James Powell, P. Eng.
Henry Vandelinde, Ph.D.
James Powell,
Henr
y V
Introducción al bus de campo
para la automatización de procesos
U
n r
ecor
rido por PR
OFIBUS
“El libro es un aperitivo excelente – una introducción grandiosa al mundo de Profibus.”
Jörg Freitag , Chairman de PROFIBUS International
“PROCENTEC esta dando cursos en todo el mundo. Nuestros participantes siempre estan pidiendo un buen material de lectura. La mayoría de los libros son demasiado técnicos para principiantes o técnicos de mantenimiento. Este libro es un recurso muy simple y práctico para entender la tecnología de PROFIBUS. PROCENTEC recomienda este libro para cada uno que se involucre con PROFIBUS.”
Dennis van Booma, Gerente General de PROCENTEC en Holanda
“Muy buen libro! a mi particularmente me gustaron los ejemplos de visita a planta.”
Ron Mitchell, RC Systems , autor de PROFIBUS – una guía de bolsillo
“James Powell y Henry Vandelinde explican con simpleza y profesionalismo el uso de PROFIBUS desde una perspectiva de la experiencia práctica. Una guía fundamental para el ingeniero de planta que quiere conocer los grandes beneficios de este bus “.
James Powell, P. Eng.
Henry Vandelinde, Ph.D.
Introducción al bus de campo
Ningún fragmento de este libro puede ser reproducido sin permiso por escrito por parte del editor.
ISBN-10: ISBN 978-0-9782495-1-9 Fotografía de tapa ©iStockphoto.com/clu Traducción: Bárbara Szteinberg
Impreso y encuadernado en Argentina para Siemens Milltronics Process Instruments Inc. Peterborough, ON K9J 7B2
Para el principiante, el mundo de la comunicación industrial parece una mezcla de buses de campo, paquetes de software y medios, a menudo confusa, y con múltiples capas y dimensiones. Durante mis veinte años de búsqueda entusiasta y promoción activa de las comunicaciones industriales, me acostumbré más y más a ver esa mirada de susto en los novatos que ingresaban al campo, y entonces decidí ver si lograba en el mundo de los buses de campo, específicamente el de PROFIBUS, quitar el velo de misterio y magia que lo rodea.
Mi intención no fue escribir un manual definitivo y abarcador sobre PROFIBUS. Hay muchos otros que están mucho más calificados que yo para llevar a cabo esa tarea. Yo quise demostrar que cuando la comuni-cación industrial se comprende y luego se instala con previsión y cuida-do, las operaciones de redes son beneficiosas e indoloras.
Diseñamos este libro con ese fin, hablarle al principiante, llevar a ese novato de la mano y guiarlo a través de la ruta de los buses, hacia una comunicación exitosa. Sin embargo, este no es un manual de uso. Considérenlo más una base para el diseño de la comunicación, con información para que los curiosos exploren y motivación para que los dedicados vayan más allá.
Es así como analizaremos las operaciones del BUS, los detalles del pro-tocolo, capas físicas y redes, los elementos básicos del diseño de una red, los consejos y las sugerencias de instalación, la puesta en marcha, el mantenimiento, la gestión de activos de la planta y la resolución de problemas. Todos estos temas están diseñados para hablarle al princi-piante, para tomar la totalidad de PROFIBUS como bus de campo y hacerlo llegar a todos aquellos que quieran probarlo e investigar. Nuestro deseo es que al terminar este libro tengan un conocimiento concreto de lo que necesitarán para implementar un sistema PROFIBUS, y que continúen investigando sobre cómo PROFIBUS puede ayudarlo a usted y a su organización a mejorar la seguridad, la eficiencia y la productividad.
A partir de este libro logré entender la veracidad del dicho: "Se necesita un pueblo entero para escribir un libro". Un proyecto como este requie-re mucho esfuerzo y dedicación por parte de toda la comunidad, y nosotros tenemos la suerte de estar rodeados de gente que creyó en lo que estábamos haciendo y nos brindó libremente su tiempo y experiencia.
Entonces, para comenzar, quiero agradecerles a Stephen Milligan, Andrew Blazey, Jorg Freitag y a la gerencia de Siemens por su apoyo moral en este proyecto.
Mi gratitud también se extiende a Nicolas Heise y al equipo IP4 por sus valiosos consejos y contribuciones, y a Mark Wheeler por su continuo apoyo y asesoramiento. También agradezco mucho la habilidad organi-zativa de Jamie Chepeka, Andrés Gorenberg y Adriana Mazzei, y los esfuerzos de traducción de Gabrielle Vester y Bárbara Szteinberg. Y para Albert Justus, quien reviso y editó con paciencia el manuscrito en alemán, vielen Dank!
Un agradecimiento especial a Pete Froggatt, el ilustrador creativo cuyo talento y fantasías le ponen una sonrisa a nuestro trabajo.
También agradecemos a los siguientes revisores técnicos que tomaron el infantil borrador y ayudaron a convertirlo en el trabajo refinado que tienen en sus manos. Thomas Bartsch, Dominique Basson, Sean Cahill, Mark Cargill, Mike Cavanagh, Richard Colony, Chris Da Costa, David Deibert, Timothy Dowsett, Carl Henning, Jane Ingram, Albert Justus, Thomas Klatt, Ron Mitchell, Gilles Ouimet, Volker Schulz, Moin Shaikh, y Dennis van Booma a quienes tanto agradecemos por haber agregado sus voces a este libro.
El agradecimiento final es para nuestras familias, James quiere agrade-cerles a Debbie y a Maya, y Henri les agradece a Lee Anna y a sus muchachos. Apreciamos su paciencia y apoyo mientras nosotros traba-jábamos como burros en esta obsesión, mucho más de lo que se imaginan.
Muchas gracias a todos por su tiempo y esfuerzo. Lo mejor de este libro les pertenece a ustedes, y cualquier error, imprecisión u omisión yace totalmente en nosotros. Nosotros nos divertimos, y quién sabe, hasta quizás lo hagamos de nuevo.
Prólogo iii
Reconocimientos iv
Capítulo 1: Introducción: Un BUS 1
La ruta del bus 1
Presentación del bus de campo 1
Beneficios de utilizar un bus de campo PROFIBUS 5 PROFIBUS: Comienzos 7
PROFIBUS DP: Periferia descentralizada 10 PROFIBUS PA: Automatización de procesos 11 HART en PROFIBUS 13
PROFIsafe 14 PROFIdrive 16 PROFINET 17
Próxima parada del BUS 20
Capítulo 2: Cómo funciona un BUS 21
La ruta del bus 21 Conceptos simples 21
Escaneo del bus PROFIBUS (¡la ruta del bus!) 24 Diagnósticos 27
Perfiles PROFIBUS 32
Próxima parada del BUS: Capas físicas y componentes de red 41
Capítulo 3: Capas físicas y componentes de red 43
La ruta del bus 43 Capas físicas 43
Entornos intrínsicamente seguros/peligrosos 50 Elección de una capa física 52
Componentes de red 53 Redundancia 59
Elección de los componentes de red 63 Próxima parada del BUS: Diseño inteligente 63
Capítulo 4: Diseño inteligente: Elementos básicos de PROFIBUS DP/PA 65
La ruta del bus 66
Diseño básico PROFIBUS DP 66
Reglas básicas de diseño PROFIBUS PA 71 Ejemplo de diseño de PROFIBUS PA 76 Herramientas de diseño 79
Cálculo de velocidad de actualización 80 Sugerencias de diseño de PROFIBUS PA 85 Próxima parada del BUS: Instalación 87
Esquema de instalación 93 Separación de cables 95 Método de instalación 96 Las mejores instalaciones 99
Próxima parada del BUS: Puesta en marcha 100
Capítulo 6: Puesta en marcha 101
La ruta del bus 101 Configuración de red 102
Configuración/parametrización de dispositivos de campo 106 Configuración de un dispositivo de campo 110
Uso de software de configuración: Los mejores ejemplos 113 Velocidad de carga y descarga 113
Verificar que los dispositivos de campo y de red funcionen correctamente 114
Próxima parada del BUS: Uso de la red 114
Capítulo 7: Gestión de activos de planta, mantenimiento y operaciones 115
La ruta del bus 116
Gestión de activos de planta 116 Activos humanos 117
Activos virtuales 118 Activos físicos 121
Nuevo diagnóstico para instrumentos de campo 123 Impactos y beneficios para el usuario final 126 Impacto en la puesta en macha 126
Impacto en el mantenimiento 127 Impacto en las operaciones 130
Próxima parada del BUS: Resolución de problemas 130
Capítulo 8: Verificación del funcionamiento de la red y resolución de problemas 131
La ruta del bus 131 Problemas de red 132 Herramientas 136
Procedimientos para resolver problemas 137 Destino final del BUS 155
Introducción: Un BUS
"Ha llegado el momento", dijo la morsa, "de hablar de varias cosas"1Como en el cuento de Alicia en el país de las maravillas, y muchos aventureros antes y después que ella, lo invitamos a acompañarnos en este viaje de descubrimientos. Sin embargo, en vez de atravesar la madriguera de un conejo, le sugerimos que suba a bordo de un bus, saque su boleto y disfrute del viaje. No habrá conejos blancos, orugas parlanchinas ni ostras regordetas, pero le prometemos miles de aventu-ras a medida que nuestro bus avance a través de las redes, los buses de campo y los protocolos de comunicación.
