TECNOLOGIA-FIELDBUS

7/22/2019 TECNOLOGIA-FIELDBUS

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Tecnologa de bus de campo

burkertFluid Control Systems

La eleccin ms inteligente en Sistemas de Control de Fluidos


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Contenido

Introduccin

Tecnologa de campo inteligente Pgina 6

1. Tecnologa

1.1. Funcin de la tecnologa de bus de campo Pgina 8

1.2. Automatizacin con la tecnologa de bus de campo Pgina 10

1.3. Ventajas de la tecnologa de bus de campo Pgina 131.4. Requisitos industriales del bus de campo Pgina 14

2. PROFIBUS

2.1. Modo de operacin Pgina 16

2.2. PROFIBUS como sistema modular Pgina 17

2.3. Sistemas de transmisin Pgina 18

2.4. Sistema de comunicaciones: el protocolo PROFIBUS Pgina 21

2.5. Perfiles de aplicacin Pgina 22

2.6. Sistema de integracin Pgina 23

3. Fieldbus Foundation

3.1. Inteligencia distribuida Pgina 26

3.2. El control est en la red Pgina 27

3.3. Programador activo de enlace (LAS) Pgina 28

3.4. La aplicacin se genera a partir de bloques funcionales Pgina 29

3.5. Descripcin e integracin de los dispositivos de bus de campo Pgina 29


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4. Ethernet


Topologa Pgina 30

4.2. Capacidad en tiempo real Pgina 31

4.3. Normas de automatizacin Pgina 32

4.3.1. PROFInet Pgina 32

4.3.2. Powerlink Pgina 34

4.3.3. Ehternet/IP Pgina 36

4.3.4. IDA Pgina 38

4.3.5. Ethernet de alta velocidad Pgina 40

5. CAN (CANopen/DeviceNet)


5.2. Topologa Pgina 42

5.3. Procedimientos de acceso al bus Pgina 43

5.4. Estandarizacin internacional: CANopen y DeviceNet Pgina 44

Caractersticas de CAN Pgina 45

6. INTERBUS

6.1. Topologa de INTERBUS Pgina 47

6.2. Lazo de INTERBUS Pgina 47

6.3. Ventajas de INTERBUS Pgina 47


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7. Interfaz AS


7.2. Topologa Pgina 48

7.3. Fiabilidad de la transmisin e inmunidad por interferencia Pgina 48

7.4. Seguridad laboral Pgina 49

7.5. Datos bsicos del ASi-bus Pgina 49

8. HART

8.1. Cableado Pgina 51

8.2. Comandos HART Pgina 51

9. Unidades de campo de Brkert compatiblescon comunicaciones

Unidades de control para vlvulas de proceso neumticas Pgina 52

Acoplamientos de vlvulas Pgina 52

Islas de vlvulas Pgina 53

Sensores Pgina 53Controladores/medidores de caudal msico (MFC/MFM) Pgina 53

Otros dispositivos de bus de campo Pgina 53

10.Lista de palabras clave Pgina 54


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La decada de los ochenta fue unapoca en que la tecnologa deautomatizacin dio un tremendo saltocualitativo. El cableado en paraleloutilizado hasta entonces era contrarioa la necesidad de una comunicacinms compleja con un nmerocreciente de unidades digitalizadas,que implicaban una mayor inteligencia

en los componentes distribuidos encampo. Gradualmente las solucionesconvencionales fueron siendodesplazadas por una tecnologa msavanzada de buses de campo.

En busca decompatibilidad

y universalidad

Como suele ocurrir con toda innova-cin original, tambin en la tecnologa

de bus de campo empez a desarro-llarse una competencia entre solucio-nes vinculadas a componentes propiosde distintos fabricantes. Las posibilida-des reales no siempre coincidan conel potencial y el dinamismo de lo quedebera ser, en principio, una tecnolo-ga abierta. Escoger el bus correctose convirti en una cuestin esencial,cuestin a la que Brkert respondicon un enfoque orientado al cliente ycon una estandarizacin que resultaseprctica. El objetivo era tan simple

como elemental: unidades de distintosfabricantes deban ser capaces de seroperadas por un mismo sistema bus.

Tecnologa de campo inteligente

El status quo:estandarizacin de

sistemas especficospara aplicaciones.

Como tecnologa clave enautomatizacin, la tecnologa de busde campo ofrece ahora una gama desistemas estandar de buses que se han

especializado y optimizado paraindustrias y aplicaciones muyespecficas.

Trasladar al cliente esta tecnologainteligente con una eficiencia ptima,no deja de ser un reto , buscado yagradecido, para nuestros equipos deingenieros, quienes , con toda laexperiencia acumulada como pione-ros en la materia, poseen los conoci-mientos cruciales para el desarrollocon xito de nuevas solucionesfuturas. Qu puede motivar ms aingenieros altamente cualificados sinoun problema no resuelto ? El hechode que Brkert tenga los ticketspara el bus de campo con las tecnolo-gas del futuro, hacen que la eleccinresulte muy fcil para nuestrosclientes, por complicada queparezca para nuestros expertos,siempre deseosos de afrontar nuevosretos.


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No equivocarse debus

La evolucin de la tecnologa deredes ha pasado desde un principio decentralizacin hacia una inteligenciadescentralizada. Lgicamente estaevolucin necesita componentes quepuedan cumplir esta nueva

estructura de mando.Disponibilidad mxima y tiemposmuertos mnimos son los dosaspectos clave de una operatividadms avanzada, y por tanto mseficiente, en un sistema o instalacinbasados en una tecnologa de buspreparada para el futuro. Vale la pena,ciertamente, optar por un lder entecnologa que ha estado involucradodesde el inicio y que puede aportar lasolucin ms apropiada para cualquierproblema en sistemas integrados. ConBrkert, usted conduce el bus hacia elfuturo.

Trabajo en red:

informacin sobre elfuturo de la

tecnologa de redes

Existen distintas asociaciones deusuarios que realizan un seguimientodel desarrollo de los distintos sistemasbus. Puede encontrar la informacinms reciente en los siguientes web:

Asociacin AS-International:www.as-interface.netCANopen:www.can-cia.deDeviceNet:www.odva.orgEthernet:www.iaona-eu.comwww.ida-group.orgwww.odva.orgwww.profibus.com

Fieldbus Foundation:www.fieldbus.orgHART Communication Foundation:www.hartcomm.orgClub INTERBUS:www.interbusclub.comPROFIBUS International (PI):www.profibus.com


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1. Tecnologa

1.1.

Funcin de la

tecnologa de bus decampo

1.1.1. ComunicacinLos buses de campo permiten elfuncionamiento en red de sistemas decontrol en lazo abierto , de sensores

y de actuadores. El intercambio dedatos se realiza tantohorizontalmente, entre losdispositivos de un mismo nivel, comoverticalmente, con los sistemassituados en el siguiente nivel de lajerarqua.

Para establecer una clasificacin decarcter prctico, las estructuras decomunicacin de la ingeniera deautomatizacin se dividen en distintosniveles de aplicacin (Figura 1).

El nivel de coordinacin supervisa elnivel ms alto de control de la planta,mientras que el nivel deautomatizacin controla los procesosen s. La prioridad consiste en que lastransmisiones sean fiables, inclusocuando se trate de mensajes muylargos (transferencia de archivos). Anivel de campo, la transmisin dedatos de valores medidos y devariables manipuladas, es cclica enmuchos casos, y necesita unaeficiencia lo ms alta posible para no

afectar las caractersticas en tiempo-real en un control por lazo-abierto.En estas conexiones solemos hablarde comunicacin orientada a datos.Adicionalmente, los buses de campotambin dan soporte al acceso aunidades de campo situadas enniveles superiores, como , porejemplo, a estaciones de ingeniera,desde el nivel de automatizacin o decoordinacin. Se pueden leer datosde proceso e informacin de estado,y se pueden sacar y aadirparmetros. En algunos casos, el

usuario puede incluso bajar software einiciar rutinas de programas para laconfiguracin, operacin, supervisiny comprobacin. Esta forma deintercambio de datos no cclico esconocida como comunicacinorientada a mensaje.

Figura 1: Niveles deaplicacin de la tecnologa de

la automatizacin


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1.1.2. Topologas de redTodos los buses de campo estnbasados en la misma idea de quetodos los dispositivos direccionablesutilicen un medio de transmisincomn. La topologa de la red no slodescribe la extensin espacial de unared de bus de campo, sino tambin laorganizacin lgica de los dispositivos

durante la comunicacin.

LinealLa estructura de bus lineal es muyclara y entraa muy pocacomplejidad, ya que todos losusuarios se comunican a travs deuna lnea comn. Los dispositivos seconectan con o sin ramales cortos,lo que en ocasiones conduce acableados algo engorrosos.

rbolLa estructura en rbol es similar a lalineal con la nica diferencia de quevarios ramales pueden convergeren los nodos. Esta estructurapermite conectar en red de zonasmuy amplias de una manera msfcil y ms flexible.

AnilloSi se construye un anillo fsico convarias conexiones de dos-puntos, sedenomina estructura en anillo. Losmensajes se transmiten de unusuario al siguiente. El hecho deque la seal se ample cada vez quese transmite el mensaje permite aste recorrer grandes distancias.

EstrellaUna estacin central est conectadaa todos los usuarios medianteconexiones a dos-puntos formandouna estructura en estrella. Estaestacin central puede actuar comoMaster y ser responsable delcontrol de la red, o actuar como

acoplador en estrella ,estableciendo simplemente laconexin entre el emisor y elreceptor.

Con frecuencia, las estructuras de redcomplejas se componen de variassubredes independientes. Cada unade estas subredes puede funcionarcon topologas distintas y protocolosde comunicacin diferentes.


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Figura 2: Modelo ISO

1.1.3. Estandarizacin

Es necesario definir normas comunespara todos los elementos queparticipan en la comunicacin, paraque sta sea eficaz y no se produzcanmalos entendidos entre los distintosusuarios y niveles jerrquicos de lared. Esto se consigue con el modeloISO (Figura 2) , que describe todoslos elementos requeridos para lacomunicacin, como el tipo de cableo el modo fsico de transmisin demensajes. El modelo est compuestopor siete capas , unas sobre otras,cada una de las cuales describe una

tarea especfica.

El modelo ISO tambin ha quedadoestablecido como una representacinestndar virtual para implementarservicios de comunicacin que nadatienen que ver con la tecnologa debus de campo, ya quefundamentalmente describe lasecuencia de comunicacin. En casode que el sistema de comunicacin yano requiera algunos serviciosespecficos (capas), dichas capas

permanecen vacas. Por norma

general, cuando se especifican las

redes de bus de campo slo sedefinen completamente las capas unoy dos, mientras que el propio procesode la aplicacin o la capa subordinadanmero siete maneja los demsservicios.

La capa unodefine la manera enque se lleva a cabo fsicamente latransmisin de datos, ya seaelctricamente o mecnicamente.Incluye, por ejemplo, el mtodo decodificacin (ej. NRZ) y el estndarde transmisin utilizado (ej RS 485).

