Buses de Campo: Fundamentos y Aplicaciones

Los buses de campo ofrecen ventajas significativas en la comunicación industrial:

• Permiten la transmisión de mayor cantidad de información.
• Son multipunto (varios dispositivos conectados a un mismo cable, reduciendo el cableado).
• Posibilitan la creación de redes.
• Robustez (fácil detección de errores al tener solo dos estados: 0 y 1).
• Interoperabilidad.
• Comunicación:
  • Maestro-esclavo: Profibus, HART (analógico y digital).
  • Editor-suscriptor: Foundation Fieldbus (solo digital).
  • Fuente-sumidero: solo cuando cambia un estado.

Comunicación Digital: Conceptos Clave

La comunicación digital es la transmisión de datos en serie, entre dos o más dispositivos, en forma binaria (0 y 1). Los componentes esenciales son:

• Fuente de datos.
• Transmisor.
• Canal de comunicación.
• Receptor.
• Destino de los datos.

Ethernet en el Entorno Industrial

Ethernet se refiere a una aplicación estándar que incluye cableado, conectores y hardware. En entornos industriales, estos componentes pueden estar expuestos a ruido, vibraciones, temperaturas extremas, etc. Las redes de protocolo Ethernet garantizan la interoperabilidad entre dispositivos inteligentes y máquinas.

Diferencia entre Red y Protocolo Ethernet

La red comprende los componentes físicos y el hardware para la transmisión de mensajes. El protocolo es el lenguaje binario que opera sobre la red.

Buses de Campo Fieldbus: Características y Beneficios

Fieldbus es un sistema de comunicación digital, serie y multipunto, que interconecta equipos de medida y control. Funciona como una red local en tiempo real, ofreciendo bajo costo y alta fiabilidad. Es un sistema abierto.

Tecnologías de Comunicación

1. Punto a punto analógica.
2. Punto a punto digital.
3. Punto a punto híbrida.
4. Punto a punto digital con bus de campo.

Ventajas de los Buses de Campo

• Reducción de costos.
• Alta fiabilidad y precisión.
• Menor cableado.
• Acceso a múltiples variables.
• Calibración, configuración y diagnóstico remotos.

Inconvenientes de los Buses de Campo

• Diversidad de buses de campo en el mercado.
• Costo de los dispositivos.
• Diferencias entre DSV, Fieldbus e instrumentación.
• Incertidumbre sobre su futuro.

Comunicación Punto a Punto Analógica

Ventajas:

• Buena respuesta frecuencial del canal.
• Información continua disponible para el controlador.
• Facilidad de uso y comprensión.
• Cableado simple.
• Tecnología probada y robusta.

Desventajas:

• Comunicación unidireccional.
• Gran cantidad de cableado.
• Susceptibilidad al ruido.
• Requiere un mínimo intercambio de datos.

Concentradores y Multiplexores

Se utilizan para reducir y simplificar el cableado. Ofrecen canales bidireccionales y permiten la carga y descarga de programas.

Estructura de Capas del Bus de Campo

1. Capa física: Define la velocidad de transmisión, el número de dispositivos conectables, la longitud máxima del cable y el medio de transmisión.
2. Capa de enlace: Controla el acceso al medio.
3. Capa de usuario: Se encarga de la función de automatización. Prepara una estructura con funciones de entrada, salida y control, en forma de funciones básicas o programas. Incluye bloques funcionales que representan funciones básicas de automatización.

Clasificación de los Buses de Campo

Según la aplicación y el tipo de datos, se clasifican en:

1. Buses de sensor: Eliminan el cableado punto a punto, manejan datos en bits y ofrecen alta velocidad de transmisión.
2. Buses de dispositivos: Solución intermedia, rápidos, síncronos y orientados al sistema y a la gestión de variables analógicas. La información se transmite en mensajes de bytes u octetos.
3. Buses de campo: Permiten la comunicación de todos los dispositivos de campo. Ofrecen seguridad intrínseca mediante paquetes de información.

Foundation Fieldbus: Arquitectura y Componentes

Foundation Fieldbus se compone de dispositivos de campo y equipos de control/monitorización. Los equipos proporcionan E/S y control para procesos automáticos. Ofrece seguridad intrínseca (limitando la corriente). Su arquitectura es compleja. Permite la conexión de hasta 32 dispositivos por segmento (tipo 1) y también de tipo 2. Utiliza dispositivos inteligentes y elimina problemas de compatibilidad. Permite interconectar y operar dispositivos de diferentes fabricantes. Se utiliza para visualización de históricos, alarmas y conexión de bloques.

Componentes a Nivel Físico

• Fuente de alimentación.
• Terminador de bus.
• Barreras de seguridad intrínseca.
• Concentrador de fibra óptica.
• Convertidor de fibra óptica a cable.

Interoperabilidad en Foundation Fieldbus

Se define como la capacidad de interconectar y operar dispositivos de varios fabricantes en una misma red sin pérdida de funcionalidad.

Topologías de Foundation Fieldbus

• Bus.
• Ramales.
• Árbol.