La ruta del BUS
Este bus hace las siguientes paradas: Introducción al bus de campo •
• Beneficios de utilizar un bus de campo, un PROFIBUS PROFIBUS: génesis
•
PROFIBUS periféricos descentralizados (DP) •
PROFIBUS automatización de procesos (PA) • PROFIsafe • PROFIdrive • PROFINET • Próximas paradas •
Presentación del bus de campo
PROFIBUS es un bus de campo: un bus de campo es un enlace de comuni-cación de dos vías entre un controlador o monitor y un dispositivo de campo. Es una red necesaria para integrar los dispositivos de automatiza-ción de procesos a un sistema unificado. La clave para el éxito operativo del bus de campo es que el controlador pueda hablarle no sólo al disposi-tivo de campo, sino también hacer que el disposidisposi-tivo de campo le respon-da y dé aviso al controlador si fuera necesario. A su vez, el diálogo digital notifica al usuario cuando ocurren eventos clave en la red, ofreciendo muchos datos necesarios para mantener un proceso activo. Un bus de campo es sistema nervioso que une el cerebro central (controlador) y todas las partes que mantienen la planta de proceso funcionando a su máxima capacidad.
1 Carroll, Lewis. Alicia en el país de las maravillas. W.W. Norton & Company, 1971. p. 142.
La comunicación de dos vías es el aspecto clave del bus de campo.
Actualmente hay tres protocolos abiertos que se consideran buses de campo de proceso:
• HART: se considera un bus de campo, pero no se ajusta a su defini-ción completa, ya que no posee una comunicadefini-ción de dos vías real.2 Un instrumento HART no puede decirle nada al host a menos que se lo pida.
• Foundation Fieldbus (FF): se ajusta completamente a la definición del término bus de campo. FF utiliza la misma capa física que PROFIBUS PA y poseen una historia en común.3 A menudo, el tér-mino bus de campo se asocia erróneamente con FF, sin embargo, el término bus de campo hace referencia a todos los protocolos de comunicación de dos vías.
PROFIBUS: se ajusta por completo a la definición del término bus •
de campo, y como les mostraremos en este libro, es el único que ofrece una solución completa.
Este capítulo les presenta a PROFIBUS como el protocolo de comunica-ción principal para la industria de procesos, y muestra las ventajas ya comprobadas que este bus de campo le ofrece a la industria.
Automatización
La automatización se define como el uso de la tecnología para controlar una serie de eventos con poca o ningún tipo de asistencia del hombre. Por lo general, hay dos categorías de automatización:
• automatización de fábrica
• automatización de procesos
Automatización de fábrica: se refiere al tipo de automatización utilizado para la fabricación de objetos tales como autos o computadoras. Los tipos de información que entran y salen son en su mayoría variables discretas, encender esto o apagar aquello. Además, los procesos de fábrica tienden a ser muy rápidos, por lo que se necesita una red rápida.
Automatización de procesos: se refiere a la automatización utilizada en la producción de productos que requieren algún tipo de fórmula o secuencia de eventos como hacer masa para galletitas o mezclar quími-cos. Gran parte de la información que entra y sale corresponde a varia-bles analógicas (agregar 7,341 kg de aquello o elevar la temperatura de esto a 32,5ºC). Además, los procesos automatizados tienden a ser bas-tante lentos (en comparación con la automatización de fábrica) por ende, la necesidad de velocidad se reduce.
Un protocolo es un conjunto de reglas (estándar) que defi ne cómo dos o más dispositivos se comunican. Un protocolo abierto es aquel que no pertenece a ninguna empresa y todos pueden utilizarlo.
La mayoría de las industrias tienen una mezcla de automatización de fábrica y de procesos. Por ejemplo, una planta de montaje automotriz requeriría principalmente una automatización de fábrica, sin embargo, como para montar un automóvil se necesita mucha agua, entonces, la mayoría de las plantas de montaje además poseen una planta de trata-miento de agua, que requiere especialmente automatización de proce-sos. PROFIBUS es el único protocolo que realiza bien una automatización tanto de procesos como de fábrica, cumpliendo con todos los requisitos.
Muchos libros sobre PROFIBUS hablan sobre ambas pero tienden a con-centrarse en la automatización de fábrica. Este libro también hablará de ambas, pero se enfoca en la automatización de procesos.
Relación entre el instrumento y el sistema de
control
4En los sistemas de control sin bus de campo hay una división clara entre los dispositivos de campo y el sistema de control. En general, el técnico en instrumentación buscó los dispositivos de campo y el ingeniero de control reguló el valor analógico 4-20 mA que llegaba al sistema de control. El ingeniero de control a su vez verificó la precisión y la veloci-dad de respuesta, pero no estaba muy preocupado por los detalles del instrumento.
4 Powell, James. The Benefi ts of the Block Model Concept in Fieldbus Systems. ISA, 2005.
Proceso Discreto Ener gía Refi nerías A gua Químicos Petr óleo y g as
Pulpa y papel Cement
o y vidrio Me tal/minería Farmacéuticos Aliment os y bebidas A u tomo triz Electr ónica
Con PROFIBUS PA, los instrumentos son una parte integral del sistema y el ingeniero de control tiene un dominio total de los dispositivos. Desde la perspectiva del ingeniero, ahora no hay distinción entre los instrumen-tos y el sistema de control. Es un todo integrado.
Medida Bus de campo
Instrumento de campo Controlador
Medida 4-20 mA
Instrumento de campo Controlador
Considerar el instrumento como parte del sistema de control es un cambio de paradigma importante, ya que le otorga el rol que se le había reservado para el sistema de dominio. Como todo cambio importante, tiene una gran cantidad de beneficios (que discutiremos en la próxima sección) pero además algunos desafíos.
Un desafío constante con el enfoque PROFIBUS es capacitar a la gente sobre los beneficios de la tecnología, que sólo se pueden concretar si aquellos involucrados saben cómo aprovechar todo su potencial. Aunque los ingenieros de control y los técnicos de instrumentación siem-pre han trabajado juntos, cada grupo posee sus propias herramientas y su dominio. Ahora, el técnico de instrumentos necesita acceder al siste-ma de control para configurar y monitorear los instrumentos. El técnico también debe entender el modelo de bloque de la misma forma que el ingeniero de control, y trabajar en equipo para maximizar los beneficios
Benefi cios de usar
un bus de campo PROFUBUS
Un bus de campo en general, y PROFIBUS en particular, mejorará la efi-ciencia y reducirá los costos a lo largo de todo el ciclo de vida de la planta. Los beneficios clave son:
construcción/instalación optimizadas •
puesta en marcha más rápido •
mayor precisión •
verificación confiable de las variables del proceso •
gestión de activos de planta continua. •
Construcción/instalación optimizadas
Sin un bus de campo hay al menos un juego de cables para cada dispo-sitivo de campo -incluso, muchos dispodispo-sitivos de campo requerirían más de un juego-. Esto genera una gran cantidad de cables y de tendi-dos de cables. PROFIBUS reduce los innumerables conductores a un sólo cable PROFIBUS. Esta disminución ahorra tanto costos de instala-ción como espacio físico.