La capa dostiene la tarea de pro-porcionar informacin integral, ej.sin errores. Debe detectar cual-quier error que haya podido ocurriren la capa uno y arreglar ese errorpor medio de adecuadas subrutinasde error.La capa sieteconstituye la interfazcon el programa de aplicacin ycontiene todas las funciones con lasque el usuario, normalmente unprograma informtico, puedeacceder a las funciones de

comunicacin.

1.2.

Automatizacin con

la tecnologa de busde campo

1.2.1. Niveles jerrquicosde las redes de bus decampoDebido a las diferentes opciones y

caractersticas tcnicas de los sistemasindividuales de bus de campo, esposible que se produzcandiscontinuidades en la instalacin si losusuarios emplean diferentes sistemasde bus o variantes de un mismosistema de bus; por ejemplo, si paraacceder a una zona con riesgo deexplosin se utiliza PROFIBUS PA atravs de PROFIBUS DP. La conexinen red de los componentes utilizadoses tan importante como vincularloscon los niveles inferiores y superioresde la estructura de red. Para ello, sepueden utilizar gateways(convertidores de protocolos) quepermiten la transicin entre distintossistemas de bus.

Por ejemplo, mediante el uso de ungateway, el sistema AS-i,especialmente indicado para elintercambio de datos en el nivel E/S(nivel de entrada/salida utilizadonormalmente con sistemas sencillosde sensores y actuadores), puedeintegrarse en un bus de campo de

nivel superior, por ejemploINTERBUS o PROFIBUS, con mayorcapacidad tcnica en los niveles decampo y de proceso.

A su vez, los buses del nivel de campopueden interactuar con Ethernet paracomunicarse con redes de nivelsuperior. De este modo sedireccionan procesos y parmetros,permitiendo la integracin vertical dela aplicacin.


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Figura 3: Niveles jerrquicos de la ingeniera de automatizacin

Incluso hoy en da, Ethernet siguedesempeando un papel fundamentalen las estructuras de alto nivel. Con laintegracin vertical real se consigue lapresentacin universal y laaccesibilidad de los datos de procesoy estados del sistema. Si los equipos ysistemas interactan con Ethernet (atravs de estructuras de bussubordinadas), el funcionamiento del

sistema central y el mantenimientoremoto resultantes confieren alusuario un gran potencial de ahorro.

1.2.2. Dinmicas de lacomunicacin mediantebus de campoSi en lugar del clsico sistema de busde campo se utiliza Ethernet para latecnologa de automatizacin, lacapacidad en tiempo real (hard)resulta especialmente significativa.

Bsicamente, el trmino tiemporeal es una cuestin de definicin. Enel caso de la sincronizacin deunidades o actuadores, el tiemporeal puede equivaler amicrosegundos; sin embargo, en lasaplicaciones de tecnologa deprocesos resulta ms adecuado hablarde segundos.

Si comparamos los distintos sistemasde bus de campo y Ethernet en lo quese refiere a la eficacia de latransmisin de datos, Ethernet saldramal parada. Esto se debe a que elprocedimiento CSMA/CD utilizado(vase el apartado 4.1.) funciona conuna longitud mnima de telegramabastante larga debido a la deteccinde colisiones incondicional y segura.No obstante, esta desventaja se vecompensada por la alta velocidad detransmisin, que puede alcanzar hasta

100 Mbit/s.

Esta altsima velocidad de transmisinsolo puede mejorarse estableciendouna conexin punto a punto entre lasunidades, algo que, aparte deEthernet, slo es posible con elsistema INTERBUS.

En los sistemas con velocidad detransmisin variable, como porejemplo, PROFIBUS o CAN, la

extensin mxima posible de la red sereduce a medida que se incrementa lavelocidad de transmisin. Cuantomayor es la velocidad, menor es lalongitud de la lnea, lo que podra darlugar a que el enlace de comunicacintenga una longitud de tan solo unospocos metros, algo que no tiene porqu suponer una desventaja en el casode sistemas cerrados o secciones desistemas.


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Figura 4: Programa operativo de gestin de recursos

1.2.3. Optimizacinoperativa mediante lagestin de recursosEl objetivo de la gestin de losrecursos en la automatizacin escontrolar y optimizar el uso de losequipos y los sistemas. Esto incluye,por ejemplo, la posibilidad de

planificar el mantenimiento necesario,minimizar la frecuencia de errores,mejorar el diagnstico y la supervisinde los procesos as como identificar yutilizar las funciones de reserva.

Para ello es necesario disponer de unainformacin compleja, que se obtienedel sistema de automatizacingeneral. Para una correcta gestin delos recursos se requiere la interaccinde unidades de campo inteligentes,una estructura de comunicacin

altamente desarrollada y un sistemaoperativo adecuado. As, por ejemplo,la informacin de diagnstico se enva

a travs del bus de campo desde elnivel de campo hasta la estacin degestin de recursos correspondiente,donde se evala.

La gestin de los recursos orientada alsistema no slo se ocupa delmantenimiento de un sistema

existente sino que est implantada enel diseo de los propios componentestecnolgicos del sistema de controlde procesos. Incluye funciones comoprogramar y configurar las unidadesde campo, y abrir accesos a ladocumentacin del sistema y alentorno operativo de la instalacin.

Desde el punto de vista del ciclo devida de una instalacin, elmantenimiento y, ms concretamente,el anlisis del estado de las unidades

de campo y de otros componentesdel sistema, resultan cruciales. Pararealizar estas tareas, el sistema de

gestin de recursos (AMS, del inglsAsset Management System) analiza losvalores que caracterizan el estado delos equipos basndose encaractersticas o modelos, y establecetendencias o, combina de maneracentralizada estos valores con losprocedentes de otros sistemas de

informacin.

Como base de la toma de decisionesen las tareas de mantenimiento, elAMS tambin debe ofrecer acceso adocumentos tales como los registrosde cambios, la documentacin delsistema y sistemas CAE, adems deinformacin sobre el estado actual.

En lo que se refiere a las distintassoluciones de gestin de recursos, hay unrequisito fundamental: todas las actividades

que garantizan el correcto funcionamientotcnico deben poder realizarse desde unanica estacin de trabajo.


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1.2.4. Gestin centralizadade dispositivosSi se construye una red de bus decampo empleando dispositivos de unmismo fabricante y todos ellospueden operarse de manera similar,se puede utilizar un paquete desoftware especfico de un nicofabricante como interfaz de usuario.

No obstante, una instalacin mediapuede estar compuesta por ms de100 tipos de unidades de campodiferentes procedentes de diez o msfabricantes distintos, lo que confrecuencia tambin implica que paraconfigurar y programar las unidadesde campo sean necesarios diez o mssistemas operativos. Para simplificaresta situacin, al menos parcialmente,se han desarrollado las descripcionespropietarias (lenguajes) basadas en loslenguajes de descripcin dedispositivos estndar (DDL, del inglsStandard Device Description

Languages). Sin embargo, cada uno de

estos lenguajes est orientado a unsistema de comunicacin especfico,por lo que cada herramienta deconfiguracin y nivel de bus de campoha implementado su propio lenguajede descripcin o, como poco, utilizaun dialecto de la descripcin dedispositivos HART, que fue unas de lasprimeras en desarrollarse. Los

mtodos operativos para PROFIBUS(GSD, EDD, DTM), dispositivosHART (DD), DeviceNet (EDS) y losdispositivos del Fieldbus Foundation(DD, DTM) son ejemplos que ilustranesta situacin.

Mediante la creacin de unaplataforma de comunicaciones abiertay normalizada, al menos con respectoal sistema pertinente, es posibleintegrar fcilmente las unidades decampo en la estructura de un sistemade control e instrumentacin dado ycontrolarlo de manera centralizadamediante una herramienta tcnicacomn.

1.3.

Ventajas de la

tecnologa de bus decampo

El coste total de una solucin deautomatizacin incluye la inversinnecesaria para adquirir un MCR o relMaster de control. Igualmente

importante resulta calcular los gastosasociados a la puesta en marcha y a laposterior ampliacin y conversin delsistema durante su ciclo de vida. Araz de este anlisis ha surgido eltrmino coste total de propiedad.

Sistema de cableadoEl uso de un bus de campo reduceconsiderablemente el coste,esfuerzo y complejidad delcableado. En la tecnologaconvencional, para conectar el MCRcon el campo se utilizabanenmaraados montajes de cables;sin embargo, la tecnologa de busde campo permite integrar lasmismas entradas y salidas utilizandoun nico par de conductores. Estaventaja tambin se traduce enahorros en las cajas de conexiones,armarios de control, sistemas deproteccin contra rayos y barrerasde explosin.

Figura 5: Funcionamiento delequipo


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Para el usuario, el potencial deahorro es enorme en lo que serefiere a los requisitos de espacio ya los gastos del cableado completodel MCR.Otra importante ventaja es que lareduccin del trabajo y los costesdel cableado se traducen en unareduccin similar del gasto en la

documentacin relacionada con losdiagramas en escalera y decableado elctrico.

FlexibilidadLa posibilidad de aadir una nuevaunidad en cualquier punto del busde campo sin tener que instalar unalnea de cable independiente facilitaenormemente las modificaciones yampliaciones posteriores. Esto esespecialmente cierto en el caso deun sistema de dos hilos en el quelos datos y la alimentacin elctricase transfieren por un nico cable.Puesta en marchaEn lo que se refiere a la duracin dela puesta en marcha, las ventajasson significativas. La tecnologamoderna es sinnimo de una msrpida integracin de loscomponentes de campo(comprobacin y calibracin enlazo) en el sistema de control deprocesos. La simplicidad delcableado reduce el nmero deerrores y, si an as surgen

dificultades en la estructura de lared, los sistemas de verificacin ysupervisin del bus las diagnosticanrpidamente.

MantenimientoLas seales de aviso y de error delos dispositivos del procesoinforman constantemente aloperario del estado defuncionamiento del sistema. As, eloperario puede evaluar conprecisin la situacin y adoptar lasmedidas necesarias.

Por ejemplo, si se produce unproblema de funcionamiento en elcircuito de medicin de una vlvulade control, se informa al personalde mantenimiento del error oavera detectado. Mediante elacceso a la unidad de campo atravs del sistema operativo, lostcnicos de mantenimiento reciben

informacin detallada sobre laavera o error, lo que les permitecorregirlo del modo adecuado y enmuy poco tiempo.

Disponibilidad del sistemaOtra fuente sustancial de reduccinde costes es la reduccin de lostiempos de inactividad, comoconsecuencia del diagnsticopreciso de las unidades de campo,que redunda en una mayordisponibilidad de las mquinas ysistemas. Las unidades de campointeligentes generan descripcionesde fallos o errores muy exhaustivasque envan al operario del sistema,e incluso pueden sealizar los fallosantes de que ocurran(mantenimiento preventivo).

