1.5 Tecnolog´ıas de buses de campo
1.5.2 Foundation Fieldbus
Es una tecnolog´ıa que a nivel de campo generalmente utiliza 2 cables y est´a basada en transreceptores que utilizan codificaci´on Manchester; a esta tecnolog´ıa se le denomina Fieldbus H1. Cuando se implementa utilizando 2 conductores, la comunicaci´on y la alimentaci´on de los dispositivos que est´an conectados al bus se transmiten por el mismo par de conductores. Esto hace que sea necesario utilizar fuentes de suministro de po- tencia con un filtro el cual evita conflictos entre la alimentaci´on y la comunicaci´on. Es
com´un utilizar circuitos gyratores para implementar ese filtro [39]. En la Figura 1.16
se muestra una implementaci´on de un MAU (Medium Acces Unit)de FF basada en el
circuito integrado (CI) Amis 492x0 de on-semiconductors. Esta implementaci´on permite alimentar el nodo FF H1 y tambi´en permite la comunicaci´on por el bus.
Figura 1.16: MAU de FF. Tomada de [12] con fines acad´emicos
Con esta implementaci´on, FF H1 logra una velocidad m´axima de transmisi´on a nivel de campo de 31.25 kbps. Si se compara esta velocidad con la de otros buses de campo, se puede concluir que ´este bus de campo tiene una velocidad mucho menor que Profibus DP, por ejemplo. Sin embargo, esta tecnolog´ıa tiene 3 ventajas principales:
• Reduce al m´ınimo el cableado ya que aprovecha los cables de alimentaci´on para transmitir datos.
• Puede utilizarse en ´areas clasificadas; siempre se debe verificar que el equipo cumpla con la reglamentaci´on correspondiente a cada ´area.
• Permite implementar algoritmos de control de forma distribuida por medio de bloques de funci´on est´andar.
Comparando FF con otas tecnolog´ıas de buses de campo para control de procesos, los dispositivos que utilizan FF, a diferencia de Hart y Profibus PA, pueden configurarse e integrarse mediante el uso de bloques de funci´on. Esto permite desarrollar con facilidad una estrategia de control distribuido ya que algunos lazos de control se procesan y ejecutan en los dispositivos de campo. Adem´as, a diferencia de los dispositivos Hart, no utiliza ning´un tipo de se˜nal an´aloga como las se˜nales de 4-20mA; todo se comunica digitalmente. Esto mejora la inmunidad del bus frente a las distintas fuentes de ruido y permite reducir el error de cuantizaci´on t´ıpico de las se˜nales 4-20mA; error asociado a las conversiones an´alogo-digital y digital-an´alogo.
Es importante tener presente que Foundation Fieldbus H1, al igual que Profibus PA, es una tecnolog´ıa basada en el est´andar IEC 61158-2. Adem´as, a nivel de la capa f´ısica ambos utilizan la misma tecnolog´ıa; el MAU es el mismo de la Figura1.16. Sin embargo, en capas superiores utilizan distintos protocolos.
Como ya se mencion´o, en un DCS hay un nivel de campo y un nivel de Host. En el nivel de campo se encuentran varios lazos de Fieldbus H1 que se conectan mediante puertas (gateways) al nivel de Host. En el nivel de Host se utiliza Ethernet (Fieldbus HSE) en las capas inferiores de la red seg´un el modelo OSI. El Ethernet que se utiliza en el nivel de Host generalmente tiene redundancia [3].
Para cerrar esta secci´on, a continuaci´on se presentan algunos aspectos relacionados con la configuraci´on de una bus FF. La informaci´on se va a tratar desde 3 enfoques: Config- uraci´on de red, configuraci´on de dispositivos y configuraci´on de la estrategia de control. Cuando se habla de configuraci´on se debe tener presente que ´esta se puede hacer cuando la red se ha puesto en marcha o antes de la red se comisione. Generalmente la configu- raci´on de dispositivos se hace cuando la red no est´a funcionando. Sin embargo, cuando la red est´a funcionando generalmente se hacen peque˜nos ajustes.