Puesta en marcha más rápida
Con los dispositivos 4-20 mA, el usuario final debe escalar los valores del dispositivo de campo y del controlador, y deben ser compatibles. Con PROFIBUS, los bloques de entrada y salida analógicas pasaron del controlador al dispositivo de campo, y ahora el usuario final realiza el
escalamiento desde un sólo lugar. Escalar un dispositivo es establecer el rango
(valor alto y valor bajo), de la salida y la entrada de un dispositivo. Una vez puse en marcha una planta de procesos
con casi mil instrumentos conectados a entradas/ salidas 4-20 mA. Durante la fase de puesta en mar-cha, un electricista y yo trabajamos durante sema-nas verificando que el escalamiento de los dispositivos de campo coincidiera con el de los PLC y HMI. La planta tenía 1,6 km de largo y hacer esta verificación implicó mucho esfuerzo y muchas caminatas.
Con PROFIBUS esto se hubiera hecho en pocos días en la comodidad de la sala de control, ya que el escalamiento se realiza en el instrumento y después se comunica con el instrumento a través de la red.
Además, para simular un lazo con dispositivos 4-20 mA, los valores del controlador se deben anular. Al bloquearlos, el dispositivo se puede desconectar, y con una fuente de alimentación con un poten-ciómetro se genera el valor deseado. En PROFIBUS, los valores de los dispositivos de campo se pueden simular, por lo que es muy simple y rápido simular un lazo de control y acelerar significativamente la puesta en marcha.
Finalmente, para programar/configurar dispositivos 4-20 mA, el dis-positivo debe tener un acceso físico, ya sea a través de teclados numé-ricos o programadores manuales. Con PROFIBUS, el dispositivo de campo se configura a través del bus.
La puesta en marcha, a través del bus, mejora la eficiencia de las ope-raciones ya que no requiere tiempo de desplazamiento de una perso-na hacia el dispositivo mismo. Además es más seguro porque el personal no necesita ingresar a zonas peligrosas o dificultosas. Los instrumentos 4-20 mA similares de diferentes proveedores se pro-graman de forma diferente. PROFIBUS estandariza eficientemente la instrumentación, asegurando que dispositivos similares de diferentes proveedores tengan parámetros centrales y una estructura en común, algo que no ocurre en otros protocolos. Esta generalización se extien-de también a los diferentes tipos extien-de instrumentos. Aextien-demás reduce los requisitos de capacitación y acelera la puesta en marcha ya que el per-sonal se desplaza más fácilmente de un instrumento a otro.
Para resumir, PROFIBUS acelera la puesta en marcha porque: el escalamiento se realiza en un sólo lugar
•
se simulan los valores del proceso, acelerando la verificación •
de lazos
la configuración se realiza a través del bus •
se unifican los dispositivos. •
Mayor precisión
Actualmente, todos los dispositivos de campo utilizan tecnología digi-tal. Por lo tanto, con los dispositivos 4-20 mA, los dispositivos tendrán que tomar el valor digital que viene dado y convertirlo en valor analógi-co para transmitirlo vía lazo 4-20 mA. Luego, en el analógi-controlador, esta señal se deberá convertir de nuevo en una señal digital. La precisión se pierde durante estas dos conversiones. PROFIBUS elimina la necesidad de realizar estas dos conversiones.
pasar inadvertido hasta que pase algo en el proceso, una situación que debemos evitar. Esta ceguera del proceso posee varios costos asociados porque el proceso podría interrumpirse, generando posiblemente:
daños al equipo •
pérdidas de inventario •
derrames que limpiar •
daños al entorno. •
Una comunicación adecuada, mantendrá el proceso funcionando de modo seguro, y es el componente clave en la gestión de activos de la planta.
Permite la gestión de activos de planta
La gestión de activos de la planta intenta obtener los mayores benefi-cios de una inversión. Tradicionalmente, la gestión de activos en el mundo de los procesos se enfocaba sólo en la instrumentación. PROFIBUS ha expandido el significado de esta definición hasta incluir una amplia variedad de dispositivos como computadoras, interrupto-res de red, controladointerrupto-res, motointerrupto-res, máquinas e instrumentos. La comunicación de dos vías de PROFIBUS habilita una cantidad de fun-ciones que aumentarán el retorno de la planta sobre los activos. La gestión de activos es un tema amplio que analizamos en detalle en el
Capítulo Siete.
PROFIBUS: Comienzos
El término PROFIBUS es una fusión de PROcess FIeldBUS y define al protocolo industrial diseñado para cubrir todos los requisitos de automatización industrial al enlazar una variedad de dispositivos de procesos. Ningún otro protocolo ofrece una solución de automatiza-ción completa, y ARC5 identifica: "La propuesta de valor única de PROFIBUS es su capacidad para integrar de forma homogénea los instrumentos de proceso, como transmisores de presión y caudalí-metros, con el otro lado de la aplicación donde están los dispositivos discretos y de control de movimiento, como accionamientos y sensores".6
PROFIBUS es el único protocolo que abarca toda la planta, a diferen-cia de otros como Foundation Fieldbus o DeviceNet, que requieren más de un protocolo para crear todas las aplicaciones diferentes en una planta de procesos. Por lo tanto, con PROFIBUS, el personal sólo necesita conocer una serie de herramientas y saber un protocolo.
5 Fundada en 1986, ARC Advisory Group es la empresa de asesoría e investigación para las
soluciones de manufactura, energía y cadena de abastecimiento (www.arcweb.com).
6 Informe técnico ARC, mayo 2004, The Value Proposition of PROFIBUS in the Hybrid
Esto simplifica las operaciones y reduce la cantidad de capacitación necesaria.
Como protocolo de automatización industrial, PROFIBUS utiliza diferentes aspectos de sí mismo y funciona como un libro con muchos capítulos. El título de libro es PROFIBUS DP, y los capítulos son PROFIBUS PA, PROFIsafe, y PROFIdrive. Cada capítulo representa una fracción significativa del todo. PROFIBUS DP define el protocolo central y cada uno de los PROFI están definidos dentro del estándar PROFIBUS DP, sumando funcionalidad al protocolo central.
PROFIBUS DP DP: Periféricos descentralizados
PROFIBUS PA PA: Automatización de procesos
PROFIsafe PROFIBUS para aplicaciones de seguridad
PROFIdrive PROFIBUS para aplicaciones de accionamientos
Control con PROFIBUS
En la década del 80 y a principios de los años 90, la automatización estaba limitada a muchos protocolos de red propietarios diseñados y pertenecientes a fabricantes de automatización individuales:
Honeywell – DMCS, • GE Fanuc – GENIUS, • Modicon – ModbusPlus •
Estos protocolos funcionaban pero los usuarios estaban atados a ese proveedor durante toda la vida útil de la planta, negándole efectiva-mente el acceso a la instrumentación de la competencia y dejándolos a merced de sus controles de precios.
Sin embargo, PROFIBUS es un protocolo abierto de PROFIBUS y PROFINET International que es una organización de empresas. Abierto signifi ca que cualquiera puede usarlo y que ninguna empresa lo contro-la o emite opinión sobre quién puede usarlo.
Aunque en ciertas ocasiones se lo ha llamado protocolo propietario de Siemens, Siemens es sólo una de las 1.400 empresas miembro que con-forman PROFIBUS Internacional. Siemens es una de las empresas invo-lucradas en el desarrollo inicial de PROFIBUS, muy activa en PROFIBUS y PROFINET International (PI). No obstante, ni Siemens ni ninguna de las otras empresas miembro tiene derecho a decir quién usa o deja de usar este protocolo.
Si un usuario elige PROFIBUS, no está comprometido con ningún proveedor.
PROFIBUS International: breve lista de miembros
ABB Emerson Endress + Hauser
Yokogawa Vega Siemens
GE FANUC Softing Invensys / Foxboro
Rockwell Schneider Electric Fuji Electric
Así empezó todo: desarrollo PROFIBUS
PROFIBUS posee una historia de diseño significativa ya que se desarrolló para cubrir las necesidades de protocolos de red del mercado. PROFIBUS comenzó como parte de un proyecto para un bus de campo de una asocia-ción de trece empresas y cinco universidades en Alemania en 1987. Las empresas miembro coincidieron en un concepto de bus de campo están-dar para la automatización de procesos, y PROFIBUS FMS (Especificación de Mensaje de Bus de Campo) fue la primera versión. Para 1993, la necesi-dad de un protocolo más rápido y más sencillo llevó a PROFIBUS DP, que reemplazó a FMS.
