protocolos industriales - Repositorio Institucional de la Universidad

UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
"PROTOCOLOS INDUSTRIALES"
MONOGRAFÍA
QUE PARA EVALUAR LA EXPERIENCIA RECEPCIONAL (MEIF), DEL
PROGRAMA EDUCATIVO DE INGENIERÍA EN INSTRUMENTACIÓN
ELECTRÓNICA
PRESENTA:
JOEL ADRIÁN AMADOR LÓPEZ
DIRECTORES:
M.C. ÁNGEL EDUARDO GASCA HERRERA
M.C. JACINTO ENRIQUE PRETELIN CANELA
XALAPA-ENRÍQUEZ,VERACRUZ.
JUNIO 2015
Contenido
Introducción: ................................................................................................................................. 1
Capitulo I. Conociendo los Sistemas de Comunicación ................................................... 3
1.1 Redes industriales........................................................................................................................... 3
1.1.1 Vista general de la automatización .................................................................................................. 4
Arquitecturas del control industrial........................................................................................................... 5
Control distribuido ............................................................................................................................................ 6
Interface al proceso ........................................................................................................................................... 6
Control multicapa............................................................................................................................................... 6
1.1.2 Niveles en sistemas de automatización industriales ............................................................... 7
1.2 -Comunicaciones Industriales .................................................................................................... 9
1.2.1- Clasificación de las redes industriales ....................................................................................... 10
1.3- Conociendo los sistemas de comunicación ........................................................................ 14
1.3.1 Red de comunicación .......................................................................................................................... 14
1.3.2 Arquitectura de una red .................................................................................................................... 17
1.3.3 Protocolos de Comunicación ........................................................................................................... 18
1.3.4 Modelo de interconexión de sistemas abiertos ....................................................................... 19
Capitulo 2. Elementos que constituyen un protocolo industrial de
comunicaciones........................................................................................................................ 23
2.1 Historia del FOUNDATION Fieldbus....................................................................................... 24
2.2 Fieldbus FOUNDATION ............................................................................................................... 25
2.3 Beneficios del Fieldbus............................................................................................................... 26
2.4 Tecnología de Fieldbus Foundation....................................................................................... 28
2.4.1 Versiones de FieldBus ........................................................................................................................ 30
2.4.2 Interoperabilidad ................................................................................................................................. 30
2.4.3 Modelo de las comunicaciones ....................................................................................................... 31
2.5 PROFIBUS ........................................................................................................................................ 34
2.5.1 Variantes de Profibus ......................................................................................................................... 35
2.5.2 Tecnologías de transmisión ............................................................................................................. 39
2.5.3 Interoperabilidad e intercambiabilidad ..................................................................................... 43
2.5.4 Características de los medios de transmisión .......................................................................... 45
2.6 Arquitectura del protocolo ....................................................................................................... 46
2.7 Método de acceso al medio ....................................................................................................... 47
2.8 Protocolo HART............................................................................................................................. 48
2.8.1 Desplazamiento en Frecuencias ..................................................................................................... 49
2.8.2 Redes HART ............................................................................................................................................ 51
2.6.3 Modos de comunicación .................................................................................................................... 52
2.6.4 Niveles de señal..................................................................................................................................... 53
2.6.5 Modelo del protocolo HART............................................................................................................. 53
2.9 Estructura del mensaje HART .................................................................................................. 54
2.10 Longitud y cableado .................................................................................................................. 56
2.10 Ventajas de la tecnología HART ............................................................................................ 58
Capitulo 3. Aplicación del uso del bus de campo. ........................................................... 60
3.1 Propuesta de aplicación utilizando PROFIBUS-DP........................................................... 61
3.1.1 Elementos para la aplicación de una red Profibus en un sistema de control. ... 61
3.1.2 PLC S7-226 .............................................................................................................................................. 63
3.1.3 Modulo EM227 ...................................................................................................................................... 64
3.2 Operación de bombeo mediante un sistema local............................................................ 66
Conclusiones: .............................................................................................................................. 69
Glosario ........................................................................................................................................ 72
Índice de Figuras
Fig.1.1. Control multicapa ...................................................................................... 7
Fig.1.2. Pirámide CIM ............................................................................................ 9
Fig.1.3. Clasificación de la redes industriales en el siglo XXL ............................... 10
Fig.1.4. Autómata programable que se conecta con los diversos sensores y
activadores a través de terminales independientes ....................................... 12
Fig.1.5. Conexión de los dispositivos de campo con un autómata programable a
través de una red o bus de campo.. ............................................................... 13
Fig.1.6. Resumen de los principales tipos de topologías.. .................................... 16
Fig.1.7. Niveles de pila OSI .. ................................................................................ 21
Fig.2.1. P&ID planta piloto en Chocolate Bayou.................................................... 25
Fig.2.2. Arquitectura del Fieldbus de control ........................................................ 28
Fig.2.3. Topología punto a punto........................................................................... 31
Fig.2.4. Topología Bus con "spur" o ramal ........................................................... 32
Fig.2.5. Topología Bus. ......................................................................................... 32
Fig.2.6. Topología Daisy Chain. ............................................................................ 33
Fig.2.7.Posibles topologías Fieldbus ..................................................................... 33
Fig.2.8. Profibus DP. Sistema monomaestro......................................................... 36
Fig.2.9. Estaciones Pasivas- Sistema Multimaestro .............................................. 38
Fig.2.10. Comunicación Directa DP-V2 ................................................................. 39
Fig.2.11. Red Rs-485 eléctrica con topología en línea/árbol ................................. 40
Fig.2.12. Configuración de un anillo óptico combinado a una red eléctrica ........... 41
Fig.2.13. Configuracióncon DP/PA Link y acoplador DP/PA ................................. 42
Fig.2.14.Topologías línea y árbol .......................................................................... 43
Fig.2.15. Intercambio de dispositivos de otros fabricantes .................................... 44
Fig.2.16 . Interoperabilidad de dispositvos de diferentes fabricantes .................... 45
Fig.2.17 . Arquitectura de Profibus ....................................................................... 46
Fig.2.18 .HART dos canales de comunicación ...................................................... 48
Fig.2.19 . Modulo por desplazamiento en frecuencia ........................................... 49
Fig.2.20 .Principio de transmisión fisica del HART ................................................ 50
Fig.2.21 .Configuración Punto a punto .................................................................. 51
Fig.2.22 .Configuración Multipunto ........................................................................ 52
Fig.2.23 . Lazo de conexión para un dispositivo.................................................... 53
Fig.2.24. Arquitectura HART ................................................................................. 54
Fig.3.1. Unidades ABB .......................................................................................... 62
Fig.3.2. Arquitectura general ABB ......................................................................... 63
Fig.3.3.Funciones básicas del PLC ....................................................................... 64
Fig.3.4.Asignación de la dirección PROFIBUS...................................................... 65
Fig.3.5.Esquema de bombeo y control local.......................................................... 66
Fig.3.6.Interacción de un sistema de control distribuido ........................................ 67
Fig.3.7. Interfaz HMI .............................................................................................. 68
Índice de Tablas
Tabla Nº 1. Etapas de automatización . ................................................................ 26
Tabla Nº 2.Tipos de cables y longitud de segmentos. ........................................... 34
Tabla Nº 3. Estaciones activas y pasivas. ............................................................. 37
Tabla Nº 4. Norma de instalación Profibus. ........................................................... 45
Tabla Nº 5. Señales HART. ................................................................................... 53
Tabla Nº 6.Estructura del mensaje HART. ............................................................ 54
Tabla Nº 7. Especificaciones de ondulación y ruido. ............................................. 57
Tabla Nº 8. Lonngitud de cable y caracteristicas . ................................................. 58
Acrónimos
AC- Corriente Alterna
ANSI - American National Stardards Institute
CIM - Manufactura integrada por computadora
CNC - Control numérico por computadora
DNP - Distributed Network Protocol
DDL - Device Description Languaje
EDD - Descripción de dispositivos electrónicos
FF - Field bus Foudation
FLD - Fieldbus Data Link
FMS - Field Bus Message Specification
FSK - Frequency Shift Keying
GSD - General Station Description
HART - Highway Adressable Remote Transducer
HMI - Human Machine Interface
IEC - International Electrotechnical Committee
I/O - input/output
ISA- International Society for Mensurement and control
C.C - Constant current
ISO- Intternational Organization for Standardization
DCS - Distributed Control System
LAN - Local Area Network
LLI - Lower Layer Interface
mA - Mili Amperios
MES Manufacturing Execution Systems
OLM - Optical Link Modules
PID Proportional-integral-derivative
PLC - Programmable Logic Controller
Profibus - Process Field bus
RCI - Redes de comunicaciones Industriales
SCADA - Supervisory Control Data Adquisition
WAN - Wide Area Network
WorldFIP - Factory Information Protocol
Introducción:
El hombre ha tenido que ingeniárselas creando técnicas, sistemas, tecnología,
métodos que le permitan hacer su vida mas cómoda satisfaciendo sus
necesidades.
Cuanto más ha ido el hombre creando su tecnología poco a poco estas han ido
evolucionando, debido a esto en parte a que no han sido de uso exclusivo y al
estar operando con diferentes personas, presentan cambios que dan pauta a
hacer mas fácil y eficaz las nuevas tecnologías.
Trasladando esto a la época actual, con las comunicaciones modernas, se tiene la
necesidad de hacer compatibles los sistemas de transmisión de datos creados, la
evolución en el hardware, el software y las comunicaciones ha permitido
transportar, almacenar y manipular una gran cantidad de información para su
análisis y diagnóstico.
Afortunadamente, la tecnología aplicada a la industria facilita instalar sistemas
completos de monitoreo para mantener un mejor control de procesos industriales
de manera automática. Dentro de este conjunto de técnicas se encuentran las
redes
de comunicaciones industriales (RCI), los buses de campo, las
comunicaciones inalámbricas y programas de adquisición de datos y control. Los
RCI se emplean para conocer y controlar el estado de los procesos que se
ejecutan en lugares distantes dentro o fuera de una empresa, lo anterior se logra
midiendo las variables fundamentales del proceso industrial con instrumentos
instalados en campo estos a su vez reportan la información a una sala de control a
través de los llamados buses de campo, los cuales se constituyen por los
protocolos de comunicaciones y las interfaces eléctricas que establecen reglas de
comunicación entre los dispositivos de la red. Los principales buses de campo que
se utilizan en la industria son; Profibus, CAN, DeviceNet, MODBUS, Fieldbus
Foundation y HART.
1
Planteamiento del problema:
Actualmente la facultad de Instrumentación electrónica no cuenta con algún
repositorio de información acerca de los protocolos industriales con ello se busca
dar una primera base de consulta a los universitarios que podrá ser de guía en
futuras referencias e investigaciones en el campus.
Objetivo:
Dar a conocer algunos de los principales protocolos industriales con los que se
trabajan en la industria mencionando sus aspectos generales, una aplicación que
ejemplifique su uso y su evolución.
Metas:
El presente trabajo buscar ser una base solida de fácil comprensión que sirva
como guía y muestre el trabajo en conjunto de las acciones de control para la
obtención de variables fundamentales en el proceso industrial.
2
Capitulo I. Conociendo los Sistemas de
Comunicación
1.1 Redes industriales
La automatización industrial, es una variedad de sistemas y procesos mecánicos
electrónicos programados con el fin de obtener, transformar o transportar
productos, con la mínima intervención del ser humano.
En una empresa existen muchos sistemas automatizados existiendo más de uno
para cada proceso que se esta ejecutando, en muchas ocasiones estos procesos
deben estar mutuamente comunicados y debe existir algún sistema que los regule
y supervise individualmente y deba reportar a otro nivel jerárquico de mayor
relevancia.
A principios de los años 20, el sistema de control de proceso y el sistema
industrial fueron diseñados basados principalmente en la tecnología mecánica y
con dispositivos analógicos, la tecnología de control neumática hizo posible
controlar sistemas remotos por un sistema de control centralizado. El uso de
sistemas de control centralizados para grandes sistemas ha aumentado con el
desarrollo de controladores eléctricos en los años cincuenta debido a la gran
distancia de la transmisión.
Muchos transmisores electrónicos fueron desarrollados durante este periodo y
algunos convertidores neumáticos a
electrónicos fueron usados, y los
convertidores electrónicos a neumáticos eran necesarios para conectar las
válvulas neumáticas de control.
Empezando los años cincuenta, muchos sistemas de comunicación industriales
eran desarrollados para el control de sistemas. Estas redes usaban tecnología
analógica, y fueron usadas para unir un procesador central al periférico y las
terminales. El periférico era usado en paralelo, cables de muchos alambres, e
interfaces serie de 20mA de corriente a baja frecuencia de transmisión.
Los primeros autómatas programables, comercializados al final de la década de
1960, realizaban el control de una máquina o de un proceso productivo sencillo.
Para ello, las variables todo/nada (On/Off) del proceso se convertían en variables
eléctricas binarias que se conectaban al autómata programable a través de
terminales independientes. Pero la elevación de la complejidad de los procesos
productivos hizo que en ellos se tuviesen que utilizar varias máquinas, cada una
de ellas especializada en la realización de una o más operaciones determinadas.
3
La introducción de mini computadoras capaces de transferir datos a grandes
velocidades llevó al desarrollo de las redes de comunicación de datos y los quipos
de transmisión de datos a alta velocidad a fínales de los años 60 e inicio de los
70´s.
El uso de las redes de área local para interconectar computadoras y dispositivos
de automatización dentro de un sistema de automatización industrial llegó a ser
popular desde 1980. La alta capacidad y el bajo costo ofrecido en la comunicación
por redes de área locales han hecho una realidad la distribución de la informática,
y muchos servicios de automatización.
Los sistemas de automatización industriales frecuentemente se realizan como
una arquitectura distribuida abierta con comunicación en redes de comunicaciones
digitales.
1.1.1 Vista general de la automatización
En el área de automatización industrial para integrar los procesos de fabricación el
término CIM es usado en todos los tipos de sistemas industriales lo que significa la
integración completa de las computadoras industriales, redes de comunicación, y
sistemas de control de proceso en todas las funciones industriales que forman
parte de la estrategia de un empresa industrial que integra, en mayor o menor
medida todas las áreas de la empresa.