1.5.2.1 Configuraci´on de red
Existen 3 tipos de nodos en una red Fieldbus H1: nodos b´asicos, nodos de conexi´on maestros y puentes. Algunos dispositivos pueden cumplir m´as de una funci´on por lo que es importante configurarlo desde el BOS. Los nodos de conexi´on maestros se caracterizan porque sirven para escoger el nodo LAS (Linking Active Scheduler). Cuando una red inicia, se escoge un nodo LAS que se encargar´a de:
• Detectar nuevos dispositivos y asignarles direcciones. • Sincronizar los tiempos de transmisi´on.
• Controlar la transferencia de datos.
En una red t´ıpica, el LAS primario es el dispositivo que sirve como interfaz entre los 2 niveles: dispositivo de conexi´on o acoplador, seg´un sea el caso. Sin embargo, si este dispositivo falla, la red puede seguir operando ya que autom´aticamente otro nodo de conexi´on maestro asume el papel de LAS.
El puente necesariamente debe ser el dispositivo de conexi´on ya que un puente debe poder conectarse con otra red Fieldbus H1. Una vez definidos los roles, la red tiene la capacidad de resolver los dem´as par´ametros de comunicaci´on como las direcciones.
1.5.2.2 Configuraci´on de dispositivos
Los dispositivos Fieldbus son descritos por bloques de funci´on similares a los bloques de funci´on de una estrategia de control. Estos bloques contienen informaci´on rela- cionada con el uso de los dispositivos descritos. Los bloques de funci´on a su vez poseen par´ametros los cuales tienen valores y estados. Un bloque se puede definir como una entidad contenedora de informaci´on relevante de un dispositivo o de una estrategia de control; esta definici´on aplica para el est´andar IEC 61131.
Cualquier dispositivo descrito por bloques funcionales debe tener un bloque de recurso (Resource). Adicionalmente si se trata de un dispositivo de medici´on o de un elemento final de control (ver), debe tener un bloque transductor (Transducer). Por tratarse de bloques de configuraci´on, estos bloques no se comunican con otros bloques o se interconectan en la implementaci´on de una estrategia de control. A la hora de nombrar los bloques, se recomienda utilizar el mismo TAG del dispositivo con una terminaci´on que indique el tipo de bloque. En la Figura1.17 se muestran los bloques que describen un dispositivo.
Figura 1.17: Bloques de funci´on para configurar y utilizar un dispositivo FF de medici´on. Tomada de [3] con fines acad´emicos
Como ya se mencion´o, los bloques de funci´on se caracterizan por tener par´ametros. Los par´ametros pueden ser est´aticos, din´amicos o no vol´atiles. Un par´ametro est´atico es
aquel que no puede ser cambiado por el usuario; por ejemplo, el n´umero de revisiones y ajustes que se le han hecho a un transmisor. Los par´ametros din´amicos son aquellos que cambian constantemente; por ejemplo el valor de una medici´on. Por ´ultimo, los par´ametros no vol´atiles son aquellos que se graban en una memoria no vol´atil. De esta forma, cuando hay una p´erdida de alimentaci´on del equipo, estos par´ametros no se borran; por ejemplo, la configuraci´on de un rango de medici´on.
A nivel de campo, se pueden a˜nadir bloques de funci´on que implementan algoritmos de control en lazo cerrado, como PID, los cuales se ejecutan a nivel de campo; en la Figura 1.18se presenta un bloque de funci´on de PID.
Figura 1.18: Lazo de control cerrado implementado en los dispositivos de campo de FF. Tomada de [13] con fines acad´emicos
En resumen, los dispositivos de campo son vistos como bloques de funci´on a la hora de programar una estrategia de control. Configurando esos bloques, se configuran dichos dispositivos.
1.5.3 Profibus
Es la tecnolog´ıa de bus de campo m´as utilizado. En su ´utlima versi´on permite velocidades de transmisi´on de hasta 12 Mbps. Profibus (PROcess FIeld BUS) ha sido desarrollado por varias empresas alemanas, principalmente, desde 1996 [29]. Est´a reglamentado por el est´andar europeo EN50170. En Profibus se utilizan dos tipos de dispositivos: maestros y esclavos. Los maestros son los encargados de controlar y manejar la red. Los esclavos generalmente son sensores, v´alvulas y actuadores.