UniversalidadEs posible acceder desde cualquierubicacin a todos los datos deprocesos, dispositivos o gestin atravs de una estructura decomunicacin universal, e incluso

desde el exterior del sistema, vaInternet. De este modo se consigueuna gestin centralizada ydistribuida tanto del funcionamientocomo de la parte tcnica. La gestinexhaustiva y centralizada de losdatos forma la base para optimizarlas operaciones de cualquiersistema.

1.4.

Requisitos

industriales del busde campo

A la hora de elegir el sistema de busde campo que va a utilizarse, debentenerse en cuenta varios factores. Porsupuesto, los requisitos que la

aplicacin impone al bus de campotienen una importancia decisiva. Porsus caractersticas tcnicas, cada unode los sistemas existentes se adaptaparticularmente bien a determinadosrequisitos. Por ello, ciertos sistemasde bus de campo tienen cuotas demercado muy altas en determinadasindustrias.

Industria de produccinLa Industria de produccin secaracteriza por el tamao de los lotesy por la ejecucin de pasosrepetitivos, con frecuenciamutuamente independientes. El gradode descentralizacin de una planta deproduccin es bajo.

Los requisitos de la comunicacinentre el controlador lgicoprogramable (PLC) y las unidades decampo son muy restrictivos. Enmuchos sectores, como la robtica, latecnologa de medicin y la tecnologade ensayo e inspeccin, las exigenciasde tiempo real son muy estrictas, con

ciclos inferiores a 20 milisegundos.Con frecuencia, la tecnologa deactuador recurre a la transmisin dedatos equidistante, por ejemplo, parala interpolacin de ejes.

Por el contrario, los requisitos deseguridad frente a fallos del sistemano son tan exigentes. En muchoscasos, cuesta menos detener laproduccin en caso de fallo de undispositivo que disear todo unsistema cien por cien redundante. Porsupuesto, los requisitos de seguridad


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a prueba de fallos son mayores en laszonas en que puede existir riesgopara las personas, por ejemplo,controles de quemadores, prensas,tornos, etc.

Industria de procesosNormalmente, la produccin porlotes se aplica en las industrias

alimentaria, qumica y farmacutica,as como en la industria de procesos yen la tecnologa de procesos.

Por regla general, la industria deprocesos utiliza instalaciones muycomplejas, altamente descentralizadase implantadas en reas muy extensasen forma de sistemas distribuidos. Elvolumen de los datos de proyecto dedichas instalaciones puede abarcarvarios cientos de miles de puntos deentrada de datos. Esto significa quelos requisitos para los sistemas decontrol de los procesos se centranante todo en la manipulacin degrandes volmenes de datos. Encontraste, el aspecto temporal resulta

menos crtico y, en muchos casos, seencuentra en el rango de segundos.

Un criterio fundamental en laindustria de procesos es la altadisponibilidad. Los sistemas no sedesconectan debido a lo complejo einterminable de los procedimientosde puesta en marcha de los procesos

continuos que, con frecuencia,pueden llegar a durar varias horas.Para evitar fallos o errores quepuedan interrumpir el proceso, serecurre a costosos diseosredundantes con equipos de reservaen hot standby. Tambin los requisitosde mantenimiento y puesta en marchason muy exigentes ya que debe serposible convertir o ampliar el sistemasin interrumpir la operacin.

En las atmsferas potencialmenteexplosivas existen requisitos deseguridad adicionales, como es el casode las industrias petroqumica y degases. La totalidad del sistema decampo MCR debe cumplir los

requisitos legales de seguridad, porejemplo la directiva ATEX.Dependiendo del nivel de peligro oriesgo se aplica una clasificacin quevara desde la zona 0 a la 2 lo que, asu vez permite aplicar conceptos deautomatizacin especficos, incluido eltipo de comunicaciones utilizadas.

En la figura siguiente se muestran lossistemas de bus de campo msextendidos en base a sus aplicacionesprincipales. Los sistemas situados a laizquierda estn ms enfocados a laindustria de produccin. Se haasignado un papel especial a Ethernet,por conectar la red industrial con laadministrativa. Los buses deautomatizacin de procesos, quetambin satisfacen los requisitos de laszonas con proteccin contraexplosiones, aparecen a la derecha.PROFIBUS y AS-Interface poseencaractersticas de aplicacinintersectorial.

Figura 6: Principales aplicaciones industriales de los distintos tipos de bus de campo


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2. PROFIBUS

PROFIBUS (PROcess Field BUS) esun sistema de comunicacin universal,abierto y digital. Est abierto aaplicaciones muy diversas, desdeautomatizacin de produccin hastaautomatizacin de procesos.PROFIBUS resulta idneo para tareasde comunicacin rpidas y complejas,en las que el tiempo sea un parmetro

crtico.

2.1.

Modo de operacin

Las comunicaciones de PROFIBUSconsisten en un intercambio cclico dedatos. Cada unidad de campo (slave)intercambia los valores obtenidos ylos valores de consigna con elcontrolador programable, un Masterde Clase 1 (PLC, controlador), conuna frecuencia establecida

(determinista). Este tipo decomunicacin master-slave, en la queel servicio de las unidades de campoest centralizado y es consecutivo, sedenomina interrogacin secuencial(polling).

Adems del controlador programablese requiere un sistema de

visualizacin (Master Clase 2) para elcontrol y funcionamiento del sistema.El Master Clase 2 es responsable delas funciones de puesta en marcha,programacin y control de unidadesde campo modernas. Si es necesario,se intercambian datos relacionados, esdecir, que el Master Clase 2 puedeutilizar servicios de comunicacinacclica.

Figura 7: Red PROFIBUS con dispositivos Master y slave

Las funciones maestras estnasignadas a este sistema multi-masteren una secuencia fija: elprocedimiento de paso de testigo.Este procedimiento consiste en queun mensaje especial, el testigo, setransmite de un Master activo alsiguiente dentro de un anillo lgico.

Este tipo de acceso al bus compuestopor procedimientos master- slave yde paso de testigo recibe el nombrede acceso hbrido.


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2.2.

PROFIBUS COMO

SISTEMA MODULAR

El diseo de PROFIBUS est basadoen un principio modular debido a lautilizacin de distintas tecnologas detransmisin, a la versatilidad de suprotocolo de comunicacin y a los

numerosos perfiles de aplicacinposibles. El sistema modularPROFIBUS describe las posibilidadestecnolgicas de este tipo de bus decampo como un todo que abarcadiferentes aplicaciones y requisitosespecficos:

Universalidad horizontal: tecnologade automatizacin estndar aptapara distintas aplicaciones ysectores industriales en un nicosistema (ascendente, principal ydescendente),Universalidad vertical: desde elnivel de campo hasta el nivelcorporativo.

Desde un punto de vista tecnolgico,la estructura del sistema PROFIBUSse basa en el modelo de referenciaISO (vase tambin el aparatado1.1.3., Estandarizacin) y consiste enuna serie de especificaciones de lossiguientes elementos bsicos:

Tecnologa de transmisin

Definicin y descripcin del hardware(sistema fsico de transmisin)

Medio de transmisin: cobre, cablede fibra ptica o gua de ondas,radiofrecuencia;Nivel de seal: RS-485, MBP;Topologa: lineal, modular, enestrella;Velocidad de transmisin: tasa debaudios (variable y fija).

Tecnologa de comunicacinDefinicin del protocolo PROFIBUSDP en funcin del tipo decomunicacin que se establece entrelos usuarios del bus, que en este casopueden ser tres:

DP V0: intercambio cclico de datos(datos de proceso)DP V1 (incluido V0): intercambioacclico de datos (datos tiles)DP V2 (incluido V1): serviciosadicionales (especficos de latecnologa de actuador).

Perfiles de aplicacin

Definiciones de distintos fabricantesde caractersticas, prestaciones ycomportamiento de los dispositivos,por ejemplo:

Dispositivos PA: definicin de lasfunciones y parmetros de losdispositivos de proceso en latecnologa de procesos,PROFIsave: perfil para lasaplicaciones orientadas a laseguridad (SIL),PROFIdrive: definicin delcomportamiento del dispositivo ydel procedimiento de acceso a losmandos y actuadores.

Figura 8: Sistema modular PROFIBUS


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Tecnologa de integracinDescripcin de la integracin de lasunidades de campo en los sistemas decontrol de procesos y lasherramientas de configuracin:

GSD (obligatorio): hoja de datoselectrnicos (comunicacin cclica),EDD (opcional): descripcin textual

de los dispositivos (comunicacinacclica),DTM/FDT (opcional): sistemaoperativo del dispositivo(comunicacin acclica a travs de lainterfaz normalizada FDT).

Elementos modulares dePROFIBUSDesde el punto de vista del usuario,del sistema modular PROFIBUS slose tienen en cuenta los elementosnecesarios para las tareas que sedesea automatizar, es decir:

El medio o topologa de transmisinadecuado: sistema de transmisin,El protocolo de clasificacinnecesario: sistema decomunicacin,El perfil (opcional) de aplicacin, yLos sistemas de integracin dedispositivos obligatorio y opcional:sistema de integracin.

Por lo tanto, PROFIBUS se definecomo la combinacin de los distintos

puntos focales especficos de unaaplicacin que tienen una definicinpermanente pero que handemostrado ser prcticos enaplicaciones frecuentes. Cada uno delos puntos focales se obtiene a partirde una combinacin tpica establecida(aunque no obligatoria) de loselementos modulares de dichosgrupos especificados. Los siguientesejemplos ilustran esta definicin.

PROFIBUS DPPROFIBUS DP es la variante paraautomatizacin de la produccin, quenormalmente se compone de:

Sistema de transmisin RS-485,Protocolo de comunicaciones DP,con sus clases de clasificacin,aunque normalmente se utiliza elDP V0,uno o ms perfiles de aplicacintpicos de la automatizacin de laproduccin, por ejemplo, sistemasde identificacin o PROFIdrive,

sistema de integracin GSDnicamente para comunicacionespuramente cclicas.

2.3.

Sistemas de

transmisin

RS-485El sistema de transmisin RS-485,sencillo y econmico, se aplicaprincipalmente a tareas que requieren

una velocidad de transmisin alta sinseguridad intrnseca. Para ello seutiliza un cable de acero trenzado yapantallado con un par deconductores. La estructura del buspermite acoplar y desacoplar demanera no retroactiva las estacioneso, la puesta en marcha del sistemapaso a paso. En consecuencia, lasampliaciones sucesivas no afectan a lasestaciones que estn operativasdentro de los lmites definidos.

Topologa de red RS-485Todos los dispositivos estnconectados a una estructura de bus(lineal). Es posible seleccionar unavelocidad de transmisin entre 9,6Kbit/s y 12 Mbit/s, que se definecomo uniforme para todos losdispositivos durante la puesta enmarcha del sistema. Admite hasta 32usuarios conectados por segmento yla longitud mxima de la lneadepende de la velocidad detransmisin. La tabla 1 muestra esta

correspondencia.