Ordenes de entrada
Control de inventarios
Diseño del producto y del proceso.
Simulación
Planificación de la producción
Control de calidad
Ensamblado automático
Control de ventas
Los grados de Automatización

Vigilancia
Corresponde a un objetivo de conocimiento tecnico y economico del proceso, solo
vigila el proceso no interviniendo en este, el control elemental, opera en lazo
abierto y efectua una vigilancia basada en simunistrar iinformación sobre el
proceso en ejecución.
4

Guia
El elemento de mando completa algunas funciones una vez que ha adquirido la
información del proceso, proponiendo las acciones que hay que ejecutar. El
automatismo opera en lazo abierto y no actua directamente sobre el proceso, todo
lo hace el operador, ya sea mediante automatismo o sin él.

Mando
Es una automatización completa de alguna o de todas las funciones del proceso,
excluyendo la parte humana del control solo informandole de las funciones y sus
funciones se ven reducidas a la vigilancia unicamente interviene en caso de
incidentes asumiendo el control manual ayudado por una guia automatica
operando en lazo cerrado siendo el automatismo el que interviene en dicho
proceso.
Arquitecturas del control industrial
Los modelos para estructurar un sistema están relacionados con la forma en que
este se divide en subsistemas. Para trabajar como un sistema los subsistemas
deben ser controlados para que sus servicios se entreguen en el lugar correcto en
el momento preciso. Los modelos de control a nivel arquitectónico están
relacionados con el flujo de control entre subsistemas un estilo genérico es el
control centralizado.
Control Centralizado
En el modelo de control centralizado, un subsistema se diseña como el controlador
del sistema y tiene las responsabilidad de gestionar la ejecución de otros
subsistemas. Los modelos de control centralizado se dividen en dos clases, los
que se ejecutan secuencialmente y en paralelo. (Ian, 2005, p.234).

El modelo llamada llamada-retorno
Es e modelo usual de subrutina descendente y en donde el control comienza al
inicio de un jerarquía de subrutinas y, a través de llamadas subrutinas, el control
pasa a niveles inferiores en árbol de la jerarquía es aplicable a sistemas
secuenciales.

El modelo del gestor
Es aplicable a sistemas concurrentes; el sistema se diseña como un gestor del
sistema y controla el inicio, parada y coordinación del restos de los procesos del
sistema.
5
Control distribuido
Un Sistema de Control Distribuido (SCD) consta de tres elementos fundamentales



Interface al proceso
Interfaz del operador
Vía de datos
Interface al proceso
Hay dos tipos de equipo para realizar la interface con el proceso uno de ellos
llamado como controlador, dedicado al procesamiento de lazos de control con
entrada, procedente de elementos de medida y salida hacia elementos finales,
mientras que el otro módulo se dedica al procesamiento de entradas que no
necesitan realizar funciones de control tal como indicaciones para este hay
equipos especializados en determinar las entradas.
Interfaz del operador
El sistema proporciona un medio de supervisar y manipular las unidades de
proceso desde la sala de control, a través de una consola de operación haciendo
la función de interfaz entre el operador y las unidades.
Seguridad del sistemas
La medida básica de la fiabilidad de un sistema se mide por el tiempo medio entre
fallos, para aumentar este tiempo medio entre fallos se utilizan técnicas de
redundancia, considerando que un sistemas es redundante cuando, ante un fallo
en una parte del mismo sigue funcionando correctamente, ya que el elemento que
falla es sustituido por otro de reserva.
Control multicapa
En este tipo de sistemas usualmente existe una computadora que efectúa tarea de
supervisión y gestión de alarmas, así como tratamiento de datos y control de
procesos, la comunicación se realiza mediante un bus especial o redes LAN. Su
nivel más bajo se constituye por controladores locales para el control de lazos
específicos o subprocesos del sistema. Éstos se encargan de atender tareas de
control con restricciones temporales de carácter critico su nivel superior está
conformado por una computadora central que supervisa y establece órdenes de
consigna a los controladores locales, además tiende a tareas de optimización de
largo alcance, procesamiento global y monitorización del sistema esta arquitectura
aparece el concepto de SCADA (Supervisory Control Data Adquisition) empleada
6
en el control de producción, proporcionando comunicación con los dispositivos de
campo (Controladores autónomos, PLC, etc.).(Ver Fig. 1.1).
Fig.1.1. Control multicapa 1
(Emilio García Moreno "Automatización de procesos industriales)
1.1.2 Niveles en sistemas de automatización industriales
La denominada pirámide CIM (Computer Integrated Manufacturing), intenta
resumir, de forma grafica, la estructuración de los sistema de comunicación en un
entorno productivo dividiéndose en niveles, de acuerdo con el tráfico y tipo de
información que se intercambia.(Aquilino, 2007, p.293).
Nivel de Proceso
En este nivel se adquieren datos del proceso mediante sensores situados en él y
se actúa sobre él mediante actuadores. Los primeros se transfieren a los sistemas
que forman parte del nivel de estación inmediatamente superior para que ejecuten
los algoritmos de control y que, teniendo en cuenta los resultados obtenidos,
envíen las órdenes oportunas a los actuadores. Por lo tanto este nivel es el
encargado de la comunicación de los diferentes controladores del nivel superior de
estación con los dispositivos de campo (Field Devices), que es el nombre utilizado
7
para hacer referencia tanto a los sensores como a los actuadores porque
interaccionan, de forma directa, con el proceso productivo .(Fig. 1.2.)
Nivel de Estación
En este nivel se elabora la información procedente del nivel de proceso inferior y
se informa al usuario de la situación de las variables y alarmas. Forman parte de él
los diferentes sistemas electrónicos de control utilizados en cada máquina como
son los autómatas programables, los sistemas de control numérico (CNC), los
robots, los computadores industriales etc., que reciben por ello el nombre genérico
de controladores de máquinas. De ahí que a este nivel se le denomine también
nivel de máquina. Nivel de Célula
En este nivel se realiza la coordinación de las máquinas pertenecientes a una
célula de fabricación. Las tareas generadas en el nivel superior de área o de
fábrica se descomponen en un conjunto de operaciones más sencillas que se
trasladan, de forma sincronizada, hacia los subprocesos del nivel inferior
(almacenamiento y transporte, fabricación, ensamblado, control de calidad, etc.).
Nivel de Área En este nivel se coordinan entre sí las diferentes células que constituyen una línea
de fabricación. Solo existe en instalaciones de una cierta complejidad y por ello a
veces no se incluye en la pirámide CIM. Nivel de Fábrica En este nivel se realiza una secuencia de las tareas y la administración de los
recursos. Suele ser el responsable de la gestión de una planta o fábrica concreta.
Las principales actividades se centran en la planificación y control de la producción.
En él se diseñan y definen los procesos de fabricación y su secuencia concreta,
gestionando material y recursos para la obtención de u producto final, planifican
las labores de mantenimiento, etc.
8
Fig.1.2. Pirámide CIM.
(Aquilino Rodríguez Penin "Sistemas SCADA")
1.2 -Comunicaciones Industriales
Se pueden definir las comunicaciones industriales como el área de la tecnología
que estudia la transmisión de información entre circuito y sistemas electrónicos
utilizados para llevar a cabo tareas de control y gestión del ciclo de vida de los
productos industriales.
Las comunicaciones Industriales deben por lo tanto resolver la problemática de las
transferencia de información entre los equipos de control del mismo nivel y entre
los correspondientes a la noveles contiguos de la pirámide CIM. En la década de
1980 las comunicaciones industriales comenzaron a realizarse mediante
conexiones punto a punto para facilitar la utilización de los computadores como
sistema de diseño asistido por computador del programa de control. Para llevar
acabo dicha transferencia de información de la manera más eficaz posible, los
equipos deben compartir canales de comunicación, lo cual incentivo el desarrollo
de redes de comunicación que tienen que poseer las características adecuadas.
9
1.2.1- Clasificación de las redes industriales
Los diferentes tiempos de respuesta exigidos al sistema de comunicación de cada
uno de los niveles de la pirámide CIM, hacen que la red utilizada para implementar
la comunicación en cada uno de ellos daba tener unas características especificas.
El extraordinario avance de la microelectrónica hizo que a partir de finales de la
década de 1990 diversos fabricantes de equipos de automatización industrial se
planteasen el desarrollo de una red única que diese respuesta a las necesidades
de comunicación de los diferentes niveles de la pirámide CIM. Nacieron así las
redes industriales universales que, por estar basadas en la red de datos Ethernet
reciben en general la denominación de red Ethernet Industrial. Este hecho hace
una nueva clasificación de las redes de comunicación industriales (Fig. 1.3.).
Redes de
Comunicaciones
Industriales
Redes de
datos
Redes de
aplicación
específica
Redes de
control
Redes de empresa y
fábrica
Redes de célula
Redes de
controladores
Redes de
sensores y
actuadores
Fig. 1.3. Clasificación de las redes de comunicación industriales en el siglo XXI
( Enrique Mandado Pérez, Jorge Marcos Acevedo, Celso Fernández Silva, José I. Armesto
Quiroga" Autómatas programables y sistemas de automatización").
Redes de datos
Las redes de datos suelen considerar al establecimiento de las comunicaciones
entre los equipos informáticos que conforman los niveles empresa, fábrica, área y ,
en ocasiones, de celular de la pirámide CIM.
Redes de empresa y de fábrica
Los sistemas de control de los niveles de empresa y de fabrica ejecutan, las
siguientes herramientas informáticas:

Programas dedicados a la planificación de recursos de la empresa
10



Programas dedicados a la gestión de sistemas de ejecución de la
fabricación, que se suelen conocer como MES (acrónimo Manufacturing
Execution Systems).
Programas de diseño, simulación, ingeniería y fabricación asistidos por
computadora denominados CAD/CAM/CAE( acrónimos de Computer Aided
Design / Manufacturing / Engineering).
Herramientas de aplicación general que permiten el trabajo en grupo
(Groupware) del personal de todas las áreas de la empresa.
Cuando los sistemas enlazados mediante una red de empresa y fábrica están
situados en la misma planta, o en emplazamientos relativamente próximos, se
utiliza una red de área local que suele denominarse LAN. La red de área local más
utilizada en empresas industriales es la red "ETHERNET" conmutada que combina
la técnica de acceso al medio basado en la detección de colisiones (CSMA/CD),
con la topología estrella media conmutadores y conjunto de protocolos de red y
transporte TCP/IP.
Para comunicar entre si las distintas sedes de una empresa, situadas por lo
general en emplazamientos distantes, se utilizan redes de área metropolitana y
extensa, denominadas, MAN(Metropolitan Area Network) y WAN (Wide Area
Network).
Redes de célula
Las redes de área local y de área extensa para satisfacer determinados requisitos
propios del ambiente industrial:

Funciona en ambientes hostiles (presencia de fuertes perturbaciones
electromagnéticas, temperaturas extremas, polvo y suciedad, etc.).

Gran seguridad en el intercambio de datos en un intervalo de tiempo cuyo
límite superior se fija con exactitud para poder trabajar en tiempo real.