Existen 3 tipos de Profibus:
• DP (Perif´ericos distribuidos): Se caracteriza por permitir varios maestros. Cada esclavo s´olo responde a un maestro. Sin embargo, cuando ese esclavo responde,
otro maestro u otro esclavo puede leer la respuesta de ese esclavo. A nivel de la capa f´ısica utiliza RS485 el cual permite implementar el bus a nivel de campo. • FMS (Fieldbus Message specification): Es un tipo de comunicaci´on punto a punto,
como la que hace el est´andar EIA232 (Puerto serial RS232). Se utiliza con frecuen- cia para realizar comunicaciones entre maestros. Com´unmente, se utiliza junto a DP (Profibus DP/FMS).
• PA (Process Automation): Utiliza el mismo principio de operaci´on que DP. Sin embargo, PA utiliza niveles de Voltaje y corriente distintos a los utilizados por DP; tiene una capa f´ısica diferente, igual a la de FF H1. Mediante Profibus PA, se comunican y alimentan sensores y actuadores siguiendo el est´andar IEC 1158-2.
Una implementaci´on real de Profibus conecta varios segmentos de Profibus PA o de Profibus DP a nivel de campo, los cuales se conectan mediante dispositivos de conexi´on al nivel de Host. En el nivel de Host se utiliza Ethernet (profiNET) en las capas inferiores de la red seg´un el modelo OSI. Es com´un, tanto en Profibus como en FF, encontrar im- plementaciones utilizando Modbus/TCP a nivel de Host. En estos casos, Modbus/TCP reemplaza a profiNet y FF HSE.
La velocidad m´axima de transmisi´on de Profibus DP no es la misma para todos los segmentos de la red, sino que ´esta var´ıa con la longitud del cable. En la tabla 1.2 se presentan los valores m´as utilizados de transmisi´on para distintas longitudes.
Longitud (m) Velocidad permitida (kbps)
1200 9.6 1200 19.2 1200 93.75 600 187.5 200 500 200 1500 100 12000
Tabla 1.2: Velocidad permitida de transmisi´on asociada a la longitud del bus Profibus DP. Adaptada de [29]
Al igual que Fieldbus, Profibus DP, permite implementar lazos de control en los de campo. Sin embargo, Profibus PA no permite realizar implementaciones de lazos de control en campo.
1.5.4 Devicenet
Devicenet es una tecnolog´ıa libre ya que no pertenece a ning´un fabricante en particular. Sin embargo, existe una organizaci´on sin ´animo de de lucro que se encarga de emitir las reglas que debe seguir cualquier dispositivo que utiliza Devicenet. Esa organizaci´on es la ODVA (Open Devicenet Vendor Assosiation, inc) y est´a conformada por representantes de distintas compa˜n´ıas que utilizan Devicenet.
Al igual que los buses de campo que se han presentado, Devicenet s´olo implementa las capas 1, 2 y 7 de la arquitectura OSI. En la capa 1, capa f´ısica, Devicenet utiliza un bus con Controladores de red de ´area (CAN). Los buses CAN crean un canal de comunicaci´on utilizando dos cables: uno azul (CANL) y uno blanco (CANH); colores est´andar definidos por la ODVA. El primero maneja Voltajes entre 2.5V y 1.5V. El segundo maneja Voltajes entre 2.5V y 4V. Cuando alguno de los 2 cables tiene un Voltaje de 2.5V, se dice que ese cable es recesivo. Cuando CANL est´a en 1.5V, se dice que ese conductor es dominante. Cuando CANH est´a en 4 V se dice que ese conductor es dominante. Si no hay un maestro en la red, los dos conductores deben ser recesivos; el Voltaje en los dos conductores, medido desde V-, debe ser cercano a 2.5V. Si se asigna un maestro y la red est´a escaneando los nodos, CANH toma un valor cercano a los 3V y CANL un valor de 2.4V, aproximadamente. En la operaci´on regular de una red, cuando los 2 conductores est´an en estado recesivo, se est´a transmitiendo un 1 l´ogico. En contraste, si los dos conductores est´an en estado dominante, se est´a transmitiendo un 0 l´ogico [29].