Snack de Comunicaciones

Se compone de tres niveles:

1. DLL (Data Link Layer): Enlace de datos con dos niveles de operación: acceso al bus y control de la transparencia de datos.
2. FAS (Fieldbus Access Sublayer): Subnivel de acceso a Fieldbus. Incluye los servicios: publicador-suscriptor, distribución de errores y cliente-servidor.
3. FMS (Fieldbus Message Specification): Especificación de mensajes Fieldbus.

Configuración a Nivel de Usuario

Se dispone de tres bloques:

1. Bloque de recursos: Describe las características del dispositivo (nombre, fabricante, modelo y serie).
2. Bloque transductor: Acopla las señales físicas de E/S.
3. Bloque de función: Constituye las estrategias de control del sistema. Reside en los dispositivos y consta de E/S, parámetros y algoritmo.

Profibus: Características y Perfiles

El objetivo de la red Profibus es integrar todos los equipos de automatización en una misma red. Es una red abierta y utiliza los niveles 1, 2 y 7 del modelo OSI. Dispone de tres perfiles o capas de usuario:

1. Profibus DP (Decentralized Periphery): Diseñada para el intercambio de datos a nivel de campo.

• Tipos de DP: DP maestro clase 1 y 2, DP esclavo.
• Características:
  • Hasta 126 dispositivos permitidos en el bus.
  • Procedimiento de testigo entre maestros y maestro-esclavo entre maestros y esclavos.
• Funciones básicas:
  • Transmisión cíclica de datos.
  • Activación/desactivación de esclavos individuales.
  • Chequeo de configuración de esclavos.
  • Funciones de diagnóstico.
  • Sincronización de E/S.

Las comunicaciones pueden ser punto a punto o maestro-esclavo cíclicas. Transmisión cíclica de datos de E/S. Sincronización de entradas y salidas.

Profibus FMS (Fieldbus Message Specification): Comunicación a nivel de celda (capa 7). Los PLCs y PCs se comunican entre ellos. Consta de FMS y LLI.

• Servicios:
  • Establecimiento de conexiones lógicas.
  • Acceso a variables.
  • Asignación de memoria.
  • Control de programas.
  • Transmisión de mensajes de alarma.

Profibus PA (Process Automation): Define los parámetros y prestaciones de los dispositivos.

• Interoperabilidad:

1. Conocimiento de la estructura de la información (parámetros de proceso, de servicio y específicos del fabricante).
2. Estandarización en descripciones (fichero DD, fichero GDS: parámetros de comunicación (especificaciones generales, relativas al maestro y relativas al esclavo)).

Protocolo de Comunicaciones HART

El protocolo HART (Highway Addressable Remote Transducer) incrementa la capacidad de transmisión de información digital. Utiliza canales analógicos y digitales.

Ventajas de HART

• El cableado y las estrategias de control permanecen inalterables.
• La información digital transmitida se puede utilizar durante la instalación, calibración, mantenimiento y operación.
• Permite comunicaciones bidireccionales.
• Los parámetros de los instrumentos se pueden consultar y ajustar desde cualquier posición del cable.
• Conexión de múltiples instrumentos inteligentes a un mismo cable.
• Soportado por la mayoría de los suministradores de instrumentos.

Modos de Comunicación HART

1. Comunicación simultánea en analógico y digital: Con respuesta de 500 ms. Maestro-esclavo o solo digital con los dispositivos de campo.
2. Solo digital:

• Punto a punto: Señal de 4 a 20 mA para transmisiones analógicas. Medida, ajuste, datos y parámetros digitalmente.
• Multipunto: Máximo 15 dispositivos en un único par de cables, para supervisión.

Ethernet en la Industria: Justificación y Aplicaciones

Ethernet es una familia de productos de redes de área local (LAN) cubiertos por el estándar IEEE 802.3. Utiliza el protocolo de acceso múltiple por «censado del medio» y «detección de colisiones».

Justificación del Uso de Ethernet en la Industria

• Columna vertebral de las redes de comunicación.
• Prioridad de datos en tiempo real.
• Gestión basada en web y escalabilidad del ancho de banda.
• Bajo precio debido a su comercialización.

Respuesta a la Saturación del Mercado

Ethernet se emplea como solución para aplicaciones de alta velocidad debido a la saturación del mercado por las tecnologías de buses. Es una tecnología de hardware que cumple con casi todos los requerimientos de los buses industriales. Es capaz de servir potencialmente al 70% de las aplicaciones de redes industriales.

El Problema de la Interoperabilidad en Ethernet

Ethernet y TCP/IP no garantizan la interoperabilidad (no garantizan que dos dispositivos distintos conectados al mismo cable puedan comunicarse). Según el modelo OSI, Ethernet es una especificación de nivel físico y de enlace que define las características eléctricas de la red. TCP/IP opera en los niveles de red y transporte; empaqueta, transmite y reconstruye los datos.

Conclusión: OPC como Solución a la Interoperabilidad

OPC (OLE for Process Control) resuelve el problema de la interoperabilidad en entornos industriales.