Elevada fiabilidad de las redes de comunicación, mediante la utilización de
dispositivos electrónicos y/o medios físicos redundantes y protocolos de
comunicación que dispongan de mecanismos avanzados para la detección
y corrección de errores en la comunicación, etc.
11
Redes de control
Las redes de control resuelven los problemas de comunicación en los niveles de
estación y proceso, aunque también se utilizan, en ocasiones en el nivel de célula.
También reciben el nombre genérico de redes o buses de campo (Field bus)
porque utilizan la topología de bus de las redes del área local y se utilizan en una
planta de fabricación.
Históricamente, el desarrollo de esta clase de redes fue debido a la elevación de la
complejidad de la automatización de los sistemas industriales, que se incrementó
desmesuradamente el volumen de cableado que era preciso realizar para conectar
un elevado número de dispositivos sensores y actuadores a un controlador de
estación o de célula (autómata programable, robot, sistema de control numérico
por computadora (CNC), etc.). mediante hilos independientes (Fig. 1.4).
Fig. 1.4 - Autómata programable que se conecta con los diversos sensores y
activadores a través de terminales independientes.(Enrique Mandado Pérez, Jorge
Marcos Acevedo, Celso Fernández Silva " Autómatas programables")
Para resolver el problema, surgió la idea de conectar cada dispositivo de campo a
un procesador de comunicaciones. Conectando entre si los distintos procesadores
de comunicaciones, se logra que los sensores y/o actuadores compartan un canal
de comunicaciones serie, digital, bidireccional y multipunto a través del cual
intercambian información con los sistemas electrónicos de control (Fig. 1.6.).
Además, el procesador de comunicaciones suele tener capacidad para ejecutar
funciones de autodiagnóstico que proporcionan un cierto nivel de seguridad ante
12
averías. esta clase de redes son las que se conocen en la actualidad con el
nombre de redes de sensores-actuadores.
Fig. 1.5. Conexión de los dispositivos de campo con un autómata programable a
través de una red o bus de campo. (Enrique Mandado Pérez, Jorge Marcos Acevedo,
Celso Fernández Silva " Autómatas programables")
Las redes de campo no tienen por qué limitarse a la conexión de sensores y
actuadores con un sistema de control, sino que pueden también servir para
enlazar entre si todos los sistemas electrónicos de control del nivel de fábrica
(autómatas programables de diferentes fabricantes, computadoras industriales,
controladores de robots, etc.). Este tipo de redes se denominan redes de
controladores.
Ambos tipos de buses de campo (de sensores-actuadores y de controladores) se
diferencian de las redes de datos en que permiten la trasmisión de información en
pequeños paquetes y con requisitos temporales que exigen un intervalo de tiempo
muy reducido.
Las redes o buses de sensores-actuadores se caracterizan, en general, por estar
formados por un único sistema electrónico de control (por ejemplo un único
autómata programable) y un conjunto de módulos de sensores/actuadores que
deben enviarle o recibir información de él en intervalos de tiempo cuyo límite
superior está acotado para poder trabajar correctamente en tiempo.
Los buses de controladores se caracterizan, en general, por estar formados por
varios sistemas electrónicos de control que deben tener la misma capacidad de
acceso a un medio de comunicación compartido, típico de las redes ofimáticas de
igual a igual (peer- to -peer), este tipo de buses implementan en general un
mecanismo de reparto del tiempo de acceso mediante paso de testigo (Token
Bus) que permiten varios nodos de la red puedan intercambiar, en el tiempo, el
papel de nodo principal. Dicho mecanismo se combina con el de acceso al medio
denominado maestro-esclavo que es el que regula la relación entre el nodo activo
y el resto de los nodos de la red. (Mandado et al., 2009, p.703).
13
1.3- Conociendo los sistemas de comunicación
Las primeras formas de comunicación fueron realizadas por fabricantes que
proponían estándares propietarios, los cuales solo funcionaban con sus equipos;
si se querían usar equipos de diferentes fabricantes la comunicación entre ellos
era muy complicada.
Para dar solución a este problema, tenia que haber un acuerdo entre los
fabricantes, por lo cual la Organización Internacional de Normalización o ISO, creo
un modelo abierto de comunicación llamado OSI.
1.3.1 Red de comunicación
Una red de comunicación es un conjunto de medios físicos que permiten la
transmisión de datos, audio, video, entre equipos a distancia. El usuario maneja la
información de manera analógica, en caso que hubiera conversión de forma de la
información, esta se haría internamente. La información puede ser transmitida en
forma digital, analógica o mixta a través de ondas electromagnéticas o algunos
otros medios, como el aire, vacío, cable de cobre, Ethernet o fibra óptica.
Las redes se pueden clasificar de diferentes . Las principales clasificaciones son:





Por su extensión: Redes de área personal (PAN), local (LAN), extensa
(WAN).
Por su topología: Estrella, bus, anillo, malla, mixta.
Por su conexión física: Se clasifican en redes punto a punto (unicast) y
redes multipunto o de difusión (Broadcast).
Por su técnica de transmisión de datos: líneas dedicadas, circuito
conmutado o paquetes conmutados.
Por uso: Se clasifican en redes privadas o corporativas y redes públicas.
Otra característica importante en las redes es la conexión física, o métodos de
transmisión, estos se clasifican:



Unicast: Comunicación uno a uno, la conexión es exclusivamente desde el
equipo central a uno solo, a pesar de que existan mas equipos conectados
en la red.
Multicast: La comunicación existe entre el equipo central y solamente
algunos de los equipos conectados en la red, no necesariamente todos,
dicha comunicación es reciproca.
Broadcast: Todos los equipos en la red se pueden comunicar
simultáneamente.
14
Topologías
La topología de Comunicación hace alusión a como se organiza la red que
compone el sistema de automatización y se distingue en la organización física y la
lógica. La primera describe como se conectan los dispositivos a nivel físico: cables
o medios de transmisión, mientras que la topología lógica o método de acceso al
medio, es como acceden los elementos de control al medio de comunicación para
interactuar con el resto de elementos del sistema de automatización (Fig. 1.6).
Anillo
Cada elemento de la red se conecta únicamente a dos elementos de la misma,
creando un bucle cerrado, cada nodo revisa la información, puede trabajar como
repetidor enviando la señal a el elemento vecino, hasta que llega al destino
tomando las acciones pertinentes. Algunas de sus ventajas es su fácil instalación,
añadiendo nodos y ampliando la red existiendo restricciones con la longitud y
adaptación de impedancias.
Topología Bus
Una topología bus es multipunto, un cable largo actúa como una red troncal que
conecta a todos los dispositivos en la red. Los nodos se conectan al bus mediante
cables de conexión y sondas. Un cable de conexión es una conexión que va
desde el dispositivo al cable principal. Una sonda es un conector que, o bien se
conecta al cable principal, o se pincha en el cable para crear un contacto crear un
contacto con el núcleo metálico. Cuando las señales viajan a través de la red
troncal, parte de su energía se transforma en calor, por lo que la señal se debilita a
medida que viaja por el cable. Por esta razón hay un número de conexiones que
un bus puede soportar y la distancia entre estas conexiones.
Sus ventajas es la rapidez de instalación, donde el cable troncal puede tenderse
por el camino más eficiente y, después, los nodos se pueden conectar al mismo
mediante líneas de conexión de longitud variable. De este modo se puede
conseguir que un bus use menos cable que una malla, una estrella o una
topología árbol, las desventajas es su configuración y el aislamiento de los fallos
ya que puede ser difícil añadir dispositivos.
.
15
Fig.1.6. Resumen de los principales tipos de topologías (Sergio Gallardo Vázquez
"Configuración de instalaciones domóticas y automáticas").
Estrella:
Cada nodo se conecta punto a punto a un único elemento central, que puede ser
el nodo principal que implementa la inteligencia de control o un elemento que
circulará toda la información intercambiada conocida como concentrador; este
último sería en la redes de área local de ordenadores, dicho elemento es el
encargado del enrutamiento de la información del sistema. La ventaja de esta
topología es que si un elemento o su cableado se estropea, únicamente afectaría
físicamente a ese dispositivo y el resto funcionaría de manera habitual, es una de
las más utilizadas en redes de datos y especialmente en redes de ordenadores de
área local.
Árbol:
Es una ampliación de la topología en estrella, donde existe un elemento principal
del que se dividen otros subsistemas secundarios que son algunos nodos de
control o concentradores con su propia topología en forma de estrella.
16
Malla:
Esta topología tiene dos objetivos fundamentales uno es aumentar la seguridad
del sistema frente a la posible interrupción de un tramo o varios de red, es decir
más segura o fiable, aumentando la capacidad de enviar información a través de
la red, en una red en forma de malla cada nodo está conectado con el resto de los
nodos físicamente la ventaja es mayor capacidad de comunicación, más robustez,
si un elemento falla el resto puede seguir funcionando.
1.3.2 Arquitectura de una red
La arquitectura de una red es un factor muy importante a considerar en el diseño
de la red de comunicaciones, ya que de ella depende que la información llegue a
su destino de forma rápida y eficiente.
La arquitectura Esclavo/Maestro se basa en un nodo principal al cual se le llama
maestro, este controla y envía información a los demás equipos conectados en la
red. El maestro pregunta a cada uno de los esclavos si tiene algo que reportar;
esto tenía una desventaja, ya que si el esclavo tenía algo importante que reportar,
debía esperar su turno en la fila para comunicarlo esta arquitectura era usada en
redes antiguas.
La arquitectura de red Cliente/Servidor está conformada por un servidor que
concentra la información, y otros dispositivos llamados clientes, los cuales pueden
enviar y acceder a la información del servidor. El servidor se encarga de enviar un
mensaje, el cual tiene grabado el origen y el destino, este tiene la cualidad de
saber si la información llego al destino. La ventaja de este tipo de arquitecturas es
que cualquier dispositivo conectado a la red puede tener acceso a la información.
La arquitectura Publicista/Suscriptor es parecida a la red Cliente/Servidor ya que el
publicista envía la información a la red y todos los dispositivos conectados pueden
tener acceso a ella, entonces se convierten suscriptores, pero ellos deciden si la
utilizan o no. Su comunicación es recíproca ya que en algún momento el suscriptor
se vuelve publicista. La desventaja que podemos presentar, es que no hay forma
de saber si el mensaje llegó a su destino, donde se suponía que este tenía que
llegar.
17
1.3.3 Protocolos de Comunicación
La automatización en la función mas relevante en los sistemas de desarrollo
actualmente. El que un sistema este automatizado es indispensable para aquellos
sectores donde la operación, supervisión y control de sus equipos se encuentren
dispersos geográficamente.
Un protocolo de comunicación es el conjunto de normas que especifican la forma
de comunicación entre dispositivos. Los protocolos de comunicación pueden
ocupar las 7 capas del modelo OSI, dependiendo de la aplicación que se vaya a
dar.
Dos equipos de diferentes marcas se pueden comunicar solo si usan el mismo
protocolo es por ello que hay una gran cantidad de protocolos, los cuales son:
protocolos propietarios y abiertos.
A mediados de 1980 las empresas presentaban problemas ya que cada vez era
mas difícil que redes que usaban diferentes especificaciones pudieran
comunicarse entre si . En el mercado existen diversos protocolos de comunicación
de diversos fabricantes, por ejemplo:


















EDMOBUS- Protocolo para controladores
FIPCX344 IPCx344- Protocolo para sistemas inteligentes
FSILE- Protocolo para la comunicación de drivers de PLC
HIMPSAT IMSAT-Protocolo para la comunicación de satélites
WACTION-Protocolo para instrumentos de medición
WDATATRL-Transmisión de datos de equipo externo
WINTER-Protocolo para la comunicación de módulos
WSINGFUL-Protocolo para comunicar equipo marca SINGULAR
WTECMO- Para la comunicación de equipo marca TERMOCONTROL
XABBT200-Para la comunicación de equipo marca procontic T200
XFPMOD FISCHER & PORTER- Para el control de moduladores
XOPTOMUX- Para la comunicación de equipo marca OPTOMUX
XS5CP521- Para la comunicación de equipo marca SIEMENS Simatic
XSCD80 CAIPE SCD 80 - Para la comunicación de PLC´s
XUDC3000- Comunicación de equipo marca HONEYWELL UDC3000
XYOKOUT-Comunicación de equipo marca Yokowaga UT-Series
YMORETTI-Comunicación de medidores de peso marca Moretti
YTECMES TECMES DIG-02-Protocolo para comunicación de estaciones
18
Los protocolos mencionados han sido creados y desarrollados para fines
específicos y su selección depende de los requerimientos en su aplicación.
Los protocolos abiertos significan de uso libre de la tecnología, gracias a esto se
pueden comunicar dos dispositivos de diferente fabricante
1.3.4 Modelo de interconexión de sistemas abiertos
Las redes de comunicación han utilizado hardware y software diferentes, el
resultado era redes incompatibles a la hora de comunicarse entre si. La solución a
este problema fue investigada por la ISO esta realizo investigaciones en los
esquemas de red, el objetivo era crear un modelo de red, el cual se pudiera
implementar en las redes para que se pudieran comunicar y trabajar en conjunto,
es decir, la interoperabilidad, así nació en 1984 el modelo de referencia OSI.
El modelo OSI es el principal marco de referencia mediante el cual se pueden
comunicar diversos sistemas, el modelo OSI esta basado en 7 capas, cada una de
ella dicta los parámetros y características técnicas bajo las cuales se han de regir
las comunicaciones (Fig. 1.7.). Dichos parámetros se convierten en reglas
fundamentales para los fabricantes de equipos, con la finalidad de que todos los
equipos de diferentes fabricantes sean compatibles a la hora de comunicarse. Las
ventajas de dividir un modelo de red en capas son:




Divide la comunicación en partes mas pequeñas y sencillas
Normaliza los componentes de la red para permitir productos de diferentes
fabricantes.
Permite la comunicación entre hardware y software diferentes
Cuando se hace un cambio en alguna capa no se afectan las demás capas.
Las capas del modelo OSI son:







Aplicación
Presentación
Sesión
Transporte
Red
Enlace
Fisca
19
Capa 7:
El nivel de aplicación permite a el usuario, tanto humano como software, acceder a
la red. Proporciona las interfaces de usuario y el soporte para servicios como el
correo electrónico, el acceso y la transferencia de archivos remotos, la gestión de
datos compartidos y otros tipo de servicios para la información distribuida.
Capa 6:
El nivel de presentación esta relacionado con la sintaxis y la semántica de la
información intercambiada entre dos sistemas, también suministra los servicios de
red a las aplicaciones de usuario.
Capa 5:
Los servicios provistos por los tres primeros niveles (físico, enlace de datos y
redes) no son suficientes para algunos procesos. El nivel de sesión es el
controlador de dialogo de la red. Establece, mantiene y sincroniza la interacción
entre sistemas de comunicación algunas responsabilidades son el control de
dialogo donde permite que la comunicación entre dos procesos tenga lugar en
modo semiduplex (un sentido cada vez)o full-dúplex (los dos sentidos a el mismo
tiempo). El nivel de sesión permite que un procesos pueda añadir puntos de
prueba en un flujo de datos así mostrando la sincronización que existe entre el
origen y el destino.
Capa 4:
El nivel de transporte es responsable de la entrega origen a destino (extremo a
extremo) de todo el mensaje. Mientas que el nivel de red supervisa la entrega
extremo a extremo de paquetes individuales, no reconoce ninguna relación entre
estos paquetes. Trata cada uno independientemente, como si cada pieza
perteneciera a un mensaje separado, tanto si lo es como si no. También asegura
que todo el mensaje llega intacto y en orden supervisando el control de los errores
como el control del flujo a nivel origen a destino.
Capa 3
El nivel de red es responsable de la entrega de un paquete desde el origen a el
destino y, posiblemente, a través de múltiples redes(enlaces). Mientras que el
nivel de enlace de datos supervisa la entrega del paquete entre dos sistemas de la
misma red (enlaces), el nivel de red asegura que cada paquete va del origen a el
destino, sean estos cuales sean. Si dos sistemas están conectados al mismo
enlace, habitualmente no hay necesidad de un nivel de red. Sin embargo, si dos
sistemas están conectados a redes distintas (enlaces) con dispositivos de
20
conexión entre ellas (enlaces), suele ser necesario tener un nivel de red para
llevar a cabo la entrega desde el origen a el destino.
Capa 2
El nivel de enlace de datos transforma el nivel físico, un simple medio de
transmisión, en un enlace fiable y es responsable de la entrega nodo a nodo. Hace
que el nivel físico aparezca ante el nivel superior(nivel de red) como un medio libre
de errores. Entre las responsabilidades especificas del nivel de enlace de datos se
incluye el tramado donde el nivel de enlace de datos divide el flujo de bits
recibidos del nivel de red en unidades de datos manejables denominadas tramas.
Si es necesario distribuir las tramas por distintos sistemas de la red, el nivel de
enlace de datos añade cabeceras a la trama para definir la dirección física del
emisor y/o receptor. Mantiene un control de flujo que sirve como mecanismo a fin
de saber la velocidad de transmisión del emisor y no exista algún desbordamiento
en el receptor a su vez cuenta con la característica de control de errores a el
detectar tramas defectuosas o perdidas para que exista un buen encaminamiento
a el crear redes de datos.
Capa 1
El nivel físico coordina las funciones necesarias para transmitir el flujo de datos a
través de un medio físico. Trata con las especificaciones eléctricas y mecánicas de
la interfaz y del medio de transmisión. También define los procedimientos y las
funciones que los dispositivos físicos y las interfaces tienen que llevar a cabo par
que sea posible la transmisión y al enlace de datos.
Fig.1.7. Niveles de pila OSI
21
22
Capitulo 2. Elementos que constituyen un
protocolo industrial de comunicaciones
Un bus de campo es un bus de datos digital, serie, multipunto, para la
comunicación con dispositivos de instrumentación y control industrial, pero no
limitado a, transductores, actuadores y controladores locales.
Los buses de campo son utilizados hoy en día en todo tipo de procesos de
automatización con diferentes requerimientos y necesidades que van desde la
automatización industrial a la domótica, construcción de maquinas, aplicaciones
en sectores de automoción tanto automovilístico, como ferrocarriles y aeronáutica.
Su antecedente data a las interfaces desarrolladas para comunicar ordenadores
con sus periféricos como las raíces de los buses de campo actuales y mas
adelante en el campo de la automatización se presencio sus primeras aplicaciones
desarrollándose como redes propietarias para conectar PLC implementados en
empresas como Allen Bradley, Data HighWay, Modicon, Modbus. Pero no
resolvían los problemas en los sistemas de automatización de las grandes
compañías que utilizaban todo tipo de productos y proveedores, a este problema
habitual se le denomino como "Islas de Automatización", donde solo los
dispositivos del mismo fabricante entienden el protocolo, haciendo compleja la
comunicación entre diferentes islas.
Un concepto que surgió de la mano fue el de CIM, donde a través de este se
utiliza la tecnología de los ordenadores en todas las etapas de producción, donde
el soporte de estas unidades funcionales se realiza a través de una organización
estructurada, siendo el modelo de referencia ISO para la automatización industrial
quien define la jerarquía que ha de dar soporte a todas las funciones de
producción.
Como precursores tenemos a Beoing y General Motors desarrollando protocolos
como MAP (Manufacturing Automotion Protocol) y TOP (Technical Office
Protocol), donde a partir de estos servirían como base a la IEC (International
Electrotechnical Commision) a lanzar el desarrollo de un bus de campo basado en
ambos modelos, ya que como puede ser habitual cuando una tecnología alcanza
la madurez, surgen nuevas aplicaciones con mayores requerimientos que implican
la necesidad de nuevos desarrollos para satisfacerlos.
El comité IEC TC65CX fue el pionero para definir un estándar internacional para
los buses de campo, iniciando sus tareas en 1985, IEC inició sus trabajos con la
definición de requerimientos que los buses de campo deben satisfacer.
23
FieldBus Foundation
2.1 Historia del FOUNDATION Fieldbus
A mediados de los 80´s, con la meta de crear un estándar internacional, se
unieron la organización ISA y la organización IEC para formar un comité Fieldbus
IEC/ISA SP50 (Standard Practices). Formaban el comité 300 personas de
diferentes proveedores y usuarios.
El estándar a desarrollar debería integra un rango de instrumentos de control,
proporcionar interfaces para operar varios dispositivos simultáneamente y
establecer un protocolo de comunicaciones que soporte todo esto.
En 1992, Fisher-Rosemount, Yokogawa y Siemens se separaron creando el ISP
(Interoperables System Project) para formalizar su propia especificación.
La otra fracción del SP50, incluyendo Honeywell, Allen-Bradey, y otras compañías
formaron el WorldFIP (Factory Information Protocol), división Norte América, un
estándar con metas casi idénticas al ISP (Interoperable System Project).
En 1993, ISP y WorldPIF se unieron para formar FieldBus Foundation con base en
Austin,Texas. La especificación unificada resultante, Fieldbus FOUNDATION,
compite con el Profibus de Europa como uno de los protocolos LAN (Local Area
Network) con el potencial para provocar un cambio radica en la arquitectura del
control de procesos industriales y en el área de manufactura.
Fieldbus Foundation ha orientado las tecnologías de comunicación de forma que
puedan soportar aplicaciones critica donde la transferencia de datos y el manejo
de información son esenciales. Es el único protocolo de bus de campo digital
desarrollado para el cumplimiento de las especificaciones SP50, de ISA. Además
el único protocolo que soporta las zonas de seguridad intrínseca, áreas peligrosas,
procesos con riesgo de explosión y ambientes de regulación difíciles.(Aquilino,
2007, p.313).
En Enero de 1996, FOUNDATION implementó exitosamente el Fieldbus en una
planta piloto de Chocolate Bayu en las afueras de Houston. Esta prueba consistió
en conectar un DCS (Distributed Control System) a un sistema de bombeo de
condensado utilizando instrumentación inteligente de campo de diferentes
proveedores. La fig. 2.1 muestra el diagrama de la planta piloto implementando el
bus Fieldbus.
Los dispositivos de campo utilizados fueron:
LT-104 Transmisor de nivel del proveedor A.
PT-101 Transmisor de presión del proveedor E.
24
FT-103 Transmisor de flujo del proveedor Rosemount.
TT-102 Transmisor de temperatura del proveedor Rosemount.
TT-208 Transmisor de temperatura del proveedor D.
FT-206 Transmisor de flujo del proveedor B.
FT-207 Transmisor del proveedor Rosemount.
CV-105 Válvula e control del proveedor Fisher.
CV-204 Válvula de control del proveedor C.
Fig. 2.1 P&ID planta piloto en Chocolate Bayou. (Catalogo 98 de Rosemount Inc.)
Dolores Gabriela Palomares Gorham ( Instrumentación Inteligente y la tecnología Fieldbus).
2.2 Fieldbus FOUNDATION
La Fieldbus FOUNDATION es una organización independiente sin fines de lucro
con el propósito de desarrollar un bus de campo internacional sencillo e
interoperable, con disponibilidad de diversos productos.
Cuenta con el soporte de compañías que tienen
industrial de la automatización que apoyan a comités
de estandarización y da facilidad para que los
dispositivo de campo para aplicarse con el mejor
25
una gran presencia en la
nacionales e internacionales
usuarios escojan el mejor
sistema de automatización
basados en el trabajo de la IEC (International Electrotechnical Commision) y de la
ISA( International Society of Automation).
Citando a Dolores Gabriela (1998) "El propósito de la FOUNDATION del Fieldbus
es proporcionar infraestructura independiente que promueva y soporte la
tecnología Fieldbus a largo plazo" (p. 59).
Además de:






Proporcionar educación sobre el Fieldbus de la FOUNDATION.
Proporcionar servicio de soporte técnico.
Proporcionar capacidades de conformación de pruebas.
Coordinar las exhibiciones y las pruebas de campo.
Desarrollar perfiles y descripción de dispositivos.
Mantener la biblioteca de descripción de dispositivos.
Los dispositivos soportados por el Fieldbus de la Foundation son:












Transmisores
Válvulas
Medidores de flujo
Controladores locales
Indicadores locales
Dispositivos de mantenimiento
Motores y bombas
Controladores de proceso
PLC's
DCS's
Registradores de gráfica
Desplegados dedicados
Dispositivos de archivo
Analizadores
2.3 Beneficios del Fieldbus
1
Planeación
2
Instalación
y Arranque
3
Operación
4
Mantenimiento
y Soporte
Tabla Nº1. Etapas de automatización.
Beneficios del Fieldbus se agrupan en tres categorías:
1.- Menores costos iniciales
2.- Menores costos de mantenimiento
3.- Mejora de rendimiento del sistema.
26
5
Evolución
Se desglosan estos beneficios:
1.- Menores costos iniciales
Estos beneficios son palpables en las etapas de planeación (Ingeniería),
Instalación, arranque y operación son los siguientes:








Puede operar en el cableado existente de 4-20 mA.
La simplicidad del sistema requiere de menos dibujos
Debido a que el Fieldbus es "multidrop" en lugar de punto a punto, hay una
reducción de alambrado, por lo que se reduce la instalación del equipo de
campo
La energía en el lazo es para dispositivos múltiples.
El sistema de Field bus requiere menos tiempo de instalación que el
sistema convencional, además que se requieren menos materiales.
Reduce la probabilidad de cometer errores de cableado.
Debido a la migración del control de campo reduce el DCS (Distributed
Control System), interfaces I/O (input/output), gabinetes, terminales etc.
La comunicación digital hace que la puesta en marcha del sistema de
control sea en menor tiempo y los diagnósticos más rápidos.
2.- Menores costos de mantenimiento



Con el sistema de Fieldbus los operadores pueden ver todos los
dispositivos del sistema y fácilmente interpretar su interacción, de tal forma
que se puede detectar la falla en menos tiempo.
Adicionalmente, hay diagnósticos de falla en línea para cada uno de los
dispositivos del sistema y esto facilita el mantenimiento preventivo y la
calibración.
Se puede reconfigurar el dispositivo de campo desde la estación del
operador.
3.- Mejora del sistema





Hay más flexibilidad en el diseño del bus del sistema.
Capacidades de control pueden residir en los instrumentos de campo,
reduciendo el tamaño del sistema de control principal.
Reduce el costo del sistema y sus expansiones.
Se pueden comunicar directamente dos dispositivos de campo a través del
Sistema de control.
Debido a que el Field bus es un producto puramente digital, se elimina la
conversión Digital/Analógica y Analógica/Digital que existe en los sistemas
que usan transmisión de 4-20 mA.
27
2.4 Tecnología de Fieldbus Foundation
El estándar Fieldbus usa el marco de la OSI (Organización de Estándares
Internacionales) y el comité SP 50 (Standards and Practices) trabaja actualmente
sobre cuatro capas y en la gerencia de servicios de redes y gerencia de sistemas.
En el Fieldbus se ha incluido una capa adicional a las capas del protocolo OSI
oficial, llamada la capa de usuario.
Fig. 2.2.- Arquitectura del Fieldbus de control





Capa 1: Capa física estándar ISA/IEC.
Capa 2: Capa de enlace de datos.
Capa 3-6: No se usa.
Capa 7: Capa de Aplicación
Capa 8: Capa de usuario
28
Capa 1: Capa física:
Codifica y decodifica el dato sobre el medio, como cable (cobre, coaxial, etc.) fibra
óptica o señal de radio. Recibe el dato a ser transmitido de la capa de enlace de
datos codificando la señal eléctrica con sus atributos y propiedades. Está definida
por los estándares aprobados (IEC 61158-2 y ANSI/ISA 50.02).
Características:







Reglas de topología liberal
Proporciona tres velocidades de comunicación de datos.
Define relaciones entre suministros, distancia y parámetros de cableado.
Agrega / remueve dispositivos durante la operación.
Codificación BiPhase-L Manchester.
Inhibe Jabber.
Conecta el bus con cualquier polaridad.
Los segmentos Foundation FieldbusH1 requieren alimentación de 9-32 volts CD y
aproximadamente 15-20 mA de corriente por dispositivo operando a la velocidad
de 31.25 kbps.
Capa de enlace de datos:
Monitoreo de comunicaciones que están teniendo lugar entre varios dispositivos y
la temprana detección de errores.
Capa de aplicación:
Proporciona los servicios para el control de procesos suministrándolos a la capa
del usuario.
Capa del usuario:
La capa de usuarios proporciona conectividad a áreas, contiene los boques de
recursos, bloques de transductores y sistemas individuales de las plantas,
direcciona una amplia variedad de aplicaciones en tiempo real, diseñada
específicamente para soportar aplicaciones en control de procesos.
29
2.4.1 Versiones de FieldBus
Foundation Fieldbus define dos perfiles H1 y HSE, la primera es llamada de baja
velocidad es optimizada para el control de procesos en cambio la versión de alta
velocidad es diseñada para recolectar datos y como columna vertebral de varios
segmentos de Fieldbus
Perfil H1