A nivel de la capa de enlace de datos, se utilizan paquetes est´andar, paquetes extendi- dos y paquetes especiales de los buses CAN. Es importante resaltar que cada paquete est´andar de CAN solo puede transportar 8 bits y que la velocidad m´axima de trans- misi´on depende de la distancia que tenga el bus CAN. Para distancias menores a 10 m la velocidad m´axima de transmisi´on es de 1 Mbps. En la Figura Figura1.19se muestra el marco de un paquete est´andar de un bus CAN.
Figura 1.19: Frame de un paquete est´andar de CAN. Tomada de [14] con fines acad´emicos
Se debe resaltar que el paquete CAN est´andar tiene una longitud de 108 bits de los cuales 64 bits son informaci´on (payload) y 44 bits son el encabezado (header); es decir, en un paquete est´andar aproximadamente el 60% es informaci´on de la capa de aplicaci´on. Se puede observar que el encabezado contiene informaci´on importante para garantizar una buena comunicaci´on entre dispositivos. Por ejemplo, contiene la longitud del paquete, la direcci´on de origen (¿qui´en envi´o el mensaje?), la direcci´on de destino, algunos bytes para aplicar el algoritmo de detecci´on de errores CRC (Chequeo de redundancia c´ılclica) y un bit de acknowledge para indicar que el paquete lleg´o bien al nodo destino.
A nivel de la capa de aplicaci´on, se definen diccionarios basados en la aplicaci´on y protocolos de configuraci´on de la red. Para obtener detalles de esta implementaci´on es necesario tener acceso a los documentos de la ODVA, los cuales no son gratuitos, o se debe adquirir un stack de Devicenet. Por razones presupuestales, para el desarrollo de este trabajo no se adquirieron dichos documentos ni el stack.
1.5.5 Resumen
En esta secci´on se clasificaron las tecnolog´ıas de buses de campo y se describieron algunas de las tecnolog´ıas m´as utilizadas; hay otras tecnolog´ıas que no se describieron. Esta informaci´on sirve de base para poder evaluar las ventajas y desventajas de las distintas tecnolog´ıas de buses de campo. En este trabajo no se va a utilizar ninguna de estas tecnolog´ıas ya que para poder desarrollarlas es necesario adquirir est´andares y notas de aplicaci´on que est´an fuera del presupuesto del proyecto. Adicionalmente, como se ver´a en la siguiente secci´on, existen otras tecnolog´ıas que pueden ser m´as favorables para aprovechar el enfoque del est´andar IEC 61499.
1.6
Ethercat
Es un bus de campo que utiliza Ethernet (IEEE802.3) a nivel de campo para la im- plementaci´on de las 2 primeras capas del modelo OSI; a nivel de la capa 2 tiene otros servicios. Historicamente, las tecnolog´ıas de Ethernet siempre hab´ıan tenido la desven- taja de desaprovechar su capacidad de informaci´on ya que por defecto, Ethernet tiene un encabezado de 14 bytes (Capas 1 y 2 con soporte de VLAN), 4 bytes de chequeo de redundancia c´ıclica (CRC) y un espacio entre mensajes de 8 bytes. Esto sin contar los encabezados de las otras capas de un stack convencional de una red de computadores. Adicionalmente, el tama˜no m´ınimo de la carga ´util es 46 bytes. En resumen, una trans- misi´on de un paquete de Ethernet que transmite solo un byte de informaci´on tiene una carga ´util de 1.38% ya que tiene 26 bytes asociados al protocolo y 45 bytes que deben
llenarse para completar la carga ´util m´ınima. En la Figura1.20se muestra un marco de Ethernet a nivel de la capa de enlace de datos.