PROFIBUS PA

PROFIBUS PA es la variante dePROFIBUS para automatizacin deprocesos, que normalmente secompone de:

sistema de transmisin MBP,protocolo de comunicacin DP V1,perfil de aplicacin de dispositivosPA,

GSD para la transmisin de datoscclicos, por ejemplo, tecnologaEDD para la transmisin de datosacclicos.

Tabla 1: RS-485


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Figura 9: Topologa PROFIBUS

Los dos extremos de cada segmentoestn equipados con una terminacinde bus activa. Para que no seproduzcan perturbaciones en elfuncionamiento, ambas terminacionesdeben recibir un alimentacinelctrica constante.

En el caso de que existan ms de 32estaciones o de que se ample laextensin de la red, se deben utilizarrepetidores para conectar segmentos

de bus individuales. No obstante, sepueden conectar como mximo 126dispositivos (master o slave) al bus(espacio especfico de direcciones: 0-125)

MBPEl sistema de transmisin MBP(Manchester Coded, Bus Powered,anteriormente IEC 61158-2 Capafsica) puede utilizarse enaplicaciones de automatizacin deprocesos que requieran un bus paradispositivos intrnsecamente seguros.El cableado sigue un principio de doshilos, lo que significa que tanto lacomunicacin del bus como laalimentacin elctrica de las unidadesde campo utilizan un par de hilostrenzados, el cable del bus. Elconcepto de bus intrnsecamenteseguro (FISCO, en sus siglas en ingls;vase el siguiente apartado)desarrollado especficamente para lainterconexin de dispositivos de busde campo intrnsecamente seguros,

simplifica considerablemente el

diseo e instalacin de una estructurade bus en comparacin con elprocedimiento que se utilizabaanteriormente.

Topologa de red MBPMBP utiliza una transmisin sincrnicacon una velocidad estable de 31,25kbit/s, y el sistema de codificacinManchestser-II.

En general, admite topologas lineales,

lineales con ramales o en estrella,adems de la posibilidad decombinarlas todas. Debe tenerse encuenta que los ramales no puedensuperar 30 m de longitud enaplicaciones intrnsecamente seguras.La longitud mxima por segmento esde 1.900 m, aunque depende del reade aplicacin (grupo de explosiones ycategora) y de la seccin transversalde la lnea. En una aplicacin tpica,con una instrumentacin con clase deproteccin EEx ia/ib IIC, la longitudmxima del cable sera de

aproximadamente 1.000 m.

El nmero de usuarios que puedenconectarse a un segmento estlimitado a 32. Sin embargo, lalimitacin viene impuesta por el tipode proteccin elegida, situndosenormalmente entre 6 y 9 dispositivosen el caso de aplicacionesintrnsecamente seguras. Comomedio de transmisin se utiliza uncable de dos hilos apantallado. Elcable principal del bus lleva una

terminacin de lnea pasiva en ambos

extremos. La terminacin del bus seencuentra permanentementeintegrada en el acoplador delsegmento o en el enlace. La conexinde unidades de campo con polaridadinversa al sistema MBP no afecta alfuncionamiento del bus ya que,normalmente, estos dispositivos soncapaces de detectar automticamentela polaridad.

Informacin adicional sobre elcableado para MBP

Normalmente, el uso del sistema detransmisin intrnsecamente seguroMBP est restringido a subsegmentosespecficos (unidades de campo enzonas potencialmente explosivas) deun sistema, que despus se conectana otro segmento RS-485 medianteconectores de segmentos o enlaces(Figura 8).

Los conectores de segmentos sonconvertidores de seales que adaptanlas seales RS-485 a los niveles deseal MBP y viceversa y que, desde elpunto de vista del protocolo de bus,son transparentes. Por el contrario,los enlaces tienen su propia lgica.Trazan el mapa de todas las unidadesde campo conectadas al segmentoMBP ascendente como si fuese unnico dispositivo esclavo delsegmento RS-485, y acta como undispositivo master en sentidodescendente.


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MBP RS-485 RS-485-IS Fibra ptica

Transmisin de datos Digital, codificacinManchester de bit sncrono

Digital, seales diferenciales aRS-485

NRZ

Digital, seales diferenciales aRS-485

NRZ

pticaDigital

NRZ

Velocidad de transmisin 31,25 kb it/s 9,6 a 12,000 kbit/s 9,5 a 1.500 kbit/s 9,5 a 12.000 kbit/s

Integridad de los datos Sincronizacin inicial,delimitadores de inicio yfinalizacin a prueba de fallos

HD = 4, bit de paridad,delimitadores de inicio yfinalizacin



Tipos de proteccin Seguridad intrnseca (EEx ia/ib) Ninguno Seguridad intrnseca (EEx ia/ib) Ninguno

Topologa Lineal y en rbol,tambin combinadacon terminaciones

Lineal con terminacin Lineal con terminacin Tipologa de estrellay de anil loPosible tipologa lineal

Alimentacin elctricaremota

Opcionalmente a travs de loshilos de seal

Posible a travs de los hilos deseal

Posible a travs de los hilos deseal

Posible a travs de una lneahbrida

Cable Trenzado, apantalladolnea de dos hilos

Trenzado, apantalladolnea de dos hiloscable tipo A

Trenzado, apantalladolnea de dos hiloscable tipo A

Fibra de vidrio multimodal y demodo nico,fibra plstica de PVC

Nmero de usuar ios Hasta 32 usuar ios porsegmento. 136 como mximoen la red

Hasta 32 usuarios porsegmento sin repetidor.

Mximo 126 por redHasta 32 usuarios porsegmento. 136 como mximoen la red

Mximo de 26 usuarios por red

Nmero de repetidores Mximo 4 Mx. 4 con regeneracin deseal

Mx. 9 con regeneracin deseal

Ilimitado con regeneracin deseal (en funcin del tiempo de

propagacin de la seal)

Tabla 2: Sistemas de transmisin PROFIBUS

El modelo FISCO

El modelo FISCO (concepto de bus decampo intrnsecamente seguro) suponeuna importante simplificacin en laplanificacin, el cableado y la ampliacinde las redes PROFIBUS en zonaspotencialmente explosivas. Este modelofue desarrollado en Alemania por elPhysikalisch Technische Bundesanstalt

(Laboratorio nacional de Estandarizacin PTB) y hoy en da sigue estandoreconocido, incluso a nivel internacional,

como el modelo bsico defuncionamiento de buses de campo enzonas potencialmente explosivas.

Si se utilizan dispositivos conhomologacin FISCO no slo esposible operar varios dispositivos enuna misma lnea, sino que tambinpueden sustituirse, incluso en plenofuncionamiento, por dispositivos deotros fabricantes, o realizarseampliaciones de la red. Todo ello sinnecesidad de clculos complejos y sin

un una certificacin del sistema. Estosignifica dispositivosplug & playparazonas potencialmente explosivas. Lo

nico que hay que tener en cuentason las Normas para seleccionar lasfuentes de alimentacin elctrica, lalongitud de la lnea y las terminacionesdel bus. La transmisin conforme almodelo MBP y FISCO aplica lossiguientes principios:

Todos los dispositivos deben contarcon homologacin FISCO.En cada segmento slo hay unafuente de entrada: el conector de

segmento o enlace.Cada unidad de campo consume uncorriente constante bsica de almenos 10 mA.La longitud de cable no puede sersuperior a 1.000 m (tipo deproteccin i, categora a) o 1.900 m(tipo de proteccin i, categora b).Todas las combinaciones entrefuentes de alimentacin y unidadesde campo deben garantizar que lasvariables de entrada permitidaspara cada unidad de campo (Ui, Ii, y

Pi) sean superiores a las variablesde salida mximas (U0, I0 y P0) dela fuente de alimentacin que

pueden producirse y estnpermitidas en caso de fallo.

Adems, y por razones relacionadasde fiabilidad operativa, debegarantizarse que todas las unidades decampo dispongan de una alimentacinelctrica adecuada. La suma delconsumo de corriente de todas lasunidades de campo y del valor FDEdebe situarse por debajo de lacorriente de alimentacin mxima de

la unidad de alimentacin (conector oenlace), para lo cual y en caso dedistintas unidades de alimentacin,debe considerarse una corrientesuperior a 9 mA para la modulacinde la seal de los datos.

El valor FDE (del ingls FaultDisconnection Equipment) garantizaque, incluso en el caso de que seproduzca un cortocircuito en unaunidad, no se interrumpir lacomunicacin de todo el segmento.

En los clculos, debe tenerse encuenta el valor de la unidad de campocon el mximo valor FDE.


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RS-485-ISLos usuarios han mostrado un graninters por aplicar RS-485 y su altavelocidad de transmisin en zonaspotencialmente explosivas. Laasociacin PROFIBUS International seha puesto manos a la obra y haelaborado una gua sobre planificacinde proyectos basados en soluciones

RS-485 intrnsecamente seguras, conintercambiabilidad sencilla dedispositivos. Las investigaciones encurso realizadas por el laboratorio deensayos permiten avanzar que, al igualque en el caso de la versin estndar,en un circuito de bus intrnsecamenteseguro se pueden conectar hasta 32usuarios.

Guas de onda pticasEn ciertas condiciones, los buses decampo con sistemas de transmisinpor cable tienen serias limitaciones,por ejemplo en entornos sometidos afuertes interferencias o en distanciasespecialmente grandes. En estoscasos, es posible recurrir a latransmisin ptica con guas de ondapticas.

Debido a las caractersticas de latransmisin, las topologas tpicas sonen estrella y en anillo, aunque tambines posible la topologa lineal. En elcaso ms sencillo, la implantacin de

una red de gua de onda ptica serealiza utilizando un transductorelectro-ptico conectado aldispositivo a travs de una interfazRS-485, as como a la gua de ondaptica. De este modo tambin resultaposible conmutar entre transmisinRS-485 y por gua de onda ptica,dependiendo de la situacin.

2.4.

Sistema decomunicaciones :el protocolo

PROFIBUS DP

El protocolo de comunicacionesPROFIBUS DP (perifricosdescentralizados) est pensado para elintercambio rpido de datos en el

nivel de campo. Es all donde loscontroladores programables, tipoPLC, PC o sistemas de control deprocesos, se comunican a travs deuna conexin en serie rpida con lasunidades de campo distribuidas, porejemplo, de E/S, controladores oactuadores, vlvulas, transductores oanalizadores. El intercambio de datosentre las unidades se efectaprincipalmente de manera cclica. Lasfunciones bsicas DP (clasificacin DPV0) definen las funciones de

comunicacin necesarias.Adems de estas funciones bsicas,DP se ha ido enriqueciendogradualmente con funcionesespeciales adaptadas a los requisitosespecficos de las distintas zonas deaplicacin, y hoy en da se encuentradisponible en tres categoras: DP V0,DP V1 y DP V2, cada una de ellasenfocada a una funcin especfica.Esta clasificacin refleja ante todo lasecuencia temporal del trabajo deespecificacin, consecuencia de las

exigencias cada vez mayoresimpuestas por las aplicaciones. Lasclasificaciones V0 y V1 incluyen tanto

caractersticas (obligatorias para laimplementacin) como opciones; porcontra, la clasificacin V2 sloespecifica opciones. El contenido msimportante de las tres clasificacioneses el siguiente:

DP VOPosibilita las funciones bsicas del DP,

es decir, intercambios de datoscclicos y diagnosis especfica deestaciones, mdulos y canales.