DP-V0, la primera versión de la especifi cación PROFIBUS DP, defi nió la estructura de comandos total del protocolo y las funciones para lectura y escritura de datos de prioridad temporal crítica. A la lectura y escritura de datos de prioridad temporal crítica se la conoce como intercambio de datos en el mundo PROFIBUS y es vital para la funcionalidad de PROFIBUS.
DP-V2
Funciones agregadas para PROFIdrive
DP-V1
Funciones agregadas para PROFIBUS y PROFIsafe
DP-V0
Estructura total defi nida de PROFIBUS Primera versión del protocolo compatible con DP-V1 y DP-V2
La segunda versión de la especificación PROFIBUS DP, DP-V1, agre-gó funciones para la automatización de procesos y las aplicaciones de seguridad (PROFIBUS PA y PROFIsafe), y utilizó la misma estruc-tura de comandos general según lo definía DP-V0, a la vez que ase-guraba la interoperabilidad. La interoperabilidad es la capacidad para comprar un dispositivo de cualquier proveedor, conectarlo a una red PROFIBUS y hacerlo funcionar.
Luego surgió DP-V2 que agregó las funciones necesarias para apli-caciones con accionamientos de alta velocidad, utilizando la misma estructura de comandos general definida en DP-V0.
Todas las versiones diferentes del protocolo pueden coexistir en la misma red y funcionar juntas. La única limitación es qué comandos soporta el maestro. Un maestro DP-V0 puede realizar un intercambio de datos con un dispositivo de campo DP-V2. Sin embargo, un maes-tro DP-V0 no puede utilizar comandos DP-V1 o DP-V2 en los disposi-tivos de campo porque no los conoce. En ese caso debe conseguir un maestro actualizado que coincida con la versión del dispositivo de campo.
PROFIBUS DP: Periferia descentralizada
PROFIBUS DP es el núcleo del protocolo que define todas las funcio-nes básicas que utilizaremos el resto de los capítulos. PROFIBUS DP a menudo se asocia con la capa física basada en RS-485. La capa física es cómo la información digital (los unos y los ceros), viaja de un lado a otro. PROFIBUS DP puede tener muchas capas físicas como RS-485, inalámbrica, y fibra óptica, que se interconectan fácilmente. RS-485 es la capa física más comúnmente utilizada para PROFIBUS debido a su capacidad para transmitir a altas veloci-dades y a su robustez en entornos industriales muy ruidosos. PROFIBUS DP se utiliza principalmente para dispositivos de entrada/ salida de alta velocidad y para enlazar dispositivos inteligentes (como sistemas de accionamientos). PROFIBUS posee un gran paquete de datos (244 bytes) para manejar información fácilmente desde un rack de entrada/salida remota o un accionamiento en un sólo mensaje. Como la velocidad de los datos alcanza hasta 12 mega bits por segundo, esta información regresa al controlador en un lapso muy breve.
PROFIBUS DP tuvo éxito tanto en la automatización de fábricas como en la automatización de procesos:
La interoperabilidad es una fortaleza de PROFIBUS
El estándar RS-485 defi ne las características eléctricas del cable, y los niveles de tensión y corriente de la señal digital.
• la automatización de procesos utiliza principalmente dispositivos analógicos, y PROFIBUS DP enlaza segmentos PROFIBUS PA, racks E/S remotas, accionamientos y algunos instrumentos.
PROFIBUS PA: Automatización de Procesos
PROFIBUS PA (Automatización de Procesos) es una serie de funciones agregadas a las especifi caciones PROFIBUS versión 1.0 (DP-V1) para que el protocolo sea más útil en las industrias de procesos. A PROFIBUS PA se lo asocia a menudo con la capa física Manchester encoded Bus Powered (MBP), defi nida en el estándar IEC 61158-2. Ya que las industrias de procesos utilizan principalmente dispositivos con entradas y salidas analógicas, se agregó una serie de funciones para facilitar el enlace de muchas funciones unitarias de los dispositivos analógicos en una capa física dedicada. Se agregaron las siguientes características:
energía del bus •
diseño intrínsicamente seguro •
capacidad de configuración a través del bus •
perfiles del dispositivo. •
Energía de bus
La energía del bus es una característica importante para la instalación de una red. Si un dispositivo se comunica y se alimenta a través de un sólo cable, el usuario fi nal ahorra dinero porque sólo necesitará un cable en vez de dos para hacer funcionar el dispositivo de campo. En las industrias de procesos, donde hay muchos dispositivos analógicos de una sola función, los dispositivos alimentados a través del bus ahorran dinero.
Esta función, junto con un diseño intrínsicamente seguro, quedaron cubiertos con la introducción de la capa física Manchester encoded Bus Powered (MBP), definida en el estándar IEC 61158-2.7 Ver Capítulo Tres para más detalles sobre esta capa física.
Intrínsicamente seguro
Un dispositivo intrínsicamente seguro mantiene la tensión y la corriente lo suficientemente bajas como para que no generen chispas que puedan encender el ambiente, por eso su uso es seguro en muchas industrias de procesos. Varios de estos entornos poseen químicos que se transportan en el aire o partículas que podrían estallar si se generase una chispa.
7 International Electrical Congress (IEC) es una organización normativa internacional
comprometida con la creación y el mantenimiento de estándares internacionales y abiertos para su uso en la industria eléctrica.
Los dispositivos analógicos poseen un rango de valores, la válvula está abierta en un 75,25%.
Confi guración a través del bus
Para un sistema con una gran cantidad de dispositivos con funciones únicas, una configuración efectiva y el mantenimiento de los dispositi-vos puede generar problemas de acceso físico y tiempo de parada. La capacidad para configurar y resolver los problemas de un dispositivo en la red, elimina la dificultad de acceso, y la resolución de problemas de la red ahorra tiempo y evita posibles tiempos de parada.
Perfi les de dispositivos
Un perfil es la estandarización de un dispositivo de campo desde el punto de vista del bus. Define cuál es la salida y cuáles son los parámetros centra-les del dispositivo. Un perfil estandarizado crea una unificación entre:
dispositivos del mismo fabricante y tipo (presión, temperatura, •
nivel, fl ujo, posicionadores de válvulas)
dispositivos del mismo tipo y de diferentes fabricantes •
dispositivos de diferente tipo. •
Por ejemplo, los trasmisores de presión, nivel y temperatura usarían todos los mismos bloques de entrada analógica y tendrían todos el mismo formato de salida.
Esto representa un gran valor para el usuario final, ya que reduce los costos de ingeniería y de formación. Como las salidas son estándar, no necesita diseñar códigos especiales en el controlador para manipular las entradas/salidas, reduciendo costos de ingeniería. Es más, una vez que entiende cómo funciona un tipo de dispositivo de campo PA, el segundo es fácil ya que trabajan de la misma forma. Por lo tanto, el personal sólo necesita formación sobre un método operativo que se aplica luego a todo el sistema.
Capa física
La energía del bus y la seguridad intrínseca son parte de la capa física que se introdujo con DP-V1, así como también la configuración a través del bus y el perfil estándar. La mayoría de los instrumentos utilizan la nueva capa física MBP. No obstante, no lo necesitan,8 y muchos instru-mentos se pueden colocar en la capa física RS-485 porque no lo requie-ren, o no tienen la capacidad para utilizar las funciones de la MBP.
Los instrumentos pueden no usar MBP porque:
el instrumento requiere más energía de la que el bus le provee •
el instrumento no puede ser intrínsicamente seguro •
la variable de proceso del instrumento posee alta velocidad de •
actualización.
Por ejemplo, algunos caudalímetros no pueden alimentarse del bus porque requieren demasiada energía. Estos caudalímetros también poseen alta velocidad de actualización. Los medidores Siemens están disponibles en ambas versiones: MBP y RS-485 (PROFIBUS PA y PROFIBUS DP), y ambas utilizan el perfil estándar y se configuran a través del bus. NOTA: este libro se basa en PROFIBUS DP-V1 ya que es el protocolo que mejor se adapta a las industrias de procesos por la operación intrínseca-mente segura de su protocolo y las propiedades de configuración del bus.
