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Buses digitales Foundation Fieldbus (FF) y Profibus

Foundation Fieldbus (FF) y Profibus son los dos formatos de bus de datos en serie más universales que se han desarrollado para la interfaz entre un procesador central y dispositivos de detección inteligente en un sistema de control de procesos. Foundation Fieldbus se usa principalmente en los Estados Unidos y el formato Profibus se usa principalmente en Europa. Se están realizando esfuerzos para lograr la aceptación universal de un sistema de bus único.

Foundation Fieldbus (FF) es un sistema de comunicaciones bidireccional, en serie y totalmente digital que sirve como red de nivel básico en un entorno de automatización de planta o fábrica. Es una arquitectura abierta, desarrollada y administrada por la Fundación Fieldbus.

En la actualidad se están fabricando equipos de control de procesos para un sistema u otro; sería preferible la aceptación global de los estándares de equipo. Un bus de datos en serie es un solo par de cables de cobre trenzados y permite la comunicación entre una computadora de procesamiento central y muchos puntos de monitoreo y actuadores cuando se usan sensores inteligentes. Esto se muestra en la figura 1. Aunque inicialmente es más costoso que las conexiones de cables directos, las ventajas del bus en serie son el costo mínimo del bus y la mano de obra de instalación. El sistema reemplaza todos los cables a todos los puntos de monitoreo por un par de cables, se pueden agregar nuevas unidades al bus sin cableado adicional, se proporciona una función plug and play, que brinda un control más rápido y una programación que es la misma para todos los sistemas. Se obtienen precisiones más altas que con el uso de métodos analógicos y se dispone de diagnósticos más potentes. A medida que disminuya el costo de integración y desarrollo, el sistema de bus con sus características será más rentable que los sistemas actuales. El sistema de bus utiliza multiplexación por división de tiempo. La palabra de datos en serie del procesador central contiene la dirección de la unidad periférica a la que se dirige en un intervalo de tiempo dado y los datos que se envían. En el sistema FF a partir de una corriente constante, el suministro se modula digitalmente. La información sobre FF se proporciona de acuerdo a las normas ISA 50.02.

 

Fig. 1- Conexión del cable Foundation Fieldbus (FF).

  • Está diseñado para abordar las necesidades de automatización de procesos.
  • Foundation Fieldbus H1 utiliza la capa física según se define en IEC 1158-2.
  • Soporta los requisitos de seguridad intrínseca, incluido el nuevo modelo FISCO.
  • Se trata de un protocolo peer-to-peer. Los dispositivos pueden comunicarse entre sí sin un host y pueden iniciar comunicaciones sin un comando de host específico.
  • El control puede estar en el dispositivo de campo, o en el host, o parcialmente en ambos.
  • Cuando el control está en los dispositivos de campo, el host se puede desconectar sin detener el ciclo.
  • Aborda la interoperabilidad mediante una combinación de descripciones de dispositivos y bloques de funciones. Una única aplicación de host puede configurar y acceder a toda la información y funcionalidad del dispositivo.
  • Utiliza tecnología de descripción de dispositivos para que toda la información esté disponible para todos los dispositivos, sistemas host y aplicaciones.
  • La dirección del dispositivo se puede asignar manual o automáticamente. Utiliza un mensaje especial para detectar e identificar un nuevo dispositivo. Se puede agregar o eliminar un dispositivo cuando el segmento está en funcionamiento.
    Soporta etiquetas de dispositivos y de bloques de funciones en los dispositivos de campo. De esta manera, se puede localizar un dispositivo simplemente consultando su etiqueta.
  • Proporciona un reloj de tiempo real distribuido en el bus.
  • Es apropiado para el control en tiempo real en el bus, con o sin host.

Más detalles :

Se han introducido dos implementaciones relacionadas de FOUNDATION fieldbus para satisfacer diferentes necesidades dentro del entorno de automatización de procesos. Estas dos implementaciones utilizan diferentes medios físicos y velocidades de comunicación.

• FOUNDATION Fieldbus H1: funciona a 31,25 kbit/s y generalmente se usa para conectarse a dispositivos de campo y sistemas host. Proporciona comunicación y alimentación a través del cableado de par trenzado estándar en aplicaciones de seguridad tanto convencionales como intrínsecas. H1 es actualmente la implementación más común.