Transmite a 31.25Kb/s en cable de par torcido blindado de calibre 18,
optimizado para integrar dispositivos en control de procesos.
Utiliza cable par trenzado, pudiendo alcanzar hasta 1900m con cable tipo A,
par torcido blindado calibre 18 AWG sin repetidores (pueden colocarse
hasta cuatro para aumentar la distancia).
Puede sustituir el cable de fibra óptica.
Transmisión half-duplex, lo cual permite compartir el soporte entre varios
dispositivos.
La topología puede ser del tipo árbol, bus, o mixto.
Rango de tiempo de respuesta: de 32us a 2.2 ms. Tiempo de respuesta
típico: 1ms.
Perfil HSE
 Transmite a 100MB/s, pudiendo llegar a 1Gb/s
 Diseñado para la transmisión de datos a gran escala.
 Utiliza dispositivos Ethernet estándar.
 Reflejado en el estándar Ethernet/IEE 802.
 La topología es en estrella
 Con cable de fibra óptica se consigue transmisión full dúplex a 2000m.
2.4.2 Interoperabilidad
Los dispositivos y el sistema host de Foundation Fieldbus pueden trabajar juntos
no importando el fabricante mientras proporcionen toda la funcionalidad de cada
componente para ello deben portar el logotipo de Fieldbus Foundation para
demostrar que han pasado todas las pruebas rigurosas y requerimientos de
interoperabilidad.
Los sistemas host también sometido a pruebas por la fundación para demostrar la
interoperabilidad, las características que soportan un sistema host se encuentran
en el sitio web de la organización, uno de los aspectos importante de Foundation
Fieldbus es la habilidad de obtener y entregar grandes cantidades de información,
no solo variables de proceso, señales de control, sino también otros tipos de datos
de los instrumentos y del proceso haciéndolo de forma constante y mientras que
30
proporciona interoperabilidad entre los dispositivos de diferentes fabricantes y
compatibilidad con el cableado existente.
2.4.3 Modelo de las comunicaciones
Cableado de Red y Hardware
La topología es la forma de la red, basada en la forma de los nodos y los
elementos de comunicación, así como el tipo de conexiones.
Las topologías más comunes son:
 Punto a punto
 Bus
 Árbol
 Daisy Chain
Punto a punto:
Esta topología consiste en solo tener dos dispositivos. El segmento debe estar
enteramente en el campo (Un esclavo y un dispositivo servidor operando
independiente mente) o también podría ser un dispositivo de campo conectado a
el servidor de un sistema (control y monitoreo). Esta topología se ilustra en la Fig.
2.3.
Fig. 2.3 - Topología punto a punto
(www.fieldbus.org).
31
Topología Bus
Los dispositivos de campo son conectados a un bus por un segmento de cable
llamado "spur" o ramal. La longitud de este puede variar. Se muestra un ejemplo
del uso del "Spur" Fig. 2.4.
Fig. 2.4 - Topología Bus con "spur" o ramal.
(www.fieldbus.org).
Topología Árbol:
En este esquema de alambrado, los dispositivos de campo son conectados a un
solo segmento amarrados en pares por medio de un cable ramal y a través de una
caja de unión de terminales. Este esquema es práctico si los dispositivos sobre el
segmento están bastante separados, pero en la misma área de la "junction
box"(Fig. 2.5).
Fig. 2.5- Topología Bus.
(www.fieldbus.org).
32
Alambrado Daisy-Chain:
En es esquema de alambrado, la ruta del cable es de dispositivo a dispositivo. El
cable es interconectado en la terminal de cada dispositivo de campo.(Esta
instalación debe ser des energizada para modificar o reemplazar el dispositivo).
Esta topología se ilustra en la Fig. 2.6.
Fig. 2.6 - Topología Daisy Chain
(www.fieldbus.org).
Figura 2.7.- Posibles topologías del FieldBus
(www.fieldbus.org).
33
Tipos de cables y longitudes de segmento:
Tipo
Descripción
Calibre
Longitud máxima
A
Par torcido
blindado
individualmente
18 AWG (0.08
2
mm )
1900m (6232 pies)
B
Par torcido
múltiple con
blindaje general
Par torcido
múltiple sin
blindaje
Dos hilos no
torcidos y sin
blindaje
22 AWG (0.32
2
mm )
1200m(3936 pies)
26 AWG (0.13
2
mm )
400m(1312 pies)
16 AWG (1.25
2
mm )
200m(656 pies)
C
D
Tabla Nº 2 Tipos de cable y longitud de segmentos
(www.fieldbus.org).
2.5 PROFIBUS
PROFIBUS es una arquitectura de comunicaciones desarrollada en el año 1987
por las firmas alemanas Bosh, Klockner Moller y Siemens ( Posteriormente se
suman ABB, AEG, la organización técnica estatal VDE y otras).
Es una red abierta, estándar e independiente de fabricante y que, como todo
estándar, posee las ventajas de poder utilizar los productos de distintos
fabricantes. Establecida como una norma nacional Alemana DIN 19245 en 1989,
fue confirmada como norma Europea EN 50170 en 1996, y recogida, junto con las
especificaciones de otros buses de campo, en las normas internacionales IEC
61158, e IEC 61784 en 1999. (Domingo,2003, p.137).
Con mas de 1100 miembros alrededor del mundo, PROFIBUS Internacional es la
organización mas grande del mundo en el ámbito de las comunicaciones
industriales.
Profibus es un protocolo que proporciona una solución de uso general para tareas
de comunicación Maestro/Esclavo y perfiles de protocolo de las industrias de
automatización de procesos, seguridad y control de movimiento.
Actualmente está introducido en todos los niveles de automatización, desde la
comunicación al nivel de maquina (actuadores, sensores), hasta sistemas
34
complejos que gestionan grandes cantidades de datos. Profibus fue creado por un
consorcio de cuatro empresas y siete universidades. En 1989 aparece Profibus
FMS (Especificación de Mensaje de Bus de Campo, Field Bus Message
Specification).
2.5.1 Variantes de Profibus
Protocolo FMS
FMS es un protocolo orientado a el intercambio de grandes cantidades de datos
entre autómatas, En este tipo de transmisión es más interesante la funcionalidad
que la rapidez, con lo que los tiempo de reacción son más lentos. Generalmente,
la transmisión de datos es de tipo a cíclico (controlada por el programa). Es la
solución de propósito general para tareas de comunicación a nivel célula. Los
potentes servicios FMS abren las puertas a un gran campo de aplicaciones y
proporcionan gran flexibilidad. También puede ser usado para extensivas y
complejas tareas de comunicación. PROFIBUS-FMS tiene definidas las capas OSI
1,2 y 7. La capa de aplicación consiste en FMS, y LLI (Lower Layer Interface).
FMS contiene el protocolo de aplicación y proporciona al usuario una selección de
potentes servicios de comunicación. LLI implementa las diferentes relaciones de
comunicación y proporciona a FMS un acceso a la capa 2 independiente del
dispositivo. La capa 2 (FLD, FieldBus Data Link) implementa los controles de
acceso al bus y seguridad de los datos. La transmisión es posible con la
tecnología RS-485 y fibra óptica.
Protocolo Profibus-DP
La especificación de Profibus-DP (Periferia Descentralizada), mucho más rápido,
se completa en 1993 .Ha sido diseñado para el intercambio de datos de alta
velocidad al nivel e campo (controladores programables). En este nivel la
comunicación se realiza principalmente con elementos de Entrada/Salida,
válvulas, etc. Aquí, el intercambio de datos es básicamente de tipo cíclico.
Es un bus determinístico que permite aplicaciones de tiempo real mediante la
utilización de paso de testigo (token bus). Este protocolo esta disponible en tres
versiones DP-V0, DP-V1,DP-V2.
Las comunicaciones a Nivel de Campo se especifican en la versión 0, tomada
como base para las otras dos, conseguidas a base de implementar mejoras o
funciones adicionales:
35
DP-V0
Permite funciones de diálogos básicas, como el intercambio cíclico de datos,
diagnósticos, y procesos de interrupción (Fig. 2.8.).
El maestro DP lee la información y escribe los datos en los esclavos de forma
cíclica. Los esclavos se configuran mediante unos archivos que contienen todas
sus propiedades (GSD).
El tiempo cíclico de bus es de unos 10 milisegundos (10 estaciones con 128 bytes
de E/S, 1024 señales E/S a 12 Mbits tienen un tiempo de ciclo de bus de 2
milisegundos). La velocidad va desde 9600 a 12Mbits sobre cobre o fibra óptica y
puede llegar a 12 KM de distancia. La gestión de errores permite la rápida
localización de fallo y los diagnósticos son recogidos por el maestro. Las funciones
de diagnostico DP permiten una rápida localización de averías.
Fig. 2.8. - Profibus DP. Sistema monomaestro. Siemens
Los mensajes de diagnostico se transmiten por el bus y se guardan en el Maestro,
clasificándose en tres niveles:
 Diagnostico de estación:
Estado general de la estación (Sobre temperatura, tensión de alimentación baja
etc.).
 Diagnostico de módulo
Mensajes que indican diagnostico pendiente dentro de un determinado rango de
entradas o salidas

Diagnostico de canal
Fallos referidos a una entrada o salida.
Profibus DP distingue dos tipos de elementos de red: Maestro y Esclavos. En la
Tabla Nº3 se muestran las características de los equipos maestro y esclavos.
36
Equipos Maestro o Estaciones Activas
Equipos esclavos o
Estaciones Pasivas

Determinan comunicaciones en el bus. Un maestro
puede enviar mensajes sin un requerimiento exterior
una vez que consigue los derechos de acceso al
bus. (El token, o testigo).

En sistema mono- Maestro, solo el Maestro está
activo en el bus, siendo los sistemas con tiempo de No poseen derechos de
acceso al bus, pueden
ciclo mas corto.
reconocer
mensajes
al
cuando
son
Sistemas multi-Maestro, varios maestros están Maestro
requeridos
para
ello.
conectados al bus. Cada uno de ellos tendrá sus
propios esclavos convirtiendo la red en subredes así
como también cada uno de ellos podrá acceder a las
entradas y salidas de cada esclavo pero solo podrá
modificar los esclavos asignados durante la
configuración.


Maestro Clase 2 (DPM2) son estaciones con
funciones de diagnostico y puesta en marcha

Maestro Clase 1(DPM1) son las estaciones que
controlan el proceso de automatización.
Esclavo
DP
son
los
elementos de periferia, tales
como elementos de E/S,
válvula, etc.
Tabla Nº3 Estaciones Activas y Pasivas
DP_V1
Aparece en 1997, englobando las características de Profibus-DP, versión 0, y
añadiendo presentaciones encaminadas a la automatización de procesos, como la
comunicación acíclicla (parametrización, visualización y control de dispositivos
inteligentes).
La transmisión de datos acíclicos se realiza de forma paralela a la transmisión
cíclica, pero con menor prioridad. Una de las posibilidades de esta movilidad es el
acceso remoto a estaciones para programación o diagnostico (ver Fig. 2.9.). El
maestro de clase 1 (control de máquina) ejecuta el intercambio cíclico con sus
esclavos y, al terminar, pasa el testigo de bus al Maestro de clase 2. Éste realiza
el intercambio de datos con cualquier esclavo y, a continuación, devuelve el
testigo.
La modalidad Profibus-PA también se ubica en esta versión. Éste es el perfil para
automatización de Procesos, frecuentemente utilizada en la industria de tipo
químico y petrolero, con basta exigencia de calidad
37
Fig. 2.9. - Estaciones Pasivas- Sistema Multimaestro ( El bus polivalente para la
comunicación industrial, SIEMENS AG).
EL perfil PA proporciona la alimentación a través del cable de bus y hace servir
dispositivos con seguridad intrínseca, conectándose a Profibus- DP mediante un
adaptador permite la topología en árbol o estrella.
El perfil PA define las funciones y parámetros para dispositivos de campo de
manera que su sustitución sea extremadamente sencilla (plug&play) incluso en
áreas de riesgo.
DP-V2
Aparece en 2002, complementa los niveles anteriores mediante posibilidades de
control de motores y sistemas de seguridad (comunicaciones esclavo- esclavo,
modo isócrono y gestión de reloj). Las comunicaciones entre esclavos se basan en
modalidad "Broadcast", con lo cual se elimina la intermediación del Maestro (Fig.
2.10).
Un esclavo actúa como "Productor" de información, la cual va directamente a los
esclavos "Consumidores". Esta técnica permite que un esclavo acceda a los datos
de otros y los haga servir como entradas propias, su modo isócrono permite el
control de sincronismo de relojes en maestros y esclavos, independiente de la
carga del bus, permitiendo realizar tareas con desviación de reloj del orden
microsegundo gracias a su precisión, esta gestión de reloj permite enviar a los
esclavos una señal para sincronizarlos con el reloj del sistema, permitiendo así un
seguimiento de alarmas y eventos precisos (time stamp).
38
Fig. 2.10. - Comunicación directa DP-V2 (El bus polivalente para la comunicación
industrial, SIEMENS)
2.5.2 Tecnologías de transmisión
El PROFIBUS DP puede ejecutarse según IEC61158 e IEC 61784 con las
tecnologías de transmisión siguientes:
 RS 485
La tecnología de transmisión a 2 hilos RS 485 es idónea para redes con topología
en línea/ árbol y altas velocidades de transmisión. Un segmento puede tener hasta
32 nodos (maestros / esclavos), la red entera hasta 126. El método de
transmisión es de tipo asíncrono y halfduplex transmitiendo sus datos en una
trama de 11 bits (Fig. 2.11.).
39
Fig. 2.11. - Red Rs-485 eléctrica con topología en línea/árbol. (El bus polivalente
para la comunicación industrial, SIEMENS AG)
 Fibra óptica
Tecnología óptica de transmisión con fibras ópticas de vidrio o plástico que
permite la transmisión rápida de grandes cantidades de datos en entornos con
altas perturbaciones electromagnéticas o para puentear grandes distancias. Los
Optical Link Modules (OLM) permiten configurar redes ópticas con topología en
línea, anillo o estrella.
La topología en anillo garantiza automáticamente tolerancia a fallos si se produce
un rotura de hilo, son más caros pero también mas resistentes a las averías
electromagnéticas. Dos módulos OLM pueden estar separados hasta 15 Km. La
extensión de la red sólo está limitada por los tiempos de propagación ya que la
transmisión óptica carece prácticamente de pérdidas.
40
La topología en anillo de la red óptica es tolerante a fallos y permite evitar la avería
de las comunicaciones si se daño o carta el cable en un punto una ejemplificación
es la Fig. 12.
Fig. 2.12. - Configuración de un anillo óptico combinado a una red eléctrica. (El bus
polivalente para la comunicación industrial, SIEMENS AG)
PROFIBUS PA
Esta diseñado especialmente para automatización de procesos. Permite conectar
a sensores y actuadores mediante una línea de bus, basado en la versión DP-V1,
este perfil está específicamente diseñado para procesos de automatización en los
que se enlazan, con un tiempo de ciclo de bus de unos pocos ms.
Los distintos dispositivos de campo con PLC o controladores, posibilita la conexión
de dispositivos de campo en zonas de alto riesgo en las que se requiere una red
intrínsecamente segura y donde la alimentación de los dispositivos se realiza a
través de la propia línea de enlace.
Para la perfecta transición entre las redes PROFIBUS DP y PROFIBUS PA, la
gama SIMATIC ofrece dos componentes muy útiles en la industria la gama
acoplador DP/PA y DP/PA Link, (ver figura 2.11).
 Acoplador DP/PA:
Un acoplador que reduce las capacidades funcionales (volumen de datos) y
requisitos temporales restringidos. Limita la velocidad de transmisión en el
PROFIBUS DP.