DP V1Ofrece suplementos adaptados a laautomatizacin de procesos,principalmente el intercambio acclicode datos para la programacin, elfuncionamiento, la observacin y larecuperacin en caso de alarma deunidades de campo inteligentes, junto

con el intercambio cclico de datostiles. Permite el acceso en lnea a losusuarios del bus medianteherramientas tcnicas. Adems, DPV1 incluye alarmas como, porejemplo, las de estado, deactualizacin y alarmas especficas defabricantes.

DP V2Suplementos adicionales adaptadossobre todo a los requisitos de latecnologa de actuador. Por su

funcionalidad adicional, DP V2tambin puede utilizarse como un busde mando para supervisar secuencias

Figura 10: Funcionalidad de lascategoras de PROFIBUS DP


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rpidas de movimiento en ejes demando. Entre otros servicios, incluyelos siguientes:

Comunicacin esclavo-esclavo(DXB). Esta funcin permite lacomunicacin directa y, por lotanto, ms rpida entre dispositivosesclavos mediante emisin sin pasar

por el master.Modo iscrono. Esta funcinpermite efectuar un control dereloj sncrono en los dispositivosesclavos y masters,independientemente de la carga delbus.Control de reloj. Sincroniza todoslos usuarios del bus con la hora delsistema.

2.5.

Perfiles de aplicacin

Los perfiles son especificacionesdefinidas por los fabricantes y usuariossobre las caractersticas concretas, lasfunciones y el comportamiento de losdispositivos y sistemas. El objetivo delas especificaciones de los perfiles esque se utilicen dispositivos y sistemasque pertenezcan a una misma familiade perfiles basados en un diseocompatible con el perfil, en lainteroperabilidad de un bus y, hastacierto punto, en la intercambiabilidad.

Los perfiles ofrecen recursos decontrol y de integracin (tecnologa)para las aplicaciones y las cuestionesespeciales especficas de las unidadesde campo. Los ms importantes sonlos siguientes:

Dispositivos PAEl perfil de dispositivos PA definebloques de parmetros y de funcionespara las unidades de campo de laautomatizacin de procesos, por

ejemplo, posicionadores digitales,transmisores y cajas de E/S. Permitenla interoperabilidad y el intercambio

de unidades de campo de distintosfabricantes (intercambiabilidad). Elperfil de los dispositivos PA estdisponible en la versin 3.0.

PROFIsafePROFIsafe define cmo se produceuna comunicacin fiable entre los

dispositivos relacionados con laseguridad (botones de parada deemergencia, indicadores luminosos,

proteccin contra exceso de llenado,etc.) y los controles de seguridad atravs de PROFIBUS permitiendo suuso en tareas de automatizacinrelacionadas con la seguridad hasta lacategora 4, conforme a las NormasEN954, AK6 o SIL3 (Safety IntegrityLevel). Permite una comunicacinsegura a travs de un perfil, es decir,

mediante un formato de datos tilesespecial y un protocolo de alto nivelespecial.

Tabla 3: Perfiles de aplicacin(especficos) Denominacin Contenido del perfil Estado actual de

la Directiva PUO

PROFIdrive Especifica el comportamiento de los

dispositivos y los procedimientos de acceso alos datos de los mandos y actuadoreselctricos de velocidad variable conPROFIBUS.

Dispositivos PA Detalla las caractersticas de los dispositivosde ingeniera de procesos para laautomatizacin de procesos con PROFIBUS.

Robots/NC Describe el modo en que PROFIBUScontrola los robots manipuladores y demontaje.

Dispositivos de panel Especifica la conexin de dispositivosfuncionales sencillos y los dispositivos deobservacin (HMI) con componentes deautomatizacin de nivel superior.

Codificador Describe el acoplamiento de loscodificadores de rotacin, angulares ylineales con resolucin de giro nico omltiple.

Transmisin de energamediante fluidos

Especifica el control de mandos y actuadoreshidrulicos mediante PROFIBUS. Encolaboracin con VDMA.

SEMI Caractersticas de los dispositivos empleadosen fabricacin de semiconductores conPROFIBUS (protocolo SEMI).

Equipos deconmutacin de baja

tensin

Describe el intercambio de datos dedispositivos de conmutacin de baja tensin

(conmutadores, interruptores, arrancadoresde motores, etc.) con PROFIBUS.

Dosificacin / Pesaje Especifica la utilizacin e los sistemas depesaje y dosificacin con PROFIBUS DP.

Sistemas deidentificacin

Describe la comunicacin entre los distintosdispositivos de identificacin (cdigo debarras y transpondedores.

Bombas para lquidos Define el uso de bombas para lquidos conPROFIBUS DP. En cooperacin con VDMA.

E/S remotas paradispositivos PA

Debido al lugar especial que ocupan enrelacin con el funcionamiento del bus, las E/S remotas disponen de un modelo de

dispositivo diferente y de tipos de datosdistintos en comparacin con los dispositivosPROFIBUS PA.

V2 3.072

V3 3.172

V3.0 3.042

V1.0 3.052

V1.0D 3.082

V1.1 3.062

V1.5 3.122

3.152

3.122

3.162

3.142

3.172

3.132


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Figura 11: Sistemas de integracin PROFIBUS

HART con PROFIBUS DPEn vista del gran nmero dedispositivos HART instalados en elcampo, su integracin con lossistemas PROFIBUS existentes onuevos es una prioridad para lamayora de usuarios. El perfil HARTcon PROFIBUS DP ofrece unasolucin abierta a esta problemtica.

PROFIdriveEl perfil PROFIdrive define elcomportamiento del dispositivo y losprocedimientos de acceso a los datosde las unidades o actuadoreselctricos de PROFIBUS, desdeconvertidores de frecuencia sencilloshasta los servomandos mssofisticados.

2.6.Sistema deintegracin

Las unidades de campo modernasproporcionan una informacin muyvariada y realizan funciones que hastaahora eran exclusivas de los PLC y lossistemas de control de procesos. Porello, para permitir controles en lazoabierto o que el sistema de control deprocesos efecte un intercambiofluido de datos cclicos con lasunidades de campo, es necesariodeclarar (integrar) los parmetrosespecficos y los formatos de datosque utilizarn las unidades de campo.

Los programas operativos para lapuesta en marcha, mantenimiento,ingeniera y programacin de estosdispositivos requieren una descripcin

detallada y completa de lascaractersticas del dispositivo. Esdecir, de las funciones y datos de losdispositivos como, por ejemplo, eltipo de aplicacin, los parmetros deconfiguracin, las unidades demedicin, los intervalos de losvalores, los valores lmite, los valorespor defecto, etc.

PROFIBUS establece los mtodos quepermiten normalizar la gestin de losdispositivos con vistas a sudescripcin. La gama de servicios deestos mtodos se ha optimizado paraincluir tareas especficas, de ah el usofrecuente del trmino integracinestructurada de dispositivos.


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Hoja de datos electrnicos (GSD)La GSD es el pasaporte obligatoriode todos los dispositivos PROFIBUS.Contiene las caractersticas deldispositivo, informacin sobre susposibilidades de comunicacin y sobrelos valores de diagnosis, entre otros.La GSD basta por s sola para integrarel intercambio cclico de variables y

las variables de control entre unaunidad de campo y un controladorprogramable.

La GSD esuna hoja de datos electrnicosproporcionada por el fabricante deldispositivo,una sencilla descripcin de texto delas caractersticas del dispositivorelativas a las comunicacionesPROFIBUS,la descripcin bsica de cada unode los dispositivos PROFIBUS queel sistema de ingeniera requierepara la configuracin de una redPROFIBUS de comunicacin cclicacon el dispositivo masterPROFIBUS.

Descripcin de dispositivoselectrnicos

(EDD)Por s sola, la GSD no basta paradescribir las funciones especficas deuna aplicacin y los parmetros deunidades de campo complejas. Serequiere un lenguaje ms potentepara detallar la configuracin,

programacin, puesta en marcha,mantenimiento y diagnosis de losdispositivos del sistema. Para ello,PROFIBUS ha desarrollo el lenguajede descripcin de dispositivoselectrnicos (EDDL), normalizadomediante la norma IEC 61804-2 yutilizado para la elaboracin de lasEDD.

Una EDD es:un texto que describe undispositivo con independencia delsistema operativo del sistema deingeniera,la descripcin de las funciones decomunicacin acclica deldispositivo, incluidas las

funcionalidades grficas. Asimismo,contiene informacin sobre eldispositivo del tipo de datos depedidos, materiales,mantenimiento, etc.,un archivo desarrollado yproporcionado por el fabricante deldispositivo, que se utiliza junto conla GSD,

la base utilizada por el intrpreteEDD para la ejecucin ypresentacin.

El intrprete EDD proporciona losdatos necesarios para unavisualizacin estndar del sistemaoperativo, independientemente deldispositivo o el fabricante. Se podracomparar con un explorador deInternet que interpreta el cdigofuente de una pgina HTML paramostrarla en la pantalla. En laactualidad, Siemens ofrece unintrprete junto con el administradorde dispositivos de proceso ProcessDevice Manager (PDM).

Figura 12: Intrprete EDD


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Gestor de tipos de dispositivo(DTM) e interfaz de las

herramientas de dispositivos decampoA diferencia de las tecnologas GSD yEDD, basadas en descripciones, latecnologa FDT/DTM (del ingls FieldDevice Tooly Device Type Managerrespectivamente), es un mtodo

basado en un software de integracinde dispositivos. DTM es unaaplicacin de gestin de dispositivosque se comunica con el sistema deingeniera a travs de la interfaz FDT.Estas dos utilidades aportan msflexibilidad y un mayor grado delibertad a la hora de elegir el softwareque se utilizar para la integracin dedispositivos a lo largo de todo el ciclode vida del sistema.

Un DTM

es un programa que permite utilizarla funcionalidad (Device DTM) y lasposibilidades de comunicacin(Communication DTM)de losdispositivos,aplica la interfaz FDT normalizada(Field Device Tool) a un sistema deingeniera,

es comparable a un controlador deimpresora: puede ejecutarse encualquier aplicacin FDT y estprogramado por el fabricante enbase al dispositivo especfico,dispone de una interfaz de usuarioindividual para cada dispositivo,se utiliza junto con la GSD.

La interfaz FDTse trata de una especificacin deinterfaz abierta adaptable a distintosfabricantes (a pesar de lo quesugiere su nombre en ingls, no esuna herramienta),su finalidad es la integracin abierta,mediante los DTM, de unidades decampo de distintos fabricantes enprogramas operativos e, incluso, ensistemas de control de procesos,define la interaccin entre los DTMy una interfaz FDT en laherramienta operativa o sistema deingeniera.