HART en PROFIBUS
El Transductor Remoto Direccionable de Alta Velocidad (HART) es un protocolo bien establecido, diseñado para conectar dispositivos de campo con sistemas de control. A HART a menudo se lo considera la transición entre el mundo 4-20 mA y el mundo enteramente digital de PROFIBUS, ya que contiene tanto la señal 4-20 mA, como la señal digi-tal. La señal digital está superpuesta en la señal 4-20 mA y se utiliza para configurar y resolver problemas. La señal 4-20 mA se usa para transmitir la variable de proceso principal.
HART es un protocolo bastante simple y no posee el concepto de perfil detallado de PROFIBUS PA. Por lo general, tiene una conexión punto a punto y funciona a 1.200 bits por segundo. El canal de comunicación no posee la inmunidad al ruido eléctrico de PROFIBUS PA.
Este protocolo lo desarrolló a mediados de los '80 Rosemount, y luego se convirtió en un protocolo abierto en 1993, cuando la propiedad inte-lectual se donó a la Fundación HART Communication (HCF). Hay una gran cantidad de instrumentos instalados basados en HART. La mayoría de los instrumentos HART está conectada al sistema de control vía una tarjeta 4-20 mA, y la señal digital sólo se utiliza en el momento de la puesta en marcha para la configuración.
DP-V1 introdujo un método estandarizado para encapsular el mensaje HART en un paquete PROFIBUS. Esto facilita la integración de dispositivos HART en redes PROFIBUS. Una gran cantidad de proveedores como CEAG, Pepperl+Fuchs, Siemens y Stahl hicieron módulos (racks E/S remota) para conectar instrumentos HART a redes PROFIBUS.
Los instrumentos pueden estar en la capa física MBP o RS-485 y aún así estar diseñados para el perfi l estándar PROFIBUS PA.
Facilitar la integración de dispositivos HART en redes PROFIBUS fue una idea brillante, ya que hay muchos instrumentos basados en HART. Tuve un cliente que quería actualizar su planta reemplazando la mayoría de los instrumentos. Sin embargo, deseaba mantener muchos que estaban en buenas condiciones, y a pesar de que estaban conectados a tarjetas de entrada 4-20 mA, eran instrumentos HART. Al usar HART con funciones PROFIBUS, pudieron mantener estos instrumentos. Además, pudieron utilizar la capacidad de diagnóstico escondida de estos instrumentos.
Con PROFIBUS, el sistema de control estaba configurado para verificar el estado de los ins-trumentos HART regularmente. Cuando surgía alguna anomalía, SIMATIC PDM buscaba entre los instrumentos, como si fuera un dispositivo PROFIBUS PA. Configurar el monitoreo de esta-do requería más trabajo que con los instrumen-tos PA, pero aún así funcionó muy bien, y al no reemplazar esos instrumentos HART, ahorraron mucho dinero.
PROFIsafe
PROFIsafe agregó un diagnóstico mejorado a PROFIBUS, permitiendo así su uso en sistemas seguros, adecuados para aplicaciones hasta SIL-3, según el estándar IEC-61508. Los sistemas de seguridad requieren un método de transporte de datos seguro, donde la probabilidad de ocurrencia de un error no detectado sea extremadamente baja. Para alcanzar estos altos estándares de seguridad, el sistema debe poder detectar los siguientes errores: repetición de mensajes • pérdida de mensajes • inserción de mensajes •
secuenciamiento incorrecto de mensajes •
PROFIBUS con PROFIsafe fue el primer protocolo abierto certifi cado por TUV para aplicaciones hasta SIL nivel 3.
Para detectar estos errores, se agregaron las siguientes características: lazo de retorno de datos (cada mensaje se confi rma)
•
verifi cación de errores adicional •
numeración consecutiva de mensajes •
tiempo esperado de mensajes •
identifi cación de transmisor y receptor. •
Lazo de retorno de datos
Este método de confirmar la información es similar al de ingresar los números de una tarjeta de crédito por teléfono. Este número se ingresa y luego el receptor lo repite para confirmar que haya sido grabado correctamente, evitando sorpresas cuando llega la cuenta a fin de mes. PROFISafe hace lo mismo con los datos: repite el mensaje para asegurar-se de que asegurar-sea correcto, reduciendo la probabilidad de transmitir un men-saje erróneo. Mientras que PROFIBUS posee verificación de errores, PROFIsafe aumenta la red de seguridad al retomar el lazo de la informa-ción para detectar errores de bit.
Verifi cación adicional de errores
La verificación de errores es un método para verificar que todos los datos que llegan no tengan errores de bit, asegurándose de que el bina-rio 1 no se haya interpretado como binabina-rio 0. Hay diferentes métodos para hacer esto, incluyendo un esquema de verificación de errores estándar de PROFIBUS. Sin embargo, para los sistemas de seguridad, se necesitó una verificación adicional de errores para rehuir a la posibili-dad de un error de bit no detectado.
Número consecutivo de mensajes
Los mensajes se identifican con un número único consecutivo: si un mensaje se pierde o se corrompe debido a errores de bit, el sistema lo sabe. Por ejemplo, si un controlador recibe el mensaje 123, 124, y luego pasa al 126, sabe que falta el 125.
Tiempo esperado de mensajes
Los mensajes no sólo deben llegar a destino, sino que también deben hacerlo dentro de un tiempo determinado. Esto le asegura que si la comunicación se interrumpe, ambos lados se enteran lo más pronto posible.
Identifi cación de transmisor y receptor
Cuando se trabaja con seguridad, asegúrese por completo de que el controlador le esté hablando al dispositivo correcto y que el dispositivo esté hablando con el controlador correcto. Esto evita que un mensaje no relacionado con la seguridad se disfrace de uno de seguridad.
Sistemas de seguridad y PROFIBUS
Los sistemas de seguridad tradicionalmente se instalaban con relés de seguridad. A pesar de que los sistemas cableados son muy confi ables, son difíciles de instalar y mantener, e instalar un sistema de seguridad de relés requiere un cableado manual considerable. Para realizar cualquier cambio o para hacer algún agregado, el recableado se convierte en algo muy costoso y complicado por el gran volumen de cables.
Los controladores de automatización son más eficientes ya que se redu-cen los requisitos de cableado, y modificar cualquier lógica o hacer alguna adición es a través del software. Actualmente, PROFIsafe es ampliamente utilizado para enlazar racks E/S remotas en PROFIBUS DP. De este modo, las tarjetas de entrada y salida se colocan cerca de los dispositivos en el campo. El próximo paso para la eficiencia es llevar el protocolo directamente al instrumento de campo. PROFIBUS con PROFIsafe funciona muy bien en ambas topologías. Además, con la información adicional provista por PROFIBUS, los ingenieros de seguri-dad pueden determinar la causa y el tiempo precisos de una interrupción.
Una vez trabajé con un sistema de seguridad de una planta de acero. Durante la segunda fase de expan-sión, debíamos ampliar el sistema. Dada la compleji-dad del sistema y la gran canticompleji-dad de cables, no era una tarea sencilla, y un pequeño problema en el cableado interrumpiría todo el sistema. Rastrear el problema nos llevó más de una hora. Con un siste-ma PROFIBUS, hubiéramos hallado el mismo proble-ma en minutos.
Además, durante la producción, cada vez que ocu-rría un disparo de seguridad, nos llevaba un tiempo descubrir por qué el sistema se había interrumpido. El diagnóstico en PROFIBUS hace esta tarea mucho más fácil y rápida.
PROFIdrive
Aunque PROFIdrive agrega las funciones necesarias para trabajar con aplicaciones con accionamientos de alta velocidad, PROFIBUS DP fun-ciona bien para muchas de las aplicaciones de acfun-cionamientos de la industria de procesos. Sin embargo, en ciertas aplicaciones, en especial
Para estas aplicaciones, el estándar PROFIBUS se debe complementar con estas funciones clave de PROFIdrive:
tiempo de ciclo DP constante (equidistante) •
sincronización de reloj •
intercambio de datos entre dispositivos esclavos. •
Tiempo de ciclo DP constante (equidistante)
En la mayoría de las aplicaciones, si hay una pequeña variación durante un ciclo de proceso programado no interesa. Entonces, encender una bomba de aguas residuales a 1122 ms o a 1125 ms no interfi ere con el proceso. Sin embargo, si el eje de una máquina de alta velocidad se mueve dos ms más tarde de lo que debiera, el proceso sí se ve afectado porque en esos dos ms la máquina recorrió medio metro. Para estas aplicaciones se requiere un tiempo de ciclo DP constante y PROFIdrive le ofrece esta seguridad.