DP/PA Link:
41
Equipo modular para grandes números de estaciones y elevados requisitos
exigidos al tiempo de ciclo. Conecta el PROFIBUS DP y el PROFIBUS PA y
después acopla las velocidades de transmisión.
Fig. 2.13- Configuración con DP/PA Link y acoplador DP/PA. (El bus polivalente
para la comunicación industrial, SIEMENS AG)
El PROFIBUS PA puede instalarse con topología en árbol, en línea o en anillo.
Mediante separación galvánica de PROFIBUS PA con y sin seguridad intrínseca,
las barreras de campo de diferentes fabricantes permiten el funcionamiento de
dispositivos con seguridad intrínseca en acoplador DP/PA sin seguridad intrínseca
en DP/PA Link permitiendo operar con alimentación elevada en el segmento de
bus de campo (Fig. 2.14.).
42
Fig. 2.14. - Topologías Línea y árbol. . (El bus polivalente para la comunicación
industrial, SIEMENS AG)
2.5.3 Interoperabilidad e intercambiabilidad
PROFIBUS permite a el usuario conectar a un controlador dispositivos de campo
de diferentes fabricantes y operadores coexistentes así que se definen dos tipos
de dispositivos GSD (Archivo de datos maestros del dispositivo) y EDD
(Descripción de dispositivos electrónicos).
El manual Bus polivalente para la comunicación industrial Siemens AG considera,
(2006) "La inteligencia de los dispositivos de campo y los componentes de
periferia descentralizada ha crecido, para poder comunicarse entre si, las
herramientas de ingeniería, parametrización, diagnostico, gestión de archivos y
mantenimiento necesitan una descripción exacta y completa de los datos y
funciones especificas de los dispositivos". (p. 14-15).





Tipo de función de aplicación
Parámetros de configuración
Unidades de medida
Valores limite y valores predeterminados
Rangos de valores
Archivo de datos maestros de dispositivos GSD
Es un archivo de textos ASCII proporciona características de comunicaciones
generales y especificas de un dispositivo PROFIBUS con palabras claves
obligatorias y opcionales contiene identificación del fabricante y perfil, incrementa
43
la seguridad de configuración y simplifica la intercambiabilidad de los dispositivos
describiendo todos los parámetros importantes para la comunicación cíclica.
Descripción de dispositivos electrónicos EDD
Ofrece la información entregada por el fabricante en su poderoso lenguaje
descriptivo aplicado en dispositivos simples y complejos.






Ingeniería
Puesta en marcha
Diagnostico
Observación de valores medidos
Gestión de archivos
Documentación
Al configurar el BUS utilizando el sistema de ingeniería los parámetros de
comunicación para el maestro PROFIBUS se genera en base al archivo GSD esto
determinan las propiedades y repertorio funcional de la comunicación cíclica
maestro y esclavo en conjunto con el EDD entregado por el fabricante con ayuda
de una herramienta como SIMATIC PDM, definir parámetros específicos del
dispositivo para las funciones de parametrización, observación y diagnostico.
Una vez que el maestro PROFIBUS reconoció a el fabricante y el perfil del
dispositivo conectado a PROFIBUS y el número de identificación del GSD permite
emplazar dispositivos comparables de otros fabricantes. ( Ver Fig. 2.15 y 2.16).
Fig. 2.15 - Intercambio de dispositivos de otros fabricantes. . (El bus polivalente
para la comunicación industrial, SIEMENS AG)
44
Fig. 2.16. - Interoperabilidad de dispositivos de diferentes fabricantes. . (El bus
polivalente para la comunicación industrial, SIEMENS AG)
2.5.4 Características de los medios de transmisión
Transmisión de
datos
Velocidad de
transmisión
Cable
Modo de protección
Topología
Estaciones por
segmento
Estaciones por red
Longitud del cable
por segmento en
función de la
velocidad de
transmisión
Repetidor para el
refresco de señales
en redes RS 485
Profibus DP
RS 485
Fibra óptica
PRPFIBUS PA
MBP
9,6 Kbits... 12 9,6
Kbits...
12 31,25 Kbits/s
Mbits/s
Mbits/s
bifilar blindado
plástico y multimodo bifilar blindado
EEx(ia/ib)
línea, árbol
anillo, estrella, línea línea. árbol, anillo
32
32
126
1200m con
máx.
93,75 Kbits/s
100m con 187,5
Kbits/s
400m con 500
Kbits/s
200m con 1,5
Mbits/s
100m con 12
Mbits/s
126
máx. 80 m(plástico)
2-3 Km (multimodo
con fibra de vidrio).
>15 Km con 12
Mbits/s (modo
sencillo con fibra de
vidrio).
1900 m: estándar
1900 m: EEx(ib)
1000m: EEx(ia)
máx. 9
no relevante
no relevante
Tabla Nº 4. Norma de instalación Profibus
45
2.6 Arquitectura del protocolo
Profibus es una red abierta, muy popular en Europa, estándar e independiente de
fabricantes (interoperable). Dispone de tres perfiles de usuario: Profibus FMS
(universal), PROFIBUS DP(rápido) y PROFIBUS PA(Orientado a la aplicación con
automatización de procesos incluso en áreas con riesgo de explosión y
comunicación con equipos de campo).
El nivel físico cumple la norma IEC 1158-2 y la IEC 61158-2 y posibilitando la
alimentación de los equipo por el mismo par de hilos.
Fig. 2.17. Arquitectura Profibus
Profibus esta basado en el modelo OSI e implementa los niveles 1 y 2.(Ver
Fig.2.17.),El nivel de usuario normaliza las funciones básicas de todos los
instrumentos, de tal manera que aparatos de distintos fabricantes son
intercambiables. Así, si se cambia un medidor de caudal de un fabricante por otro,
46
la lectura será la misma. Todos los parámetros accesibles al usuario código (tag)
del instrumento, unidades descripción, alarmas, diagnostico, etc. son
suministrados mediante ficheros DDL (Device Description Languaje).
Profibus DP:
 Usa las capas 1 y 2 y el interface de usuario, mientras que no define las
capas 3 a 6.
Profibus FMS:
 Define las capas 1, 2 y 7. Contiene el protocolo de aplicación proporciona
al usuario una amplia selección de potentes servicios de comunicación
 La capa 2 (capa de unión de datos) ofrece el control de acceso al bus y
garantiza la seguridad de los datos.
Profibus PA:
 Utiliza el protocolo DP extendido par ala transmisión de datos
2.7 Método de acceso al medio
Nodos maestros:
Profibus contempla dos tipos de maestros los de clase 1 (DPM1) son dispositivos
que cíclicamente y en tiempos prefijados intercambian información con los
dispositivos esclavos (leen entradas y generan salidas), y los de clase 2 (DPM2)
que son utilizados para la configuración, diagnostico y/o mantenimiento, que
actúan como activos y que pueden no estar permanentemente conectados a el
bus.
Nodos esclavos:
Son dispositivos periféricos (I/O, drivers, válvulas, etc.) utilizados para colectar y
accionar las entradas- salidas del proceso. En redes FMS y DP es usual encontrar
participantes activos y pasivos, mientras en redes PA todos los participantes son
pasivos.
47
2.8 Protocolo HART
HART (Highway Adressable Remote Transducer), es desarrollado por Rosemount,
en los 80, como protocolo abierto, formado por un grupo de usuarios en 1990. En
1993 se crea HART Communication Foundation, con la finalidad de mantener la
propiedad de la tecnología, gestionar
los estándares y asegurar así la
accesibilidad de la tecnología a todos los sectores industriales.
Las redes industriales, en esencia, permiten que múltiples dispositivos utilicen el
medio físico para intercambiar información en formatos digitales; se logra con ello
disminuir el cableado, incrementar la cantidad y calidad de información que puede
entregar cada aparato, facilitar las tareas de configuración y diagnostico de los
mismos, el propósito fundamental de HART no era la conformación de redes, sus
creadores idearon la forma de dotar a los equipos convencionales que arrojaban
una salida de 4-20 mA, con la capacidad de entregar y recibir información por
medio de una señal digital transportada simultáneamente sobre los mimos hilos de
la señal análoga.
El protocolo HART se convierte en el primer esquema de comunicación digital
bidireccional para procesos de transmisión que no interfiere con la señal análoga.
HART se ha extendido en procesos de recepción y en casos de adquisición y
control.
Fig. 2.18. HART Dos canales de comunicación.
(http://en.hartcomm.org/)
48
2.8.1 Desplazamiento en Frecuencias
La tecnología HART es un protocolo maestro/servidor, lo cual significa que un
dispositivo inteligente de campo (servidor) solo habla cuando le habla un maestro.
La comunicación HART se produce entre dos dispositivos habilitados con HART,
típicamente un dispositivo de campo inteligente y un sistema de control o
monitoreo.
El protocolo HART proporciona dos canales de comunicación simultáneos: la
señal analógica de 4 a 20 mA y una señal digital. La señal de 4 a 20 mA comunica
el valor primario medido (en el caso de un instrumento de campo) con el circuito
de corriente 4 a 20 mA, el estándar más rápido y mas fiable de la industria. (Fig.2.
19).
Fig. 2.19. - Modulación por desplazamiento en frecuencia.
(http://en.hartcomm.org/)
La comunicación digital se establece modulando la frecuencia de una señal
analógica (FSK), de amplitud constante de 1mA (±0,5mA), que se suma a la
analógica de medida. La distorsión provoca la señal modulada sobre la medida es
mínima, dado que el valor medido de señal de comunicación es igual a cero. Por
efecto de la modulación, un bit a 1 provoca una frecuencia de la señal modulada
de 1200 Hz y un bit a 0 es equivalente a la frecuencia de 2200 Hz (Fig. 2.20.). En
el equipo receptor se desacopla la señal de medida de la comunicación, y ésta es
convertida en digital. La señal digital contiene la información del dispositivo
incluyendo el estado del dispositivo, diagnostico, valores medidos o calculados
adicionales, etc. (Domingo, 2002, pp. 118).
49
Fig. 2.20 - Principio de transmisión física del HART. (Joan Domingo Peña,
Comunicaciones en el entorno industrial)
Es un protocolo muy difundido en la industria de procesos. Los fabricantes de
módulos de este tipo se agrupan en el HART User Group, garantizando el soporte
técnico gracias a la HART Communication Foundation, pretendiendo remplazar el
clásico de 4-20mA por un captador inteligente, minimizando las codificaciones de
cableado mediante técnicas de modulación FSK (Frequency Shift Keying),
superponiendo una señal de datos a la señal medida, de 4-20mA.
Cada aparato podrá transferir hasta 256 datos del tipo: media, parámetros, estado,
ajustes, etc. La alimentación se suministra por el mismo cable, permitiendo
conectar hasta 15 dispositivos sobre un mismo cable o bus (técnica Multidrop). En
este caso, todas las transmisiones son de tipo digital.
50
2.8.2 Redes HART
Los dispositivos HART pueden operar en una de dos configuraciones de red:
Punto a punto o multipunto.
Punto a punto
En la configuración punto a punto, la señal de 4-20 mA es usada para comunicar
una variable a cualquier punto de la señal, configuración de parámetros y otros
datos del dispositivo que se transfieren digitalmente. La señal analógica de 4-20
mA no se ve afectada por la señal digital emitida, puede seguir portando la
variable de control. La señal digital HART da acceso a las variables secundarias y
otros datos que se puede utilizar para las operaciones de puesta en marcha,
mantenimiento y fines de diagnostico. Ilustración de la configuración punto a punto
en la Fig. 2.21.
Fig. 2.21. - Configuración punto a punto.(HART Communication Application Guide)
Configuración Multipunto
Este modo requiere solo un par de cables para la comunicación hasta con 15
dispositivos de campo. Todos los procesos y variables son transmitidos de forma
digital; en este modo todos los dispositivos tienen una dirección de emisión mayor
a 0, y la corriente a través de cada dispositivo es fijada a su valor mínimo
(típicamente 4mA). (Ver Fig. 2. 22.).
51
Fig. 2.22. - Comunicación multipunto.(HART Communication Application Guide)
Con la capacidad de la red multipunto de HART se producen ahorros de
instalaciones considerables al permitirse que arios dispositivos de campo se
conecten al mismo par de cables, las comunicaciones con los dispositivos de
campo son puramente digitales,; mientras que el lazo de corrientes es mantenido
al mínimo valor y no proporciona información alguna del proceso.
2.6.3 Modos de comunicación
Maestro- esclavo
Cada esclavo obedece un dispositivo de comunicación, el dispositivo de campo (
esclavo) inicia una petición cuando es preguntado por el maestro, Se puede
conectar 2 maestros al lazo de corriente sin interrupción del proceso, por lo
general el maestro primario es un DCS (sistema de control Distribuido) , PLC
(Controlador Lógico Programable), un equipo PC, handheld. El dispositivo esclavo
incluye transmisores, actuadores, controladores que responden a los comandos
del primario secundario
Modo Ráfaga
La capacidad de transferencia de datos en modo ráfaga (burst mode), en el cual el
esclavo transmite información sin solicitud previa por parte del maestro, el maestro
recibirá la información hasta que le indique al esclavo que detenga el modo ráfaga.
Su implementación es opcional y solo un dispositivo de la red puede estar
operando de este modo.
52
2.6.4 Niveles de señal
Los dispositivos maestros leen y proporcionan señales de tensión, sin embargo los
esclavos o dispositivos de campo, leen y proporcionan señales de corriente, por
esta razón se hace necesaria la conversión a tensión y viceversa. Esta conversión
se logra a través de una resistencia de carga en el lazo de conexión, las tensiones
mínimas y máximas dependerán de la resistencia de lazo que se decida usar,
dichas tensiones se presentan en la tabla Nº 6.
Señal enviada por el esclavo
Valor mínimo
Valor Máximo
0.4
1.2
Señal enviada por el maestro
Valor Mínimo
Valor Máximo
200
300
Tabla Nº 5 señales HART
Fig. 2.23. - Lazo de conexión para un dispositivo.(HART Communication Application
Guide)
2.6.5 Modelo del protocolo HART
El protocolo HART sigue el modelo de referencia OSI propuesto por ISO, si bien
implementa del modelo sólo los niveles 1,2 y 7, ya que los otros niveles no se
hacen necesarios para este tipo de comunicación (Fig. 2 .24.).
El nivel 1 (nivel físico) conecta físicamente los dispositivos y modula en frecuencia
una señal de ± 0.5 mA de amplitud superpuesta a la señal analógica de la salida
del transmisor de 4-20mA c.c. Codifica los estados lógicos 1 y 0 con las
frecuencias de 1200 Hz para el 1 y 2200Hz para el 0 en forma senoidal. Como la
señal promedio de una onda senoidal es cero, no se añade ningún componente de
c.c a la señal analógica de 4-20 mA c.c.
El nivel 2 (nivel de enlace) se encarga de formar y comprobar la trama de los
mensajes de acuerdo con la especificación del protocolo HART. La trama incluye
53
una comprobación de doble paridad para asegurar la integridad máxima de los
datos transmitidos.
El nivel 7 (nivel de aplicación) se basa en la utilización de comandos HART,
conjunto de comandos que se envían al transmisor para obtener información de
los datos y cambiar la configuración de los parámetros a distancias.
Fig. 2.24. Arquitectura HART
2.9 Estructura del mensaje HART
Preámbulo
(5-20
bytes)
Ayuda al
receptor a
sincronizar
.Inicio
(1byte)
Para
indicar si
es de
maestro
a esclavo
ó
viceversa
Dirección
(1-5
bytes)
Muestra
la
dirección
del
maestro
y
esclavo.
Comandos:

Universales

Comunes

Específicos
Contador
Para
saber
cuando
el
mensaje
esta
completo
Status
Muestra
errores
comunes de
comunicación
en el esclavo.
Data
Opcional
Tabla Nº 6 Estructura del mensaje HART (Semestral MET&FLU,2010)
A continuación se muestra la estructura del mensaje HART citando a la Revista
Semestral MET&FLU (2010, pp. 39), la estructura del protocolo esta constituida
por :
54
Check
Para detectar
errores en la
comunicación.
Preámbulo
Se envían de 5 a 20 bytes de preámbulo, la función de esta parte del mensaje es
la de permitir una sincronización y una detección de portadora. El valor de cada
Byte es 255 en decimal o FF en hexadecimal.
Inicio
Consta de un solo byte, se usa como parte de la sincronización e iniciación del
mensaje, además de informar que dispositivo maestro envía el comando; cuando
el mensaje es una respuesta indica que el esclavo lo envía y a que maestro va
dirigido.
Dirección
Este campo puede estar constituido por 1 o 5 bytes, indica a que esclavo se le
esta enviando el mensaje, de donde proviene, y si se quiere implementar el modo
ráfaga. El campo de dirección posee 5 butes cando se usa la dirección única ara
cada dispositivo, y posee sólo un byte en modo de red HART multipunto, si el
dispositivo esclavo al que se quiere tener acceso es de revisión HART superior a
4, el único mensaje que tendrá respuesta exitosa enviando como dirección el byte
que contiene la dirección "polling", será el comando 0, para todos los demás será
necesario incluir el identificado único del dispositivo, lo que corresponde al envió
de los 5 bytes en el campo de dirección.
La comunicación digital HART se basa en un conjunto de comandos organizados
en tres grupos que dan acceso a la lectura e información disponible en los
instrumentos de campo.

Comandos Universales:
Transfieren la información útil en las operaciones iniciales, por ejemplo: nombre
fabricante del instrumento, modelo, Tag, número de serie, lectura de la variable
física (presión- temperatura - nivel, caudal, etc.), rango de operación, unidades,
señal de salida y porcentaje del rango, etc. Todos estos comandos universales
aseguran la interoperabilidad entre los diversos fabricantes, por tanto, todos los
esclavos deben responder a todos los comandos universales.

Comandos comunes:
Dan acceso a las funciones opcionales que pueden hacer la mayoría de los
dispositivos HART, pero no todos, por ejemplo: configuración de cero y rangospam, auto chequeos, leer mas de 4 variables dinámicas. Estos comandos son
opcionales pero si se implementan en el equipo deben operar tal como aparezcan
especificados en la documentación
55

Comandos específicos
Son los que permiten el acceso a funciones propias o exclusivas de un dispositivo
de campo particular. Opciones especiales de calibración, arranque de
totalizadores, seleccionar variables, etc.
Contador
Este campo de un solo byte, informa sobre la cantidad de datos que se enviaran
en el mensaje, la cuenta inicia en este campo y finaliza en el campo de suma de
comprobación.
Estados
Este campo solo se incluye en el mensaje de respuesta proporcionado por el
esclavos, y esta constituido por dos bytes
Datos
Este campo puede estar compuesto por una cantidad de bytes que va de 0 a 253,
y en él se encuentran argumentos asociados con el comando, datos que son
necesarios para la ejecución del mismo.
Check
Este campo provee un mecanismo para realizar un control en la calidad de la
comunicación y determinar los errores, Su cálculo se realiza a partir del campo de
inicio, y responde a la operación OR exclusiva entre bytes.
2.10 Longitud y cableado
Cableado de dispositivos HART
En general, la práctica de instalación para dispositivos HART cableados es la
misma que para instrumentación convencional de 4 a 20mA. Las normas para una
instalación cableada HART incluyen:




Uso de par trenzado blindado de cableado con el tamaño del conductor
adecuado.
Puesta a tierra en un solo punto.
Garantizar una fuente de alimentación de especificaciones apropiada.
Mantenerse por debajo de la longitud de cable máxima permitida que
depende de la capacitancia del cable y el número de dispositivos de red.
56
Considerando el cableado
si es posible, usar cable de par trenzado individual, ya sea en par único o
variedades multi-pares. Los cables sin blindaje se pueden utilizar para distancias
cortas, siempre que el ruido ambiental y la diafonía no tenga repercusiones en la
comunicación. El calibre mínimo del conductor es 0,51mm de diámetro (#24 AWG)
para tendidos de cable menores a 1,500 metros (5000 pies) y diámetro de 0,81
mm (#20 AWG) para distancias mas largas.
Puesta a tierra
Para evitar la interferencia externa, conecte a tierra el sistema correctamente. En
particular, el circuito de la señal debe estar conectado a tierra, en todo caso, en un
solo punto. El blindaje del cable debe estar conectado a tierra, una vez más en un
solo punto. No se debe conectar los gabinetes de instrumentos o cajas de
conexiones a menos que estén aislados de tierra. El punto único para puesta a
tierra estará cerca de la unidad central.
Voltaje de la fuente de alimentación
Alimentación para un circuito de instrumentos bifilares es típicamente 24 VCC.
Como siempre, la tensión debe ser suficiente para proporcionar el voltaje de
alimentación necesario para desplegué del dispositivo de campo. Teniendo en
cuneta las caídas de tensión en la resistencia del cable y la carga, así como de
cualquier seguridad intrínseca pasiva, o barrera presente. Los dispositivos
inteligentes pueden requerir hasta 22 mA para indicar una condición de alarma.
Ondulación y ruido de la fuente de alimentación
Las especificaciones de ondulación y ruido evitan la interferencia directa con las
señales HART, el límite de impedancia asegura que las señales HART, vean a la
fuente de alimentación como una trayectoria de baja impedancia, evitando el
acoplamiento accidental y la diafonía entre circuitos HART múltiples alimentados
desde una fuente común.
Ondulación máxima (47 a 125 Hz)
0,2 V p-p
Ruido máximo (500 Hz a 10 KHz)
1,2 mV rms
Máxima impedancia en serie (500Hz a 10Ω
10 KHz)
Tabla Nº 7 Especificaciones de ondulación y ruido. (http://en.hartcomm.org/)
Máxima longitud del cable
La mayoría de las instalaciones están dentro del límite teórico de los 3000m (
10,000 pies) para la comunicación HART. Sin embargo las características
eléctricas del cable sobre su capacitancia y las cantidad de dispositivos
57
conectados pueden afectar su longitud máxima permitida del cable. (véase la tabla
Nº9).
No.
Dispositivos
1
5
10
15
Capacitancia del Cable - pf/ft (pf/m)
20pf/ft
(65 pf/m)
9000 ft
(2,769 m)
8000 ft
(2,462 m)
7000 ft
(2,154m)
6000 ft
(1,846)
30pf/ft
(95 pf/m)
6,500 ft
(2,000m)
5900 ft
(1,815 m)
5,200 ft
(1,600m)
4,600 ft
(1,415 m)
50 pf/ft
(160 pf/m)
4200 ft
(1,292 m)
3700 ft
(1,138 m)
3,300 ft
(1,015 m)
2,900 ft
(892m)
70 pf/ft
(225 pf/m)
3200 ft
(985 m)
2,900 ft
(892 m)
2,500 ft
(769 m)
2,300 ft
(708 m)
Tabla Nº 8. Longitud de cable características. (HART Communication Application
Guide)
2.10 Ventajas de la tecnología HART

Amplia variedad y número creciente de productos proporcionados por una
lista creciente de proveedores de instrumentos de todo el mundo. HART es
el único protocolo de comunicaciones abierto de su tipo y un estándar en la
industria. Los usuarios tiene la libertad de elegir el producto adecuado para
su aplicación y la interoperabilidad está asegurada por los comando
comunes y estructura de datos.

Relativamente fácil de comprende y usar, el protocolo HART permite
acceder a la gran variedad de información adicional ( variables,
diagnósticos, calibración, etc.) proporcionada por los dispositivos de campo
inteligentes que emplean esta tecnología. HART permite a los fabricantes
de instrumentos de campo incorporar potentes características en sus
productos: como algoritmos de control PID, diagnósticos, y mediciones
adicionales en el proceso.

HART es una solución sin riesgo para comunicaciones de campo de altas
prestaciones.

El mantenimiento y operación de un sistema HART son relativamente
sencillos; especialmente en comunicaciones punto a punto.