Nota:Parte de la informacinofrecida sobre PROFIBUS procede dedocumentacin publicada por la PUO,(Organizacin de usuarios dePROFIBUS). Si desea obtenerinformacin ms detallada, visitewww.profibus.com.

Figura 13: Interfaz FDT


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3. Fieldbus Foundation

El bus de campo Fieldbus Foundationest adaptado especficamente a lasnecesidades de la automatizacin deprocesos (por ejemplo, las industriasqumica y petroqumica y la ingenierade procesos), y tiene el mismoenfoque que PROFIBUS PA.

3.1.

Inteligenciadistribuida

Las funciones de control en lazoabierto y en lazo cerrado seimplementan conjuntamente en loscontroladores y en las unidades decampo; dicho de otro modo: elprograma de aplicacin estdistribuido entre los controladores(controles en lazo abierto) y lasunidades de campo inteligentes. Elprograma de aplicacin se escribecombinando bloques funcionales quese ejecutan tanto en los controladorescomo directamente en las unidadesde campo inteligentes que, a su vez,disponen de mdulos deprocesamiento de seales analgicas ydigitales, como temporizadores,algoritmos de control PID, etc.

Los dispositivos Fieldbus Foundationestn conectados a enlaces H1. Lanorma IEC 61158 describe susespecificaciones fsicas (por ejemplo,una velocidad de transmisin de 31,25kbit/s). En septiembre de 2001 seincorpor el modelo FISCO(concepto de bus de campointrnsecamente seguro, vase el

apartado 2.3.) a las especificacionesdel perfil de la capa fsica de FieldbusFoundation. Con este sistema esposible utilizar aplicacionesintrnsecamente seguras enatmsferas potencialmenteexplosivas.

Para definir la aplicacin es posible,aunque no absolutamente necesario,cerrar un lazo de control en un enlaceH1. De este modo, el lazo es capazde, por ejemplo, activarse de maneraindependiente o en paralelo a otrasacciones, lo que conlleva unareduccin de los tiempos de puestaen marcha. Es posible conectar variossegmentos H1 a una red de altorendimiento HSE (Ethernet de altavelocidad) con una tasa de baudios de100 Mbit/s. Las especificacionestambin permiten conectardirectamente los dispositivos a la redHSE.

Figura 14: Lazo de controlcompleto basado en FieldbusFoundation


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Figura 15: Transmisin de datos sincronizada con respecto auna lista de transmisin

3.2.

El control est en lared

A diferencia de las redes PROFIBUS,las redes Fieldbus Foundation norequieren un master de bus de campoexplcito (por ejemplo, un PLC). Eldispositivo master de enlace (LinkMaster Device) que acta comoprogramador activo de enlace (LAS,del ingls Link Active Scheduler)garantiza que los bloques funcionalesse ejecutan siguiendo la secuenciatemporal correcta (programacin). Elprogramador ajusta previamente elreloj del enlace correspondiente.

Existen tres mecanismos decomunicacin entre los distintosenlaces:

Editor / subscriptorCliente / servidorDistribucin de informes

Editor / Subscriptor

La memoria de este mecanismo es de1 a n. En este caso, slo lainformacin relevante ms reciente se

encuentra disponible en la red, ya quelos datos nuevos reemplazan a losantiguos. Este tipo de conexin seutiliza en unidades de campo detransferencia de datos cclicos, porejemplo, para el intercambio deseales entre la entrada y la salida delos bloques funcionales.

Cliente / ServidorEl mecanismo cliente / servidor seutiliza en comunicaciones acclicas 1:1entre los dispositivos iniciadas por elusuario. Ejemplos tpicos son lasfunciones de ajuste de puntos deconsigna, reconocimiento de alarmas,y carga y descarga de archivos deconfiguracin.

Distribucin de informesLa especificacin en s describe el tipode comunicaciones de la distribucinde informes. Se utiliza paraintercambiar datos acclicosorientados a la aplicacin en unarelacin de 1 a n. Un ejemplo de estemecanismo lo constituyen losinformes de tendencias o las funciones

de registro de alarmas.

Anlogamente, la especif icacin de latecnologa Fieldbus Foundationdescribe tres tipos de dispositivos:

Dispositivos bsicos,Dispositivos master de enlace, yDispositivos de enlace, que admitenun diseo redundante paragarantizar una mayor disponibilidad.

A diferencia de los dispositivosbsicos, los dispositivos master deenlace son capaces de asumir el papeldel LAS. Un enlace H1 consta devarios dispositivos bsicos ydispositivos master de enlace. Estosltimos enlazan los segmentos H1individuales al eje vertebral HSEpermitiendo as que la aplicacin sedistribuya por los diferentes enlacesH1 (reedicin)


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3.3.

Programador activode enlace (LAS)

El LAS controla el intercambio dedatos cclicos de enlace de FieldbusFoundation y genera los impulsos delsegmento H1. Para poderdesempear esta tarea, el LAS recibe

una lista de las velocidades detransmisin de todos los datos cclicosy la informacin sobre los tiempos deprocesamiento de los bloquesfuncionales de los dispositivosconectados. Estos tiempos, sumados alos bloques de tiempo adicionalesreservados para la comunicacinacclica, determinan el macrociclo(configurable) de la aplicacin.

El LAS enva la solicitud detransmisin de los datos de losdispositivos de forma consecutiva acada usuario. A continuacin, undispositivo enva su informacin(valores de salida de los bloquesfuncionales) como un mensaje dedifusin general al bus. El resto de losdispositivos pueden recibir y procesar

estos datos. Adems del intercambiode datos cclicos (comunicacincclica), es posible realizar unintercambio de datos acclicos(comunicacin acclica) con la ayudadel mecanismo editor-subscriptor, porejemplo, para la lectura y escritura deparmetros. Normalmente, este tipode comunicacin recurre almecanismo cliente-servidor. Ladistribucin de informes se utilizapara el envo de grandes cantidadesde datos.

El LAS tambin mantiene una lista,llamada Live List, detodos losdispositivos conectados al bus. Dadoque en cualquier momento es posibleincorporar o quitar dispositivos delbus, esta lista se actualizaautomticamente. El LAS asume latarea de sincronizacin propia del busy para ello, enva cclicamente marcas

temporales. Todos los dispositivosdeben disponer de las mismas marcastemporales, ya que constituyenprecisamente la base para latransferencia de datos cclicos y laejecucin de los bloques funcionalesde la aplicacin.

Figura 16: Acciones sincronizadas y comunicacin no

sincronizada


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3.4.

La aplicacin se

genera a partir debloques funcionales

Como es habitual en la programacinde PLC, la aplicacin estdeterminada por la combinacin delos bloques funcionales y por el enlace

de las entradas y salidas. Confrecuencia, el PLC utiliza distintostipos de buses de campo para, porejemplo, conectar las seales deentradas y salidas, los datosprocedentes de unidades de campointeligentes conectadas a sistemasPROFIBUS, HART, o los sistemas AS-ia sus propios bloques funcionales.

El bloque funcional especfico Bloquefuncional flexible (FFB, tambindenominado bloque funcional definidopor el usuario) puede utilizarse paraconectar la lgica de procesamiento,es decir, los bloques funcionales delPLC, a los bloques funcionales delsistema Fieldbus Foundation. Existendos tipos de bloques: por un lado, losFFB preconfigurados con un nmero ytipo estipulados de parmetros deentrada y salida, en los que slo esposible programar el algoritmo. Porotro, los FFB completamenteprogramables, que se utilizan enaplicaciones complejas ya quepermiten tanto la configuracin de

distintos parmetros y tipos deentrada y salida como la configuracinde algoritmos. Es decir, permiten

integrar distintas estrategias decontrol, como el control de laadquisicin de datos, elprocesamiento por lotes, loscontroles secuenciales del PLC, lagestin de quemadores, el controlcoordinado de unidades y actuadores,y las interfaces de E/S incluidos losgateways a otras redes de dispositivos

de la instalacin.

Este tipo de aplicacin por bloquesfuncionales se utiliza en las dosvariantes de la tecnologa FieldbusFoundation, la H1 y la HSE.

3.5.

Descripcin eintegracin de los

dispositivos de busde campo

El objetivo de las descripciones dedispositivos consiste en ofrecer unadescripcin transparente de lafuncionalidad de una unidad decampo. Describen los parmetros delos bloques funcionales de losdispositivos asociados adems degarantizar la existencia de textos deayuda y de relaciones entre losparmetros. El contenido de lasdescripciones de objetos se inserta enlnea y se archiva en el diccionario deobjetos (OD).

Los datos slo estn disponibles unavez que se han combinado los OD enlos dispositivos de campo virtuales(VFD, del ingls Virtual Field Devices).As, los VFD constituyen lavisualizacin de los datos locales deldispositivo. Es posible acceder enlnea a la funcionalidad real de undispositivo, por ejemplo, el nmero

de veces que puede generarse paraun bloque funcional o, sin necesidadde conectarse a la red, consultar losarchivos que incluyen esafuncionalidad. La herramienta deconfiguracin lee esta informacin yofrece el entorno de programacintpico para la definicin de laaplicacin.

Nota:Parte de la informacinanterior sobreFieldbus Foundationprocede de publicaciones de MartinaWalzer.


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4. Ethernet

Hoy en da, Ethernet Industrial es unode los temas de debate msrecurrentes de la ingeniera deautomatizacin y procesos: acabarsustituyendo Ethernet a los buses decampo tradicionales o slo loscomplementar?

En realidad, Ethernet no est

diseado para establecer una red enel nivel de campo. Para ello existenexcelentes buses de campo con undiseo optimizado adaptado a losrequisitos propios de lascomunicaciones de campo. Entonces,por qu existe una demanda tanimportante de Ethernet Industrial? Lasrazones son las siguientes:

Costes reducidos y ampliaaceptacinEthernet es un protocoloampliamente aceptado que cuentacon el apoyo de la IEEE y de loscomits internacionales deEstandarizacin. Adems, Ethernetcuenta con una importante difusinen aplicaciones ofimticas.

VelocidadLos ltimos avances en tecnologaEthernet incluyen Fast EthernetyGigabit Ethernet. Fast Ethernet (100Mbit/s) es actualmente unatecnologa de vanguardia. GigabitEthernet, con sus 1000 Mbit/s, seconsidera la tecnologa del futuro.

Integracin con Internet/IntranetTodas las redes Ethernet instaladas soncompatibles con protocolos decomunicaciones que implican unasofisticada transferencia de datos y lascaractersticas propias de laadministracin de redes. El msextendido es el protocolo TCP/IP, debidoa sus posibilidades de conexin a Internety a intranets corporativas. Las islas decontrol son, por lo tanto, una reliquia delpasado. Ethernet permite implantar unacomunicacin universal desde el nivel decampo hasta el nivel de gestin, e inclusoabarcar todo el mundo.

4.1.