Figura 1.20: Frame de un paquete est´andar de EthernetII. Tomada de wikimedia con fines acad´emicos
Para entender mejor el problema se presenta el siguiente ejemplo:
En un sistema de control secuencial, se tienen 20 tarjetas cada una con 16 salidas digi- tales, 20 tarjetas cada una con 16 entradas digitales y 10 tarjetas de control de servome- canismos las cuales se configuran con 10 bytes cada una y, adem´as, env´ıan un diagn´ostico de 15 bytes cada una. Tambi´en se considera que en un ciclo de operaci´on del programa de l´ogica secuencial que controla el sistema cada tarjeta de entrada env´ıa un mensaje, cada tarjeta de salida recibe un mensaje y cada tarjeta de control env´ıa y recibe un mensaje. Si se implementa una soluci´on donde cada uno de los dispositivos se conecta a una LAN que es manejada por un nodo maestro, los mensajes enviados en cada ciclo se presentan en la tabla1.3.
Tarjetas Paquetes Carga ´util
Salidas digitales 20 2.78%
Entradas digitales 20 2.78%
Servomecanismos 10 20.83%
Total 50 6.39%
Tabla 1.3: Carga ´util para el ejemplo de una red de control
Se puede concluir del ejemplo anterior que la utilizaci´on del paquete de Ethernet en una red de control que utiliza la filosof´ıa de las LAN de oficina es menor al 10%. Adem´as, en el ejemplo anterior no se contempl´o el uso de las capas de red y transporte, por ejemplo, las cuales a˜naden m´as bytes de encabezado. Tampoco se consideraron paquetes de sincronizaci´on los cuales podr´ıan reducir aun m´as la carga ´util.
Ethercat se puede clasificar como un bus de campo del tipo 2 (ver secci´on 1.5) ya que est´a dise˜nado para enviar grandes cantidades de informaci´on a una velocidad de 100 Mbps. Como tal, el Ethernet no est´a estandarizado para ser utilizado en exteriores a menos que se utilice fibra ´optica o cable coaxial. Esto aumenta los costos e imposibilita utilizar tecnolog´ıas de alimentaci´on por Ethernet. Por esta raz´on EtherCAT puede no ser la mejor soluci´on para el control de procesos.
1.6.1 Ventajas y desventajas
La baja utilizaci´on de los canales de Ethernet ha sido una de las razones por las cuales las redes que utilizan Ethernet no tuvieron mucha acogida a nivel de dispositivos; a nivel de host Ethernet es la tecnolog´ıa dominante. Adicionalmente la adquisici´on de equipos tales como switches y enrutadores hace que las implementaciones de redes basadas en Ethernet sean muy costosas a nivel de campo.
EtherCAT plantea soluciones a estos problemas. En primer lugar, debido a que en un mismo paquete de EtherCAT se env´ıa informaci´on relevante para todos los nodos de la red, se puede aprovechar casi en su totalidad la capacidad del paquete para transmitir informaci´on. Esto reduce el porcentaje de bytes que son utilizados como encabezado, aumentado la carga ´util de la trasnmisi´on. En el cap´ıtulo 3 se ver´a m´as acerca de la forma como EtherCAT aprovecha el marco de Ethernet.
Adem´as de mejorar la carga ´util, los equipos que utilizan EtherCAT suelen tener 2 interfaces de red; 2 puertos Ethernet independientes. Esto facilita la implementaci´on de topolog´ıas en l´ınea como la que se muestra en la Figura1.21. De esta forma, se forman cadenas de dispositivos sin necesidad de utilizar switches o hubs para interconectar dispositivos. Claramente esto reduce el costo de las implementaciones de EtherCAT a nivel de campo. Es importante mencionar que la topolog´ıa de l´ınea no es la ´unica topolog´ıa permitida para implementar una red EtherCAT, tambi´en es posible utilizar topolog´ıas de ´arbol o de estrella.
Figura 1.21: Topolog´ıa de l´ınea de una implementaci´on con EtherCAT. Tomada de [15] con fines acad´emicos
La principal ventaja de Ethercat es que su velocidad permite sincronizar procesos que se ejecutan en distintos CPUs. Se debe tener presente que el est´andar IEC61499 est´a pensado para aprovechar las capacidades de procesamiento en paralelo. En la siguiente secci´on se muestra en detalle las razones por las que se escogi´o EtherCAT.