18).  Impedancia: 35 a 165 Ohm en frecuencias de 3 a 20 Mhz.  Capacitancia: menos que 30 pF por metro.

Integración con sistemas PROFIBUS: Para integrarse un equipo en un sistema PROFIBUS basta usar el archivo GSD del equipo. Cada equipo tiene su archivo GSD (con hoja de datos electrónica), que es un archivo de texto con detalles de revisión de hardware y software, toma de tiempo del equipo e informaciones del cambio de datos cíclicos.

Archivo GSD para el Transmisor de Presión LD303 Además del archivo GSD, también se suministran los archivos de Descripción de Dispositivos (DDs), donde se detallan los parámetros, menus y métodos para la configuración ciclica de los equipos de campo. Esos archivos siguen el estándar EDDL definido por la PROFIBUS International. Hay aún el estándar FDT y el DTM para configuración, monitoreo y calibración.

PROFIBUS-PA PROFILE 3.0: Se puede operar y monitorear un sistema PROFIBUS no importa el equipo o el fabricante. Esto será verdadero si todas las características y maneras de acceso a esas informaciones fueren estándares. Estos estándares se determinan por los perfiles de PROFIBUS-PA. Estos perfiles especifican como los fabricantes deben implementar los objetos, variables y parámetros de la comunicación, según el tipo de trabajo del equipo. Y además hay la clasificación de los propios parámetros: Valores dinámicos de proceso: se refieren a las variables de proceso, cuya información se describe en los archivos GSD (Device Data Master) que serán leídos por los amos clase 1 y también acíclicamente por los amos clase 2. Amo Clase 1: encargado de las operaciones cíclicas (lecturas y escrituras) y control de circuitos abiertos

Amo Clase 2: encargado de los accesos acíclicos de parámetros y funciones de equipos PA (estaciones de ingeniería tales como PDM, ComjuWinll, Pactwqare, etc.). Valores estándares de configuración/operación: se acceden exclusivamente para lectura y escritura, a través de servicios acíclicos. Hay parámetros que tienen que ser implementados y otros que son opcionales a los fabricantes. Parámetros específicos de los fabricantes: exclusivos a la funcionalidad del propio fabricante del equipo y que se pueden acceder acíclicamente, pues también están definidos según el estándar de estructuras de datos del perfil. Actualmente, el PROFIBUS-PA se define según el PROFILE 3.0 (desde 1999), donde hay informaciones para los varios tipos de equipos, tales como transmisores de presión, de temperatura, posicionadores de válvulas, etc. Estos equipos se implementan de acuerdo con el modelo de bloques funcionales (function blocks), donde se agrupan los parámetros, lo que garantiza un acceso uniforme y sistemático de las informaciones. Varios bloques y funciones son necesarios, según el modo y la etapa de operación. Básicamente, hay tres: 

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Bloques funcionales de entrada y salida analógicas: estos bloques describen las funcionalidades durante la operación, tales como: cambio de datos cíclicos de entrada y salida, condiciones de alarmes, límites, etc. Bloque Físico (Physical Block): que posee informaciones de identificación del equipo pertinentes al hardware y al software. Bloques Transductores (Transducer Blocks): los que almacenan informaciones de los sensores para utilizarse por los bloques funcionales, y que también reciben informaciones de éstos para activar elementos finales de control. Normalmente, un equipo de entrada (un transmisor de presión) tiene un bloque transductor (TRD) que se conecta mediante un canal a un bloque de entrada analógica (Al) y un equipo de salida (un posicionador de válvula) tiene un bloque de salida analógica (AO), que recibe un valor de ajuste y lo dispone a través del canal a un bloque transductor (TRD) que accionará el elemento final (por ejemplo, posicionando una válvula).