Modo de operacin

Originalmente, Ethernet se basaba enel procedimiento CSMA/CD (delingls Carrier Sense Mltiple Access/Collision Detection), lo que implicaba lanecesidad de que el usuario quedeseaba enviar algo observase la red einiciase el envo cuando sta estuvieselibre. Poda ocurrir que varios usuariosdesearan iniciar un envosimultneamente, si todosconsideraban que la red estaba libre.Cuando se detectaba esta colisin, los

usuarios se vean obligados a detenerla transmisin y volver a intentarlo trasun tiempo de espera controlado demanera aleatoria, lo que contribua aevitar otra futura colisin con unelevado grado de probabilidad. Estetipo de acceso tiene un principio nodeterminista que, en el mejor de loscasos, permite obtener estadsticassobre las opciones de acceso a la red.Con estos antecedentes, Ethernetadquiri fama de resultar inadecuadopara aplicaciones en tiempo real(vase tambin el apartado 4.2.Capacidad en tiempo real).

Topologa

Estructura linealRaras veces se utiliza debido a que,en caso de fallo de un elemento deconexin o enlace, se interrumpe lacomunicacin entre usuarios oequipos individuales.Estructura en estrellaEsta topologa est mucho msextendida pero debe tenerse encuenta que en caso de fallo delelemento de conexin central(switch) se interrumpe lacomunicacin en red. Esteinconveniente slo puede

eliminarse mediante un diseoredundante del elemento deconexin central.Estructura en anilloEsta estructura se utiliza confrecuencia para obtener una mayordisponibilidad. Desde 1990, con laaparicin de la norma IEEE 802.1D,denominada rbol de expansin,esta estructura puede aplicarse enla conexin de enlacesredundantes.

Figura 17: Colisin en la comunicacin Ethernet


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4.2.

Capacidad en tiempo

real

Si el sistema de comunicacionessatisface los requisitos temporales deuna aplicacin especfica, se consideraque las comunicaciones son en tiemporeal (desde el punto de vista de dicha

aplicacin). En ese caso, se entiendeque los mensajes llegarn en unaventana de tiempo especfica y, por lotanto, que la aplicacin puedecontrolarse con una precisinadecuada (tiempo real flexible). Porotro lado, si se requiere que lascomunicaciones estnobligatoriamente garantizadas y quese realicen en un instante especficopreciso, se habla de tiempo realestricto.

A continuacin se demuestra que,incluso hoy en da, Ethernet puedegarantizar un tiempo de propagacinmximo y, en ese sentido,considerarse determinista.

Probabilidad de colisinSi se produce poco intercambio dedatos en la red, la probabilidad decolisin es muy baja. No obstante,esta probabilidad aumentaexponencialmente con el incrementodel intercambio de datos. Muchos

enfoques asumen que con unautilizacin de la red inferior al 10% sepueden evitar las colisiones. Sinembargo, el problema reside en que,por un lado y de todos modos, sepueden producir colisiones aunque laprobabilidad sea muy pequea, y porotro, que el ancho de banda utilizadopor Ethernet sigue siendo muy bajo.Esta forma de resolver el problemano representa en absoluto unamanera adecuada de adaptarse a losrequisitos de la automatizacin.

Segmentacin mediante

switchesLa segmentacin, es decir, dividir lasredes mediante switches, constituyeun enfoque totalmente diferente yaque permite evitar por completo lascolisiones. Cada usuario de la red seconecta a travs de un switch, esdecir, slo existen conexiones casipunto a punto, que se denominandominios de colisin.Independientemente del coste, unaspecto fundamental es que losswitches son inteligentes, analizan lospaquetes de datos entrantes y los

direccionan exclusivamente de lamanera estipulada. De este modo seconsigue una latencia mucho mayorque con los concentradores purosque, adems, estn sujetos afluctuaciones que se traducen endesviaciones temporales pulsadas.

Organizacin de las

comunicacionesEl intercambio de datos entre lasestaciones se organiza en base altiempo, para evitar as las colisiones yhacer el mejor uso posible del anchode banda Ethernet existente.

Figura 18: Topologas con comunicaciones Ethernet

Figura 19: Switch Ethernet


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Procedimiento de la ventana detiempoComunicacin cien por ciensncrona, con ventanas de tiempoestipuladas y con una ventana detiempo fija para cada elemento deinformacin y para cada dispositivo.La comunicacin asncrona como,por ejemplo, la TCP/IP, no es

posible en este caso porque, deserlo, no se podran garantizar lostiempos de muestreo. Este tipo dered debe independizarsetotalmente, ya que no permiteningn tipo de intercambio dedatos asncrono.Sincronizacin temporalComunicacin sncrona y asncronaque detecta y compensa lasdesviaciones. Asigna un paquete dedatos a un instante y permite lacomunicacin TCP/IP. El principioen el que se basa esta solucinEthernet-TCP/IP es unprocedimiento de sincronizacin derelojes. Los datos tiles setransfieren de manera asncronaimprimindoles una marca detiempo. Por su parte, estos datos sesincronizan con el instante demuestreo relevante en base altiempo sincronizado.

4.3.

Normas de

automatizacin

La disponibilidad de soluciones entiempo real resultar crucial para queEthernet gane aceptacin en el sectorde la automatizacin. Actualmente,este requisito est contemplado en

cinco protocolos, algunos de loscuales se encuentran recogidos bajo elparaguas de la asociacin IAONA. Acontinuacin se describen losprotocolos:

PROFInet(asociacin de usuarios dePROFIBUS)Powerlink(grupo empresarial: B&R,Hirschmann, Lenze, Kuka, ZHW)Ehternet/IP(ODVA)IDA(asociacin de usuarios de IDA)HSE(Fieldbus Foundation)

4.3.1. PROFInetPROFInet se desarroll con elobjetivo de favorecer un proceso deconvergencia entre la automatizacinindustrial y la plataforma detecnologa de la informacin degestin corporativa y redes globalesde las empresas. PROFInet se aplica alos sistemas de automatizacin

distribuida basados en Ethernet queintegran los sistemas de bus de campoexistentes, por ejemplo PROFIBUS,sin modificarlos.

PROFInet

Es una solucin de automatizacindistribuida: el modelo decomponentes PROFInet divide elsistema general en mdulostecnolgicos.El modelo de E/S de PROFInetcontribuye a la integracin deperifricos sencillos distribuidos. Eneste caso se mantiene lavisualizacin de datos de entrada ysalida de PROFIBUS.PROFInetVisualizacin de componentesVisualizacin de datos de E/S

Figura 20: PROFInet


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Dependiendo de los requisitosconcretos, PROFInet ofrece tresmodelos de comunicacin condistintas prestaciones:

Modelo TCP/IP y DCOM paraaplicaciones en las que el tiempo noes crtico,Tiempo real flexible (SRT, del ingls

Soft Real Time) para aplicacionestpicas de automatizacin en tiemporeal (ciclo de tiempo de 10 ms),Tiempo real iscrono (IRT) paraaplicaciones de control demovimiento (ciclos de 1 ms).

La aceptacin de PROFInet en elmercado depende, entre otras cosas,de si los sistemas de bus de campoexistentes pueden o no ampliarse conPROFInet sin incurrir en grandescostes. Los sistemas de bus de campo(PROFIBUS, por ejemplo) puedenintegrarse de dos formas distintas(Figura 21).

Integracin de unidades de busde campo a travs de proxies:cada unidad de campo representaun componente PROFInetindependiente cuya comunicacin

con otros componentes seconfigura mediante el editor deconexiones de PROFInet. En estecaso, el proxy representa a todaslas unidades de campo de lacomunicacin Ethernet.Integracin de aplicaciones debus de campo: el segmento de unbus de campo representa uncomponente de PROFInetindependiente y cuyo proxy (porejemplo, un control) incluye unainterfaz PROFInet. De este modose dispone de todas las funcionesdel bus de campo subordinadocomo si se tratase de uncomponente de Ethernet.

Modelo de componentesNormalmente, los sistemas secomponen de varias subunidades que,en tanto que mdulos tecnolgicos,funcionan de manera bastanteautnoma y se coordinan entre smediante un nmero gestionable deseales de sincronizacin, control desecuencia e intercambio deinformacin.

El modelo de componentes dePROFInet se basa en este tipo demdulos tecnolgicos compuestos deuna combinacin de sistemasmecnicos, electrnicos y programasde usuario, es decir, las partes propiasde una unidad inteligente (vase laFigura 22).

Externamente, la interfaz delcomponente tecnolgico se define de

modo que pueda comunicarse conotros componentes pertenecientes alsistema distribuido. Desde la interfazslo se puede acceder a las variablesnecesarias para interactuar con otroscomponentes. En el caso de laingeniera de sistemas, lacomunicacin entre los componentesy sus dispositivos est definida por lainterconexin entre las interfaces delos componentes y la aplicacinespecfica.

Figura 21: Arquitectura PROFInet

Figura 22: Visualizacin de componentes


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Los componentes PROFInetgenerados se interconectan con unaaplicacin a travs del editor deconexiones de PROFInet, con slopulsar con el ratn en una librera.Esta interconexin sustituye ladificultosa programacin de lasrelaciones de comunicacin por unasencilla configuracin grfica.

PROFInet I/OEl modelo de componentes PROFInetresulta adecuado para unidades decampo inteligentes y controladoresprogramables. Al igual que conPROFIBUS, la visualizacin de lasentradas y salidas de PROFINETpermite acceder a la descripcin delas unidades de campo, con lo que,adems, se integran los perifricosdistribuidos en PROFInet. La principalfuncin de esta integracin es que elprograma usuario PLC procese losdatos de entrada y salida de lasunidades de campo distribuidas.

PROFInet I/O ofrece elementos deprotocolo para las funcionessiguientes:

Transmisin cclica de datosproductivosTransmisin acclica de alarmasTransmisin acclica de datos deproceso y de diagnstico

La definicin de PROFInet I/O se basa

en la norma IEC 61158 de modelos dedispositivos. Esta especificacin admitelos siguientes requisitos: conversinsencilla de un dispositivo PROFIBUSDP contemporneo (master o slave) aun dispositivo PROFInet I/O(controlador de E/S o dispositivo de E/S) y, siempre que sea posible,manteniendo la misma visualizacin delos dispositivos de E/S que la disponibleen la actualidad con dispositivosesclavos de PROFIBUS DP (desde elpunto de vista tcnico, HMI, programade usuario, servidor OPC...).

Comunicacin en tiempo realTiempo real flexible (SRT). Parapoder satisfacer las exigencias detiempo real de la automatizacin entiempos de ciclo inferiores a 10 ms, laversin 2 de PROFInet especific uncanal de comunicaciones en tiemporeal optimizado basado en Ethernet(Capa 2). Esta solucin reduce los

tiempos de ejecucin de la pila decomunicacin y mejora el rendimientoen lo que se refiere a la velocidad deactualizacin de los datos deautomatizacin.