• HSE (Ethernet de alta velocidad): funciona a 100/1000 Mbit/s y generalmente conecta subsistemas de entrada/salida, sistemas host, dispositivos de enlace y puertas de enlace. Actualmente no proporciona energía a través del cable, aunque se está trabajando para abordar esto utilizando el estándar IEEE802.3af Power over Ethernet (PoE).

El FOUNDATION fieldbus se pensó originalmente como un reemplazo del estándar de 4-20 mA, y hoy coexiste con otras tecnologías como Modbus, Profibus e Industrial Ethernet. FOUNDATION fieldbus actualmente disfruta de una base instalada en crecimiento en muchas aplicaciones de procesos pesados, como refinerías, petroquímicas, generación de energía e incluso aplicaciones de alimentos y bebidas, farmacéuticas y nucleares. FOUNDATION fieldbus fue desarrollado durante muchos años por la Sociedad Internacional de Automatización, o ISA, como SP50. En 1996 se publicaron las primeras especificaciones H1 (31,25 kbit/s). En 1999 se publicaron las primeras especificaciones HSE (Ethernet de alta velocidad). El estándar de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) sobre bus de campo, incluido FOUNDATION Fieldbus, es IEC 61158. El tipo 1 es FOUNDATION Fieldbus H1, mientras que el tipo 5 es FOUNDATION Fieldbus HSE.

Una desventaja del FF es que una falla del bus, como un cable roto, puede detener todo el proceso, mientras que con el método de conexión directa solo se desactiva un sensor. Esta desventaja se puede superar mediante el uso de un bus redundante o de respaldo en paralelo al primer bus, de modo que si un bus falla, se puede usar el bus de respaldo.

Un segmento fieldbus (bus de campo) típico consta de los siguientes componentes.

  • Tarjeta H1: tarjeta de interfaz de bus de campo (es una práctica común tener tarjetas H1 redundantes, pero en última instancia, esto es específico de la aplicación)
  • PS: Sistema de suministro general (VdC ó VCC) a la fuente de alimentación de bus de campo
  • FPS: fuente de alimentación de bus de campo (Fieldbus Power Supply) y acondicionador de señal (Signal Conditioner) (las fuentes de alimentación y los acondicionadores integrados se han convertido en el estándar en la actualidad)
  • T: terminadores (se utilizan exactamente 2 terminadores por segmento de bus de campo. Uno en el FPS y otro en el punto más alejado de un segmento en el acoplador del dispositivo)
  • LD: dispositivo de enlace, utilizado alternativamente con redes HSE para terminar de 4 a 8 segmentos H1 que actúan como puerta de enlace a una red troncal HSE.
  • Y dispositivos de bus de campo (por ejemplo, transmisores, transductores, etc.)
Comparación de las características de los tipos de bus
  Fieldbus (H1) Profibus Fieldbus(HSE)
Tipo de bus par trenzado cobre par trenzado cobre o cable de fibra óptica par trenzado cobre y cable de fibra óptica
Número de dispositivos

240 por segmento

65.000 segmentos

127 por segmento Ilimitado

65.000 segmentos

Ilimitado
Longitud 1900 metros

100 m de cobre más

24 km de fibra

100 m de cobre más

24 km de fibra

Máxima velocidad

Tiempo del ciclo (milisegundos)

31,25 kbps

<600

12 Mb/s

<2

100 MB/s

<5

Tabla 1.

En la Tabla 1 se proporciona una comparación de las características de los buses de datos en serie. El FF original se designó como H1, una nueva generación del H1 es el HSE, que utilizará un bus LAN Ethernet para operar bajo el protocolo TCP/IP utilizado para Internet. Las ventajas son mayor velocidad, direcciones ilimitadas y estandarización.

PROFIBUS (Process Field Bus) es un estándar para la comunicación de bus de campo en tecnologías de automatización y fue promovido por primera vez en 1989 por BMBF (Departamento alemán de educación e investigación) y luego utilizado por Siemens. No debe confundirse con el estándar PROFINET para Industrial Ethernet. PROFIBUS se publica abiertamente como parte de IEC 61158.