Algunos equipos tienen varios bloques Als y Aos y son llamados equipos multicanales, con varios bloques TRD asociados al hardware. El PROFIBUS-PA aún distingue los perfiles en clases:

Equipo Clase A: incluye informaciones sobre dos bloques físicos y de funciones. Este tipo de clase o equipo está limitado a lo básico para realizar el proceso. Equipo Clase B: posee funciones extendidas de informaciones provenientes de dos bloques físicos, transductor y de funciones. Una característica muy importante soportada en el PROFILE 3.0 es la definición de los equipos según los archivos GDS. Esos archivos garantizan que cualquiera sistema PROFIBUS pueda componer el equipo, sin importar sus características. Resulta en que cada fabricante puede desarrollar sus bloques funcionales específicos, además de lo que se describe en el perfil. Esto valora los equipos y posibilita la competencia en el desarrollo y la oferta de nuevas características en los equipos Estos detalles específicos de los equipos pueden accederse a través de interfaces estándares, con concepto basado en EDDL (Lenguaje Electrónica Descriptiva de Equipos, en ingles) o FDT (Herramienta de Equipo de Campo). A través de ellas, el usuario adquiere versatilidad y flexibilidad de configuración, parametrización, calibración y principalmente los mecanismos de carga y descarga (download and upload) en la etapa de planeamiento y puesta en marcha de los proyectos.

Uso de PROFIBUS en Venezuela: El PROFIBUS PA está muy difundido en Venezuela en el área de automatización de fábrica y automatización de procesos (Factory Automation y Process Automation) específicamente en industrias como Empresas Polar, Cervecería Regional, AGA Gas, LINDE, Pepsi Cola, Minera Loma de Niquel, FERTINITRO entre otras como ejemplos prácticos. (Información otorgada por Germán Yepez, trabajador de la SIEMENS, responsable del área de instrumentación industrial para Venezuela.). Otra de las empresas venezolanas que hacen uso del PROFIBUS PA es: Control Tech, c.a - Automatizacion, Ingenieria y suministros para la industria Control Tech. c.a es una empresa Venezolana altamente especializada en el desarrollo de Sistemas de Automatización, control y monitoreo de procesos y maquinaria. Apreciaciones sobre el PROFIBUS PA: En las comunicaciones industriales es de vital importancia el manejo de las variables con las que trabajan los instrumentos de la empresa, así como también es importante el envío de los datos de estas variables a una central en donde se podrán monitorear los procesos reales que están ocurriendo y así ver cómo está funcionando realmente la empresa, dicho envío en algunos

casos necesita recorrer grandes distancias, poseer un canal de transmisión apto y/o transmitirse con cierta velocidad. Profibus es una tecnología que permite conectar distintos equipos de marcas diferentes (esto permite flexibilidad en cuanto a los instrumentos) en cualquier tipo de topología (estrella, anillo, etc.), esto asegura una gran interoperabilidad entre los instrumentos que se están usando para los procesos lo que permite reducir costos (estudios indican que el ahorro puede llegar hasta el 40%) y facilitar las comunicaciones. El Profibus tipo PA es una de las tres tecnologías de Profibus la cual está orientada o fue diseñada para la automatización de procesos permitiendo conexiones como la de los sensores y los actuadores a una sola línea de bus común, este tipo de tecnología posee normas bajo las cuales fue estandarizado lo cual le da seguridad y libertad a los usuarios de la misma. A pesar de que Profibus PA se enfoco principalmente en mercado europeo se puede apreciar su implementación en grandes empresas en América, inclusive se puede apreciar en empresas Venezolanas, lo que demuestra que es un estándar de comunicaciones de bastante aceptación a nivel mundial y da prueba de su calidad.

Conclusiones: PROFIBUS, basada en el estándar de la FielBus, permite acoplar diferentes equipos de marcas distintas. Puede formar diferente topología (estrella, bus lineal o token) y siempre con arquitectura abierta. Las ventajas más importantes de PROFIBUS comparado con otros buses de campo son la existencia de una norma estable EN 50-170 y sus características universales que cubren una amplia gama de aplicaciones en fabricación, procesado y automatización de procesos. La independencia de los vendedores junto con la eficacia del bus, demostrada en más de 200000 aplicaciones, ha provocado un aumento en el porcentaje de mercado industrial en Europa de más del 35% según diversos estudios independientes de mercado. Siendo un protocolo universal permite ahorros de hasta 40% en diferentes parámetros lo que lo hace una tecnología atractiva para desarrollar, hecho que se ve (como por ejemplo) en Venezuela con su implementación en diferentes empresas con diferentes necesidades de comunicación.

Bibliografía:              

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