El tiempo real iscrono (IRT) estdisponible en la versin 3 dePROFInet. PROFInet responder as alos requisitos de tiempo real estrictode las aplicaciones de control demovimiento (150 ejes con tiempos deciclo de 1 ms y pulsaciones de 1 s).

4.3.2 PowerlinkEl objetivo del desarrollo de EthernetPowerlink consisti en aplicar latecnologa Ethernet estndar a laingeniera de automatizacin, encondiciones de tiempo real adversas.Adems de utilizar los componentescomercialmente disponibles y degarantizar un intercambio de datostransparente en todos los niveles dered, se pretenda garantizar unarespuesta predecible en el tiempopara las comunicaciones entre las

diferentes secciones del sistema.

El concepto consiste en conectartodos los dispositivos a la red, desdeel control en lazo abierto hasta lossistemas de control y actuadoraltamente dinmicos, pasando por elnivel de entradas y salidas, medianteuna conexin Ethernet estndar encondiciones de tiempo crticas oconvencionales. En ambos casos debeexistir compatibilidad con los serviciosde Internet ms extendidos, comonavegadores o intercambio dearchivos va ftp.

ImplementacinEl uso deseado de Ethernet Powerlinken la automatizacin de equipos ysistemas permite considerar elintercambio de datos prioritarios enuna red local de manera aislada. Laconexin a la red empresarialtradicional puede realizarse medianteun puente. Con esta separacin se

evitan colisiones imprevisibles condispositivos que no disponen deEthernet Powerlink. En los casos enlos que se opera con un tiempo realreducido, los dispositivos EthernetPowerlink tambin pueden funcionaren red sin esta separacin.

Protocolo

El intercambio de datos se organizade manera estricta medianteprocedimientos de ventanastemporales o Slot CommunicationNetwork Management (SCNM).

Las pilas de comunicacin delprotocolo TCP/UDP/IP se sustituyenpor las pilas en tiempo real dePowerlink. Una de las estaciones de lared Ethernet Powerlink asume lafuncin de administrador, controlandolas comunicaciones y determina lahora de reloj para la sincronizacin detodos los usuarios. El resto de lasestaciones (controladores) slopueden realizar envos si reciben

autorizacin del administrador. Todaslas dems estaciones pueden recibirlos datos (emisin).

El intercambio de datos en la red serealiza de manera deterministamediante ciclos iscronos. Eladministrador puede configurar eltiempo del ciclo.

Con la SCNM, el nmero de usuariosque como mximo puedenconectarse a la red Ethernet


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Powerlink depende del tiempo deciclo establecido. No obstante, nosuele ser necesario que todos losusuarios enven datos prioritarios encada ciclo. Por ejemplo, en el caso deuna conexin controlador/actuador, eleje master transmite las variables deposicin y referencia de cada cicloque, normalmente, sern recibidas

por un eje esclavo que sloocasionalmente necesitar enviar suspropia informacin de estado. Por lotanto, en Ethernet Powerlink sedefinen dos tipos de usuarios:

Clase 1, cclico: el usuario realiza unenvo en cada ciclo,Clase 2, preescalado: el usuariorealiza un envo cada n ciclos. Esposible programar el nmeromximo de intervalos de clase 2por ciclo que est condicionado porel ciclo de tiempo y el nmero deestaciones de clase 1. Por estemotivo, el resultado es un ciclopreescalado.

Ethernet Powerlink en unsistema conectado en red a

travs de InternetEl uso de Ethernet en laautomatizacin tiene como principalfinalidad aportar flexibilidad ycomunicacin universal desde el nivelde coordinacin al de E/S, sinlimitaciones geogrficas o de sistema

y mediante el uso del protocolo deInternet (IP). La implementacin deEthernet Powerlink tambin respondea los siguientes requisitos:

comunicacin cclica y acclicamediante Ethernet Powerlinktransmisin y recepcintransparentes de la parte acclica delas tramas estndar de Ethernet, demodo que todos los protocolos yaplicaciones de alto nivel, comoTCP o UDP puedan utilizarlo sinmodificaciones. Adems, puede

utilizarse una estacin EthernetPowerlink a travs de un redEthernet convencional mediante lamisma conexin en el modo bsicode Ethernet. Esto resulta til en elcaso de aplicaciones no prioritarias,como la programacin, la asignacinde parmetros y las pruebas de losdispositivos. Actualmente se esttrabajando en un modo EthernetPowerlink adaptado a condicionesde tiempo real menos exigentes.

Topologas

En el caso de Ethernet Powerlink, esposible aplicar las mismas topologasque con Fast Ethernet, es decir, unmximo de 100 m para la longitud delos segmentos y cable deinterconexin Cat. 5. Tambin esposible utilizar guas de ondas pticas.

Las topologas de red se crean con laayuda de concentradores. No serequiere deteccin de colisiones, yaque en una red Ethernet Powerlink nose producen, y si los concentradoresse instalan en cascada no hay ningntipo de restriccin en la topologa.

Ethernet Powerlink especfica unmximo de diez concentradores enuna ruta de comunicacin.Normalmente, las unidades de campodisponen de un concentradorintegrado que simplifica la estructura.

Uso y Estandarizacin

El hecho de que Ethernet puedautilizarse incluso en condiciones detiempo real adversas ha quedadodemostrado en varias aplicacionesindustriales que abarcan desdemquinas de moldeo por inyeccin detres ejes y ciclos de 400 s, amquinas empaquetadoras de 19 ejesy ciclos de 800 s, pasando porinstalaciones a gran escala quesincronizan 50 ejes y 50 estaciones deE/S con ciclos de 2,4 ms. La utilidadde los nuevos protocolos decomunicacin slo se pondr demanifiesto en la medida en que selleven a la prctica; por esta raznB&R (Bernecker + Rainer) hapublicado el cdigo fuente delprotocolo Ethernet Powerlink.Instituciones independientes como la

Escuela Tcnica Winterthur de Zurich(Zricher Hochschule Winterthur ZHW) y compaas comoHirschmann, KUKA Roboter o Lenzeestn colaborando con los comits deEstandarizacin internacionales paraavanzar en la Estandarizacin. Elobjetivo es comercializar tantosdispositivos terminales de diferentesfabricantes adaptados a EthernetPowerlink como sea posible en unbreve plazo de tiempo.

Figura 23: Estructura del sistema Powerlink


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4.3.3 Ethernet/IPA principios de 1998 un grupo deinters especial de ControlNetInternational defini unprocedimiento para el uso enEthernet del protocolo de aplicacinCIP (vase la Seccin 5.4.,DeviceNet), publicado anteriormenteen el marco de ControlNet y

DeviceNet. Basndose en estatecnologa, en marzo de 2000ControlNet International (CI) y laOpen DeviceNet Vendor Association(ODVA) presentaron Ethernet/IP, conla asistencia de la Industrial EthernetAssociation(IEA).

Ethernet/IP es una red abierta

debido a que:est basada en la normativa IEEE802.3es compatible con la popular familiade protocolos TCP/IPpermite el uso de aplicaciones decontrol con el protocolo de controle informacin CIP, utilizado comoprotocolo de aplicacin para E/S entiempo real.

El protocolo CIP ofrece una ampliagama de servicios estndar paraacceder a los datos y controlar losdispositivos conectados a la red atravs de mensajes implcitos yexplcitos.

CIP utiliza mensajes implcitos pararegular el intercambio de datoscclicos en los que la estacionesimplicadas estn al tanto de losdatos que se esperan: bloques dedatos puros muy compactos conmuy poca cabecera, datos tpicos deE/S a travs de conexiones de E/S.Todos los mensajes individuales quese envan una nica vez utilizan eltipo explcito asociado, porejemplo, todos los mensajespregunta-respuesta entre el clientey el servidor.

Fundamentalmente, Ethernet/IPpuede considerarse como laampliacin industrial de EthernetTCP/IP, puesto que los mensajes CIPde la capa de aplicacin seempaquetan, medianteencapsulacin, en las tramas TCP/IPcomo datos de usuario . De estemodo, una aplicacin puede enviar sus

datos a otra aplicacin a travs deEthernet; en caso necesario, laaplicacin genera automticamente unmensaje CIP y lo encapsula paraconvertirlo en un paquete TCP/IP,algo similar a introducir una carta enun sobre. Este mensaje empaquetadose enva a travs de Ethernet hasta eldispositivo de destino en el que, unavez recibido, el protocolo TCP/IP lovuelve a enviar al protocolo deencapsulacin para desempaquetarel mensaje original CIP (sacarlo delsobre) y volver a enviarlo, a travs delprotocolo CIP, hasta la aplicacinreceptora. En principio, es posibleestablecer este tipo de enlace deaplicacin entre todos los usuarios delprotocolo de aplicacin CIP, incluso siproceden de distintos fabricantes oestn ubicados en redes diferentes.Esto significa que a travs de TCP/IP,

Ethernet/IP puede enviar mensajesexplcitos, que es el nombre quereciben los mensajes a modo detelegramas que contienen informacine instrucciones sobre el protocolopreciso para su posterior utilizacinen el campo de datos. El receptordebe interpretar los mensajesexplcitos como instrucciones,

ejecutarlas y generar una respuesta.Este modo verstil de intercambio dedatos se utiliza, por ejemplo, para laconfiguracin, programacin ydiagnstico de dispositivos concantidades variables de datos. Entanto que protocolo de transferenciaorientado a la conexin, TCP tambinresulta muy adecuado para dichasaplicaciones.

Figura 24: Estructura del sistema Ethernet/IP

No obstante, la comunicacin entiempo real impone requisitos algodistintos. En ese caso, Ethernet/IP noutiliza el protocolo TCP sino UDP vaIP (Internet Protocol). Bsicamente,este protocolo resulta ms compacto,por lo que es compatible con losdenominados mensajesmultidifusin (recepcin simultneapor varios usuarios) y puede serutilizado por Ethernet/IP para el envo


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de los denominados mensajesimplcitos. En este tipo de mensajestelegrficos, los campos de datos yano incluyen la informacin deprotocolo sino slo datos de entraday salida en tiempo real. La aplicacinreceptora ya conoce cmo debeinterpretar estos datos, puesto que yalo ha negociado durante la

configuracin de la conexin. Es decir,que los telegramas implcitos seenvan a travs de un conexin virtualexistente entre los usuarios y seactualizan de manera constante ycclica en cortos intervalos de tiempocon seales de E/S y datos recientes yactualizados. En este caso la cabeceraes mnima, a fin de que los mensajesse procesen muy rpidamente y conprioridad (ese es justamente elrequisito de las tareas de control enlas que el tiempo es crtico).

En consecuencia, Ethernet/IP combinael protocolo TCP/IP y los telegramasde datos UDP/IP para el transportede paquetes de mensajes explcitos eimplcitos, lo que significa que, en estecaso, tanto los datos de entrada ysalida en tiempo real para las tareasde control prioritarias (UDP) comolos datos de informacin (TCP) deuna red pueden utilizarse en paralelo.Por consiguiente, Ethernet/IP resultaideal para las tareas de

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