Sincronización de reloj
Cada accionamiento funciona con su propio reloj. Para una máquina de alta velocidad con ejes múltiples, tener dos accionamientos que deban moverse simultáneamente con relojes internos desfasados es un pro-blema. La sincronización asegura armonía.
Intercambio de datos entre dispositivos esclavos
Dada la necesidad de alta velocidad, los diferentes dispositivos no pue-den esperar a que el maestro envíe la información a cada esclavo por separado. Entonces, se agregó la función de intercambio de datos entre esclavos para resolver este problema. Permite que un esclavo escuche los datos necesarios de otro esclavo. Así, un esclavo publica los datos y el otro suscribe a esos datos. En términos de comunicación, esto se llama algoritmo de publicador/suscriptor.
PROFINET
Si PROFIBUS es un libro, entonces PROFINET es otro libro del mismo autor. PROFINET fue diseñado para utilizar grandes secciones del protocolo PROFIBUS. Por ejemplo, el libro PROFINET, también tiene capítulos llamados PROFIdrive y PROFIsafe. Ambos protocolos poseen muchas cosas en común, incluyendo la organización que los regula, PROFIBUS y PROFINET International (PI).
PROFINET fue diseñado como una red única y abarcadora para la auto-matización industrial con las siguientes características:
E/S en tiempo real •
integración entre pares •
control de movimiento •
integración vertical de diferentes buses •
seguridad •
protección. •
PROFINET usa tecnología Ethernet que ya hace años está en el entorno de las oficinas y es la que alimenta Internet. Ethernet define:
una capa física • un esquema de direccionamiento. • ERP MES Columna Ethernet PLC/DCS PROFINET PROXY PROFIBUS PA HART FF H1 PROFIBUS DP DeviceNet
Capa física: es el método para transferir información de un dispositivo a otro. En el Capítulo Tres veremos que PROFIBUS puede tener diferen-tes capas físicas. Sin embargo, estas otras capas físicas para PROFIBUS utilizan el mismo esquema de direccionamiento.
Esquema de direccionamiento: Ethernet define su propio esquema de direccionamiento el cual influye significativamente en cómo trabaja la red y el rango de aplicaciones que puede completar. En especial, el esque-ma de direccionamiento, junto con su capacidad de esque-manejo de datos, facilita el uso de los protocolos basados en Ethernet tanto en redes de área local como en redes de área amplia, abarcando diferentes áreas geo-gráficas. Por eso, los protocolos basados en Ethernet cuentan con una ventaja importante en comparación con los protocolos más usados en las redes de área local.
PROFINET se desarrolló para aprovechar los siguientes aspectos de Ethernet:
funciona bien en redes de área local y en redes de área amplia •
se acopla a las redes locales de forma eficiente •
se adquiere a bajo costo debido al gran volumen de ventas de •
Ethernet
opera con un gran ancho de banda por lo que es muy rápido y •
maneja gran cantidad de datos.
Al diseñar PROFINET, PROFIBUS International (PI) pudo haber simplemen-te codificado el mensaje PROFIBUS en un mensaje Ethernet, como lo ha hecho Modbus TCP/IP. Pero como PROFIBUS también quería sacar el mayor provecho posible del ancho de banda y de la velocidad de Ethernet, PI diseñó un nuevo protocolo para utilizar el direccionamiento y la funcio-nalidad de Ethernet, pero manteniendo la propiedad intelectual PROFIBUS. Esta solución óptima adoptó toda la funcionalidad Ethernet y maximizó sus beneficios.
PROFINET se puede utilizar en una amplia gama de aplicaciones como:
conectar diferentes redes •
accionamientos de alta velocidad •
control distribuido. •
La lista se amplía siempre ya que PI agrega continuamente más funcio-nalidades a PROFINET.
Una red de área local se limita a un área geográfi ca pequeña como un edifi cio, una red de área amplia se ubica a lo largo de una zona geográfi ca grande como un grupo de edifi cios, una ciudad o una planta.
Cuando nos preguntan si deben usar PROFINET o PROFIBUS, la respues-ta es "Sí". Ambos protocolos se complemenrespues-tan. Del mismo modo que cuando utiliza Word® y Excel®9, el usuario pasa fácilmente de un proto-colo a otro para realizar diferentes tareas, y puede usar el conocimiento común tanto para uno como para otro. Cada uno de los dos protocolos posee aplicaciones en las que se destaca y es decisión del usuario final elegir la mejor para sus aplicaciones. PI cree que ambos continuarán creciendo, pero en el futuro, PROFIBUS comenzará a quedar de lado y PROFINET ganará más terreno debido a las ventajas de Ethernet men-cionadas anteriormente. Pero esto, sin embargo, llevará un tiempo. En las aplicaciones de automatización de procesos, PROFINET se utiliza para unir PROFIBUS con otras redes. Pero para las aplicaciones de con-trol, hay pocos proyectos PROFINET, ya que la mayoría actualmente usa PROFIBUS.
NOTA: la unión de redes es una función avanzada, por eso, PROFINET no se verá en detalle en esta publicación.
Próxima parada del BUS
En los siguientes capítulos veremos cómo funciona PROFIBUS y cómo utilizarlo. A modo de introducción a PROFIBUS, el contenido se enfoca en aplicaciones prácticas, limitando la teoría a proveer una base en pos de la comprensión.
A continuación en el recorrido de este bus veremos lo siguiente: detalles sobre cómo funciona el protocolo
•
• perfiles y cómo se diseñan para ayudar al usuario de procesos diferentes capas físicas y componentes de red
•
cómo diseñar y construir una red PROFIBUS •
cómo operar una red PROFIBUS •
cómo resolver problemas de una red PROFIBUS. •
Así que tome asiento, no pierda de vista su boleto de transferencia y que comience el viaje.
Cómo funciona el BUS
Y corres y corres para alcanzar el sol, pero se está hundiendo, dando la vuelta para salir detrás de ti de nuevo.1Cuando PROFIBUS International amplió el protocolo PROFIBUS a DP-V1 para que funcione mejor en las industrias de procesos, no sólo incluyó las funciones adicionales del protocolo, sino que también estableció los estándares asociados con el funcionamiento de los dispositivos. Este capítulo analiza cómo funciona el protocolo, los dispositivos clave estándar que se agregaron y los beneficios que se obtuvieron.
La ruta del BUS
Este bus hace las siguientes paradas:
conceptos simples: lo básico para entender PROFIBUS •
escaneo del bus PROFIBUS: cómo funciona •
diagnóstico •
perfiles: estándares de los dispositivos. •
Conceptos simples
PROFIBUS se basa en una cantidad de conceptos y términos simples, y esta sección los define y los une para mostrarles cómo funciona el protocolo.
Maestro-esclavo y la red en anillo
El protocolo PROFIBUS trabaja combinando dos conceptos de comuni-cación bastante sencillos llamados maestro-esclavo y red de anillo, que conforman la base de operaciones del protocolo.
Maestro-Esclavo: esta relación es el corazón del protocolo PROFIBUS. En un protocolo maestro-esclavo, un dispositivo de la red está defini-do como maestro y es aquel que posee el mandefini-do. Todefini-dos los otros dis-positivos de la red se llaman esclavos. Ningún esclavo puede hablar en la red, salvo que el maestro primero le diga al dispositivo que puede hacerlo.
1 Pink Floyd, “Time.” Dark Side of the Moon, 1973.
Hablar en la red signifi ca transmitir datos.
Red en anillo: Este concepto funciona como una carrera de relevos en la que se pasa un testigo de un corredor al siguiente, quien no puede correr hasta que no tenga el testigo. PROFIBUS utiliza el mismo concep-to entre diferentes maestros. Un maestro sólo puede hablar en un bus cuando tiene el testigo. Este testigo pasa de maestro en maestro, de a uno por vez, en círculo. El testigo es un permiso del maestro para hablar y completar su función, y después pasarlo. Cuando el testigo terminó su circuito, vuelve a comenzar.