Principales características:

  • Está diseñado para abordar las necesidades de fabricación discreta y automatización de edificios.
  • PROFIBUS-PA utiliza la capa física según se define en IEC 1158-2.
  • Soporta los requisitos de seguridad intrínseca, incluido el nuevo modelo FISCO.
  • PROFIBUS-PA es un protocolo maestro-esclavo. Un dispositivo de campo es un esclavo y solo puede responder a un comando del maestro.
  • Con PROFIBUS-PA, el control reside únicamente en el host.
  • El host debe estar presente para que funcione el control.
  • Un host PROFIBUS-PA utiliza un perfil estándar para la funcionalidad básica. Para una funcionalidad específica adicional del proveedor, el host debe tener el software correspondiente.
  • El host de administración y configuración de dispositivos utiliza descripciones de dispositivos para configurar e interactuar con el dispositivo. El host de control utiliza perfiles para acceder a la información del dispositivo.
  • Las direcciones de los dispositivos se configuran configurando las llaves DIP o las direcciones de software ingresadas por el usuario. Para agregar un dispositivo, el segmento debe estar cerrado y la dirección del dispositivo y los parámetros de configuración configurados en el host. A continuación, se reinicia el segmento.
  • Admite etiquetas en el host. La base de datos de etiquetas se ingresa manualmente en el host.
  • No proporciona un reloj en tiempo real en el bus.
  • Apropiado solo para un control basado en host.

Mayores detalles

La historia de PROFIBUS se remonta a un plan promovido públicamente por una asociación que nació en Alemania en 1986 y para la cual 21 empresas e institutos idearon un plan de proyecto maestro llamado “fieldbus”. El objetivo era implementar y difundir el uso de un bus de campo de bits en serie basado en los requisitos básicos de las interfaces de los dispositivos de campo. Para este propósito, las empresas miembro acordaron apoyar un concepto técnico común para la producción (es decir, automatización discreta o de fábrica) y la automatización de procesos.

En primer lugar, se especificó el complejo protocolo de comunicación Profibus FMS (Field bus Message Specification), que fue diseñado para tareas de comunicación exigentes. Posteriormente, en 1993, se completó la especificación para el protocolo PROFIBUS DP (Decentralised Peripherals o Periféricos descentralizados), más simple y, por lo tanto, considerablemente más rápido. Profibus FMS se utiliza para la comunicación (no determinista) de datos entre Maestros Profibus. Profibus DP es un protocolo creado para la comunicación (determinista) entre maestros Profibus y sus esclavos de E/S remotos.

Hay dos variaciones de PROFIBUS en uso hoy en la actualidad; el PROFIBUS DP más utilizado y el menos utilizado, específico de la aplicación, PROFIBUS PA:

PROFIBUS DP (periféricos descentralizados) se utiliza para operar sensores y actuadores a través de un controlador centralizado en aplicaciones de automatización de producción (fábrica). Las variadas opciones de diagnóstico estándar, en particular, se centran aquí.

PROFIBUS PA (Process Automation o Automatización de procesos) se utiliza para monitorear equipos de medición a través de un sistema de control de procesos en aplicaciones de automatización de procesos. Esta variante está diseñada para su uso en áreas peligrosas/de explosión (zona Ex 0 y 1). La capa física (es decir, el cable) cumple con la norma IEC 61158-2, que permite suministrar energía a través del bus a los instrumentos de campo, al tiempo que limita los flujos de corriente para que no se creen condiciones explosivas, incluso si se produce un mal funcionamiento. El número de dispositivos conectados a un segmento PA está limitado por esta función. PA tiene una velocidad de transmisión de datos de 31,25 kbit/s. Sin embargo, PA utiliza el mismo protocolo que DP y puede vincularse a una red DP mediante un dispositivo acoplador. El DP actúa mucho más rápido como una red troncal para transmitir señales de proceso al controlador. Esto significa que DP y PA pueden trabajar estrechamente juntos, especialmente en aplicaciones híbridas donde las redes de automatización de procesos y fábricas operan en conjunto.