HART permite reducir los costos de cableado mediante el sistema
multidrop, que conecta varios dispositivos mediante el mismo cable.
58
59
Capitulo 3. Aplicación del uso del bus de
campo.
En este apartado se aborda una aplicación del uso del bus de campo Profibus
utilizando una de sus variantes de este protocolo de comunicación, donde se hace
mención de algunas características para la implementación de un sistema de
bombeo mediante un control local.
Citando a Miguel Eliu Martínez Ramírez y Rodrigo Daniel Vázquez Torres
Integración de una red Profibus en un sistema de control distribuido (2012) " Un
sistema de control distribuido es capaz de realizar una gran cantidad de tareas e
incorporar a equipos de diversos fabricante, como prueba de ello se implemento
una red PROFIBUS-DP para acoplar un sistema de bombeo de aguas en un
cárcamo".
Comprende el planteamiento de la integración del control distribuido mediante una
red PROFIBUS, el objeto es mostrar la utilidad y ventajas que tiene su uso y
aplicación de las redes industriales.
Las metas de citar como ejemplo la tesis "Integración de una red Profibus en un
sistema de control distribuido " es relacionar los capítulos I y II que dan como
primera base los elementos necesarios para poder entender la estructura de los
protocolos industriales, la aplicación citada muestra como utilizando el protocolo
PROFIBUS-DP se implementa un sistema de control distribuido en un sistema de
bombeo de un cárcamo adaptando dispositivos a la línea PROFIBUS DP para
optimizar el sistema utilizando las ventajas de este protocolo.
Nos centraremos en los elementos que competen a un sistema de control
distribuido para ilustrar la función que desempeñan en el sistema.
60
3.1 Propuesta de aplicación utilizando PROFIBUS-DP
3.1.1 Elementos para la aplicación de una red Profibus en un sistema de
control.
El sistema de control de control distribuido Freelance 800F propuesto para
disminuir costos totales de un sistema de automatización ya que presenta ventajas
como la generación automática de toda la comunicación entre controladores y
estaciones de operación, presenta una base de datos uniforme, integración de
cualquier esclavo Profibus DP o PA utilizando el concepto de esclavo genérico
usando archivos GSD (pág. 43). (Ver Fig. 3.1 Sistema de control Freelance).
Fig. 3.1. - Unidades ABB (Federico Hernáez, ABB group).
Cuenta con DigiVis que es el software de supervisión utiliza un hardware de pc, ya
sea de tipo estándar o industrializado permitiendo el diagnostico del equipamiento
del controlador, dispositivos de campo conectados al mismo tiempo. El paquete
DigiVis mejora la facilidad de uso y desempeño en la operación del proceso
algunas características son la operación transparente, salida de voz configurable
en la PC para mensaje, registro de todas las acciones del operador etc.
Control builder F es una herramienta para la gestión de buses de campo integrada ,
configura el sistema a su totalidad permitiendo el uso de una configuración tanto en
la oficina como en sitio a través de laptops. Es de mucha ayuda para la
configuración uniforme de las funciones de automatización y de la interface DigiVis
ofrece la herramienta para configurar las herramientas de automatización, interfaz
61
de operador, registros , los parámetros de buses de campo, configuración grafica
de acuerdo al IEC 61131-3, protección de contraseñas
Todas las señales, variables y puntos de procesos son administrados en sistema
Freelance 800F.
AC 800F esta diseñado de manera compacta puede soportar nativamente buses de
campo como PROFIBUS,FOUNDATION Fieldbus, MODBUS, HART, CANBUS . La
red de bus de campo y los esclavos parametrizan utilizando herramientas de
ingeniera de control builder F. En los esclavos PROFIBUS se integran al sistema
utilizando archivos GSD o FDT/DTM.(Ver Fig. 3.2.)
El AC 800F utiliza módulos de bus de campo para recibir y procesar datos de
diagnostico con un bajo tiempo de respuesta alguno de ellos son módulo CAN,
módulo serial, módulo PROFIBUS, módulo FF-HSE
Fig. 3.2. - Arquitectura general (Federico Hernáez, ABB group).
62
3.1.2 PLC S7-226
El controlador lógico programable S7-226 es un equipo autónomo, compacto y
robusto compuesto por una unidad central (CPU), una fuente de alimentación y
entradas y salidas digitales. LA CPU ejecuta el programa y almacena los datos
referentes a proceso a automatizar, el sistema se controla mediante entradas y
salidas digitales (E/S). Las entradas vigilan las señales de los dispositivos de
campo por ejemplo: sensores, interruptores, transmisores de señal, mientras que
las salidas comandan bombas, motores u otros aparatos de proceso.
Tiene integrada una fuente de alimentación capaz de abastecer la CPU, leds que
indican el modo de operación (RUN o STOP) y estados de las salidas físicas así
como posibles fallos del sistema. En la Fig. 3.3. se muestran las características del
PLC de siemens.
Fig. 3.3. - Funciones básicas del PLC (Siemens,2006)
63
3.1.3 Modulo EM227
La CPU S7-226 se puede conectar a una red Profibus-DP a través del modulo de
ampliación EM227 esclavo Profibus-DP . El EM 226 se conecta a la CPU S7-226 a
través del bus de E/S serie. La red Profibus se conecta al módulo EM 227 ProfibusDP por su puerto de comunicación DP. En calidad de esclavo DP, el módulo EM
277 acepta varias configuraciones de E/S diferentes del maestro, permitiendo
adaptar a cada aplicación la cantidad de datos transferido (Fig. 3.4.).
Para utilizar el módulo EM 277 Profibus-DP en calidad de esclavo DP, es preciso
ajustar la dirección del hardware de estación del puerto DP para que coincida con
la dirección fijada en la configuración del maestro. La dirección de la estación se
ajusta con los interruptores rotativos del EM-277. (Guerrero et al.,2009).
Figura 3.4. - Asignación de la dirección Profibus(Vicente Guerrero, Jiménez, Ramón
Yuste, Luis Martínez, Comunicaciones industriales Siemens).
EM 277 PROFIBUS DP se comunica con el PLC S7-226 a través de bus E/S serie,
esta conexión se lleva a cabo con cable plano de 10 polos.
La configuración de un maestro Profibus DP le permite reconocer direcciones, los
tipos de esclavos y la información de parametrización. Al maestro se le indica
dónde depositar los datos que haya leído de los esclavos (entradas) y donde
obtener los datos a escribir en los esclavos (salidas). Una vez que un maestro DP
haya escrito los parámetros y la configuración de E/S de un esclavo DP el esclavo
será propiedad del maestro al aceptarlo. El esclavo solo acepta peticiones de
64
escritura, de su respectivo maestro, los demás maestro de la red pueden leer las
E/S del esclavo, pero o escribir en el.
Para facilitar la configuración de las redes Profibus, las propiedades de rendimiento
de los diversos dispositivos se indican en un archivo de datos maestros GSD. Las
herramientas de configuración basadas en archivos GSD integran los dispositivos
de diferentes fabricantes, poniéndolos a disposición del usuario de equipos
Profibus.
65
3.2 Operación de bombeo mediante un sistema local
El sistema de bombeo de un cárcamo, emplea tres peras indicadoras de nivel, el
cárcamo cuenta con un control local S7 226 el cual efectúa el control de las tres
peras indicadores de nivel donde cada una de ellas están suspendidas a tres
diferentes alturas con la finalidad de indicar los niveles alto, medio y bajo estas son
elementos accionadores permitiendo el transito o no de voltaje operando a 24 volts
DC, el cual al detectar el agua permite el paso de voltaje suministrado enviando
una señal al PLC. Ilustración del sistema de bombeo Fig. 3.5.
Fig. 3.5. - Esquema del sistema de bombeo y control local.( Miguel Eliu Martínez
Ramírez y Rodrigo Daniel Vázquez Torres "Integración de una red Profibus en un
sistema de control distribuido")
Para su eficiencia cuenta con un par de bombas sumergibles de extracción que
trabajan a 220v AC que se accionan periódicamente una después de otra, y ambas
bombas cuando se detecta un nivel elevado de agua dentro del cárcamo. Si se
activa el nivel bajo ninguna de las bombas arranca, en el nivel medio se activa una
bomba que tiene que permanecer activa hasta que el nivel bajo se desactive y al
66
activarse el nivel acto tienen que arrancar ambas bombas y estas deben
permanecer en funcionamiento hasta que se desactive el nivel bajo.
El sistema se basa en el acoplamiento del modulo AC800F bajo la creación de una
estación de ingeniería el cual se encargara de administrar todo el sistema, sin
sustituir elementos como el PLC siemens S7-226 logrando una correcta
interoperabilidad entre ambos equipos que lleva una automatización eficaz, la
comunicación se lleva a cabo por el protocolo Ethernet, para la comunicación
maestro (AC800F) y el controlador esclavo (S7-226) se requiere del
establecimiento de una red Profibus-DP.
Fig. 3.6. - Interacción del sistema control distribuido.( Miguel Eliu Martínez Ramírez y
Rodrigo Daniel Vázquez Torres "Integración de una red Profibus en un sistema de
control distribuido")
Para la configuración de los módulos que integran la estación de proceso, se
incorporan esclavos PROFIBUS-DP al modulo Freelance AC800F a través de la
tarjeta de comunicación PROFIBUS FI830, con la intención de realizar una
configuración adecuada que incorpore a el esclavo de la marca SIEMENS, PLCS7-226.
La interacción entre el proceso y la interfaz hombre maquina (HMI) se realiza una
vez que la estación de operación y la estación de proceso son transferidas a los
componentes y el cable de conexión PROFIBUS-DP se encuentra conectado a el
dispositivo esclavo a monitorear y manipular remotamente.
67
Fig. 3.7. - Interfaz HMI .( Miguel Eliu Martínez Ramírez y Rodrigo Daniel Vázquez
Torres "Integración de una red Profibus en un sistema de control distribuido")
El controlador AC800F se encarga de proporcionar la información requerida por la
HMI, dicha interfaz se localizara en una estación de operación estas contienen las
funciones para operación y monitoreo del sistema, en baso a los datos que recaban
entre el módulo maestro AC800 y el PLC esclavo S7-226 como lo son las E/S, se
utiliza HMI para crear una pantalla de visualización, donde se mostrarán el inicio y
paro del proceso, los niveles que se activan del mismo, arranque y paro de las
bombas, botones interactivos.
Para poder visualizar de manera dinámica el nivel de operación se basa en el uso
del software DigiVis facilitando la gestión del proceso, monitoreo de alarmas,
visualizaciones graficas, objetos dinámicos desde este mismo se configuran los
parámetros para asignar la dirección del bus correspondiente al módulo EM277
encargado de transmitir y recibir datos del PLC , la adición del módulo de
comunicación Profibus de la compañía Siemens, se realiza en base a los archivos
GSD que se encuentran en la pagina web de la compañía del fabricante gran parte
del diseño depende de la disponibilidad de estos archivos.
La conexión maestra Profibus permite la incorporación de equipos que cuenten con
el mismo protocolo, esto para establecer una comunicación entre los esclavos
conectados a la red. En esta aplicación
68
Conclusiones:
Con este trabajo se dio un conocimiento preliminar básico necesario para integrar
al ingeniero instrumentista con la tecnología del tipo bus de campo y con este de
sus primeros pasos al comprender y diseñar cualquier sistema de comunicación
de los presentados en el capitulo dos.
La selección de un protocolo depende de aspectos del diseño, ya que cada
industria se elije el protocolo que mas le convenga para llevar a cabo el control de
sus señales de proceso, aspectos como la ubicación de las instalaciones, zonas
de áreas peligrosas de instrumentos, son medidas que no se deben tomar a la
ligera.
Hoy en día un solo dispositivo como un PLC realiza miles de tareas como la
medición, control y protección teniendo como ventajas la reducción de espacio,
pero de nada serviría tener equipos de alta tecnología si no se tiene una buena
comunicación, a lo largo de la historia se han creado diferentes protocolos de
comunicación como fueron los propietarios donde los fabricantes condicionaban a
usar su protocolo y equipos, frenando el crecimiento de las comunicaciones, por
otra parte la estandarización dio una vuelta a las buses de campo donde se
aportaban ideas para su desarrollo y proporcionaban una compatibilidad con
sistemas utilizados alrededor del mundo.
El bus de campo permite reemplazar las conexiones punto a punto entre
elementos de campo y equipos de control a través de la corriente de lazo de 420mA brindando la opción de simplificar, reducir costos, flexibilidad,
mantenimiento, acceso remoto. Detallando algunos de los buses de campo con
mayor auge en la actualidad como son Foundation Fieldbus, Profibus y HART se
intenta familiarizar al ingeniero, con antecedentes y especificaciones técnicas para
que posteriormente pueda utilizar estos conceptos como base para una futura
aplicación dentro de la facultad de instrumentación electrónica.
69
Bibliografía
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71
Glosario
Bit - Unidad mínima de información que puede adoptar dos valores o estados
distintos.
Byte - Conjunto de 8 bits.
Bus- Es el medio físico por donde los datos van de un origen a un destino.
Controlador Lógico Programable (PLC) - Es un sistema de control que tiene
memoria programable por el usuario, para el almacenamiento de instrucciones,
cuenta con entradas y salidas, temporizadores , aritmética y manipulación de
datos de entrada.
Convertidor de protocolos (Gateway) - Dispositivo utilizado para convertir
protocolos, que permite interconectar diferentes protocolos diferentes.
DP esclavo - Es un dispositivo periférico (E/S, válvulas, etc.) que recoge
información de entrada y/o manda información de salida.
Fieldbus Foundation - Protocolo de comunicación completamente digital, par
equipo de campo (H1) y subsistemas (HSE).
H1 - Especificación de la Foundation Fieldbus, protocolo de comunicación de
transmisores.
HART - Highway Addressable Remote Transduser, protocolo de comunicación de
transmisores.
IEC 1158-2 - Tecnología de transmisión IEC 1158-2 que cumple los requisitos de
las industrias químicas y petroquímicas. Refiere a la seguridad intrínseca
permitiendo a los dispositivos de campos ser conectados a el bus, esta tecnología
es usada en Profibus PA.
IEC 61131-3 - Es un estándar internacional referente a los controladores lógicos
programables y sus periféricos asociados para estandarizar los lenguajes de
programación usados para la automatización industrial.
ISA-SP50 - Complementa al paquete de protocolos propuesto por el modelo OSI,
proponiendo una serie de mejoras, compatibilidad de señal de instrumentos
eléctricos.
Interface Humano Maquina (HMI) - Ambiente grafico e el cual un operador
interactúa con un sistema de control y este a su vez con el proceso.
72
Interoperabilidad - Capacidad de un dispositivo de un fabricante para trabajar
bajo otras especificaciones de otro fabricante sin perder la funcionalidad.
Protocolo de comunicación: Reglas convencionales que rigen el formato y la
sincronización relativa de mensajes entre dos o más dispositivos.
Red - Grupo o conjunto de computadoras, terminales, periféricos, equipos de
control, etc. conectados a través de un medio fisco o inalámbrico.
73