Maestro: el mundo PROFIBUS define dos tipos diferentes de maestro:
• Maestro clase uno
Controlador típico (por ej. Sistema de Control Distribuido •
[DCS], Controlador Lógico Programable [PLC])
• Maestro clase dos
Estación de trabajo de ingeniería estándar utilizada para confi-•
gurar la red o resolver problemas (por ej. SIMATIC PDM). Esclavo: cualquier dispositivo que no es un maestro de clase uno ni dos es un dispositivo esclavo. Un dispositivo esclavo sólo habla en el bus cuando le hablan. La mayor parte de los dispositivos en una red PROFIBUS son esclavos ya que hacen la mayor parte de las tareas pesadas.
Tipos de mensajes PROFIBUS
PROFIBUS posee dos tipos diferentes de mensajes: los mensajes de prio-ridad temporal crítica y los de prioprio-ridad temporal no crítica, que se dife-rencian por la velocidad a la que se entregan.
Mensajes de prioridad temporal crítica: comunicación de información de entrada/salida (E/S) que se utiliza para control. Llegan vía servicios cíclicos.
Mensajes de prioridad temporal no crítica: comunicación de informa-ción de configurainforma-ción y diagnóstico avanzado. Llegan vía servicios acíclicos.
Servicios cíclicos: son un grupo de comandos que se utilizan durante el intercambio de datos entre el maestro y el esclavo. Se llama cíclico porque los comandos ocurren en cada ciclo del bus, y por lo general son enviados por un maestro clase uno. Los datos de estos mensajes son típicamente de entrada/salida (E/S) a los fines del control. Estos mensajes son todos de prioridad temporal cíclica.
En PROFIBUS DP-V0, el formato de los datos de E/S no está definido. Sin embargo, para los dispositivos diseñados según las especificaciones de Los datos de entrada
son los que vienen del dispositivo de campo, y los datos de salida, los que van al dispositivo de campo.
Las E/S son analógicas y digitales. Los datos analógicos se ocupan de las variables que están representadas por un número de coma flotante. Dos ejemplos de números de coma flotante serían 1,234 o 23,34458. Estos números representarían medidas en el mundo real como la tem-peratura en grados C o el nivel en metros. Los datos digitales se ocupan de las variables que son ON u OFF, y que se representan con un 1 para ON, y con 0 para OFF. Estos números reflejan el estado de algo en el mundo real como si las luces están encendidas o apagadas, o si un tan-que está lleno o no.
Digital y analógico se envían en diferente formato en PROFIBUS. Una variable de entrada/salida analógica se envía con cinco bytes:
los primeros cuatro bytes son la representación de la coma flotan-•
te IEEE2 de la variable de proceso principal (PV) el quinto byte es el que refleja el estado de la PV. •
Una variable de entrada/salida digital se envía como dos bytes: el primer byte refleja el valor del
•
interruptor (ON u OFF)
el segundo byte refleja el estado •
de la PV.
Servicios acíclicos: son un grupo de comandos utilizados luego del intercambio de datos entre el maestro y el esclavo. Se llama acíclico porque se inicia sólo a pedido y puede tardar varios ciclos hasta com-pletar la comunicación, y el maestro nunca sabe exactamente cuándo se completará, quizás sólo le tome 100 ms o quizás más. Los datos comunicados de esta forma son de configuración o de diagnóstico avanzado que sólo utilizan los operadores humanos. Por lo tanto, un tiempo de demora variado no representa un problema para las opera-ciones del sistema.
2 El IEEE es el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos. Establece los estándares
de comunicación digital como el IEEE 754 que defi ne cómo representar un número de
Un byte tiene 8 bits de largo. Un bit es un dígito binario, 1 o 0.
Valor digital
Byte 1 Byte 2
Estado Valor coma fl otante IEEE
Byte 1 Byte 2 Byte 3 Byte 4 Byte 5
Escaneo del bus PROFIBUS (¡la ruta del bus!)
Esta sección une maestro-esclavo, red en anillo, maestros múltiples, esclavos, servicios cíclicos y servicios acíclicos para mostrar cómo fun-ciona el escaneo del bus PROFIBUS. La operación real de un escaneo de bus es similar a la ruta que sigue un autobús de pasajeros en sus ron-das: cada parada está planificada y cronometrada, y toda la ruta esta pre-planificada.
Para entender mejor esto, conviene mirar un sistema con dos maestros clase 1, y uno clase 2 (llamados maestro A, maestro B y maestro C respectivamente).
El maestro A tiene 4 esclavos: esclavo 1, esclavo 2, esclavo 3 y esclavo 4. El maestro B tiene 3 esclavos: esclavo 5, esclavo 6 y esclavo 7. El maestro C no tiene esclavos y es un maestro clase 2.
maestro A clase 1 esclavo 1, esclavo 2, esclavo 3, y esclavo 4
maestro B clase 1 esclavo 5, esclavo 6, y esclavo 7
maestro C clase 2 sin esclavos
El escaneo de bus seguirá el siguiente orden: el Maestro A recibe el testigo
•
el Maestro A envía salidas al esclavo 1 y pide entradas •
el Esclavo 1 envía entradas a maestro • A
el Maestro A envía salidas al esclavo 2 y pide entradas •
el Esclavo 2 envía entradas a maestro • A
el Maestro A envía salidas al esclavo 3 y pide entradas •
el Esclavo 3 envía entradas a maestro • A
el Maestro A envía salidas al esclavo 4 y pide entradas •
el Esclavo 4 envía entradas a maestro • A.
➡
El Maestro A tiene algo de tiempo para enviar una lectura acíclica o escribir una en sus esclavos. Sin embargo, esta vez no hay coman-dos no cíclicos pendientes, así que le pasa el testigo al maestro B. el Maestro B envía salidas al esclavo 5 y pide entradas
•
el Esclavo 5 envía entradas a maestro • B
el Maestro B envía salidas al esclavo 6 y pide entradas •
el Esclavo 6 envía entradas a maestro • B
el Maestro B envía salidas al esclavo 7 y pide entradas •
el Esclavo 7 envía entradas a maestro • B.
El Maestro B tiene un poco de tiempo para enviar una lectura acícli-•
ca o escribirle a uno de sus esclavos. En este caso, tiene una lectura acíclica pendiente de la última vez que intentó leer información del esclavo 6, pero obtuvo un mensaje de respuesta diciendo que esta-ba ocupado. El maestro B envía un pedido de lectura acíclica al esclavo 6.
El esclavo 6 tuvo el tiempo suficiente para reunir la información •
que el maestro B quería, entonces responde al pedido de lectura acíclico al enviarle la información requerida al maestro B.
➡
El Maestro B le pasa el testigo al maestro C.
El Maestro C está en pleno proceso de lectura de los datos de configu-•
ración del esclavo 2, entonces le envía una lectura acíclica al esclavo 2. El esclavo 2 envía los datos de configuración pedidos al maestro C. •
El Maestro C pasa al testigo a maestro A y el proceso se inicia •
nuevamente.
NOTA: esta representación de escaneo es una simplificación donde se omiten los mensajes administrativos de la red para mayor claridad.3 Este esquema es una representación visual del escaneo del bus.
Comandos acíclicos de un maestro clase uno o dos
Los servicios acíclicos ofrecen un método para leer y escribir informa-ción de prioridad temporal cíclica desde y hacia el dispositivo de campo. Para que esto funcione, tanto el dispositivo de campo como el maestro deben soportar DP-V1.
3 Para más detalles sobre escaneo de bus lea The New Rapid Way to PROFIBUS DP,
TESTIGO
DP-esclavo 1 DP-esclavo 2 DP-esclavo 3 DP-esclavo 4 DP-esclavo 5 DP-esclavo 6 DP-esclavo 7 TESTIGO PROFIBUS DP Maestro clase 1 (p ej. PLC) PROFIBUS DP Maestro clase 1 (p ej. PLC) PROFIBUS DP Maestro clase 2 (p.ej. estación de ingeniería)
Estos comandos acíclicos pueden venir del maestro clase 1 o 2. Los códi-gos de comando del maestro clase 1 son diferentes de los del maestro clase 2, complicando así las cosas porque el dispositivo de campo debe soportar ambas series de comandos. Los dispositivos de campo lanzados entre 1998 y 2002 sólo soportan los comandos acíclicos que vienen del maestro clase 2, posiblemente porque en esa época, ningún maestro clase 1 soportaba comandos acíclicos. Esto ahora ha cambiado.
Los servicios acíclicos en un maestro clase 1 le permiten al controlador: acceder a datos de diagnóstico adicional
•
cambiar la configuración del dispositivo de campo sobre la marcha. •
Ranura de direccionamiento e índice acíclicos: por lo general, los maestros clase 2, como el SIMATIC Process Device Manager (PDM), se configuran de modo tal que el usuario final no tenga que saber nada sobre direccionamiento acíclico para usar el software, este sólo pide un parámetro y hay un archivo del software que se ocupa del direcciona-miento. No obstante, cuando se utiliza un maestro clase 1 como un PLC o DCS para leer/escribir parámetros de configuración, se debe conocer el procedimiento de direccionamiento. Actualmente hay pocas aplicaciones que requieren un maestro clase 1 para acceder a los datos acíclicos. Este direccionamiento tiene forma de ranura y un número de índice absoluto4 que actúan como las coordenadas X e Y de un mapa. La infor-mación está ubicada en un número de ranura específico y un cierto índice absoluto, y puede ser una variable o un grupo de variables.
Ejemplo: para saber la temperatura interna del dispositivo, leer ranura
Índice absoluto
Índice de ranura 109
Mensaje PROFIBUS
El mensaje real PROFIBUS que pasó del maestro al esclavo y del esclavo a maestro se describe en varios documentos.5 Para el usuario final, el formato del mensaje no tiene valor más que saber que la longitud de los datos está establecida en 244 bytes. Esto es importante para PROFIBUS porque maneja muchos más datos en un mensaje en compa-ración con muchos otros protocolos industriales como DeviceNet o Modbus RTU.
Diagnóstico
El diagnóstico es una función fundamental del protocolo de bus de campo, y PROFIBUS ofrece una funcionalidad de diagnóstico completa para la red, asegurándose de que los instrumentos informen todos los estados al maestro y que se implementen diferentes acciones para lidiar con este asunto.
Diagnóstico cíclico
La comunicación de dos vías es la base de todo bus de campo como PROFIBUS porque es vital que el dispositivo esclavo alerte al maestro de cualquier evento. En todos los dispositivos PROFIBUS (DP-V0 y superio-res), un esclavo puede indicar al maestro una solicitud de diagnóstico durante el próximo ciclo. Un esclavo simplemente pone una bandera de solicitud de diagnóstico en su mensaje de respuesta de intercambio de datos, así solicita un diagnóstico.
Luego de que el esclavo emite una solicitud de diagnóstico, el maestro emite el comando en el siguiente ciclo del bus. El mensaje de respuesta al diagnóstico está compuesto del mensaje de diagnóstico más un diag-nóstico extendido.
NOTAS:
El mensaje de diagnóstico principal indica errores o problemas •
relacionados con la configuración del controlador. PROFIBUS International define todos estos mensajes.
El diagnóstico extendido abarca lo relacionado con el dispositivo •
de campo.
5 Para más detalles sobre mensaje PROFIBUS, por favor, remítase a The New Rapid Way
to PROFIBUS DP de Manfred Popp, o PROFIBUS PA Instrumentation Technology for the Process Industry, Ch. Diedrich y Th. Bangemann.
mensaje de diagnóstico (def. PI
• 6):
configuración de datos cíclicos errónea •
tamaño de datos incorrecto •
módulo incorrecto •
número de identificación incorrecto •
Diagnóstico extendido
(definición Perfil y Dispositivo): falla electrónica
•
configuración inválida •
temperatura electrónica muy alta • reinicio realizado • falla de medición • más diagnósticos disponibles •
Diagnósticos en DP-V1: además del mensaje de diagnóstico cíclico, un dispositivo escrito según las especificaciones de perfil PROFIBUS DP-V1 también ofrecerá dos fuentes de diagnóstico adicionales: el byte de estado cíclico y los mensajes de diagnóstico acíclicos.
Byte de estado cíclico: todos los dispositivos escritos según las especi-ficaciones de perfil PROFIBUS PA devuelven un estado con cada variable de entrada. Este byte de estado ofrece principalmente información sobre el estado de la variable del proceso (PV) determinando si es un buen valor o no. Este byte de estado también comunica las alarmas altas y bajas.
La mayoría de los errores de código poseen significados pre-definidos, cuyos valores define PI. Se reservan otros códigos para que el fabricante de instrumentos refleje los errores específicos de su dispositivo. Los códigos de buena calidad y de calidad dudosa son los mismos para todos los dispositivos PROFIBUS. Los códigos de mala calidad cambian según el dispositivo. Por ejemplo, mientras que un hexadecimal 10 sería un código malo de falla de sensor en un transmisor de temperatu-ra, sería Pérdida de Eco (LOE) en un dispositivo de radar.
mensaje de diagnóstico + diagnóstico extendido
Configuración del controlador
Falla o configuración del dispositivo
Códigos de estado para buena calidad Valores en notación hex Descripción
0x80 Los datos son BUENOS
0x84 Se ha cambiado un parámetro en el
blo-que de función: estado activo por 10 s
0x89 Alarma baja activa
0x8A Alarma alta activa
0x8D Alarma baja activa
0x8E Alarma alta activa
Códigos de estado para calidad dudosa Valores en notación hex Descripción
0x4B El valor es un valor sustituido
(normalmente usado en Failsafe).
0x4C/0x4F Valor inicial.
0x47 Último valor usable.
Códigos de estado para mala calidad Valores en notación hex Descripción
0x10 El timer LOE ha vencido: esto lo puede
causar el LOE o un mal funcionamiento del sensor: valor MALO.
0x01 Hay un error en la configuración de los
bloques de función en PROFIBUS PA.
0x1F El bloque de función o el bloque
trans-ductor se desconectaron del servicio. Byte de estado condensado: cuando el perfil V3-01 introdujo el byte de estado condensado, redefinió los códigos de error:
menos mensajes de error •
mensajes de error más significativos •
fácil separación de las alarmas de procesos y de mantenimiento al •
tenerlas mapeadas por bit para que se filtren más fácilmente. introducción de nuevos códigos para tres niveles de alertas de •
mantenimiento: mantenimiento requerido, mantenimiento obli-gatorio, alarma de mantenimiento.
Los dispositivos lanzados antes de 2006, sólo soportan el byte de estado expandido mostrado antes y llamado comúnmente byte de
estado. Generalmente, todos los dispositivos lanzados después del
2006 soportan los bytes de estado condensado. Muchos de estos dispositivos le brindan la opción al usuario de elegir entre el byte de estado extendido y el byte de estado condensado.
Muchos de los códigos del byte de estado condensado no cambian en comparación con el byte de estado expandido. Por ejemplo, un código de buen estado sigue siendo hex 80. La tabla a continuación ofrece más ejemplos:
Estado Condensado (BUENO) Valor hex ESTADO-BUENO Descripción
0x80 BUENO: OK No se asocia error o estado
especial con este valor.
0x84 BUENO :
evento de actualización
Si el valor es bueno y el bloque tiene un evento de actualiza-ción activo. (El estado perma-nece activo 20 segundos.)
0x86 BUENO :
activar alarma de recomendación
Si el valor es bueno y el bloque posee una alarma activa.
0x80…0x8E BUENO :
verifica límite / actualización
Igual que los códigos de estado originales.
0xA4…0xA7 BUENO:
requiere mantenimiento
Valor válido. Mantenimiento a mediano plazo.
0xA8…0xAB BUENO:
mantenimiento obligatorio
Valor válido. Mantenimiento a corto plazo.
0xBC…0xBF BUENO :
verficación de función
El dispositivo realiza una verifi-cación interna de funciones sin influenciar al proceso. Valor válido.
Estado Condensado (INCIERTO) Valor hex Estado: BUENO Descripción
0x45 INCIERTO:
set sustituto
Sólo salida de lógica failsafe.
0x4F INCIERTO:
valor inicial
Valor predefinido hasta que no haya un valor medido disponi-ble o hasta que se haga un diagnóstico que afecte el valor y el estado acordados.
0x68…0x6B INCIERTO:
mantenimiento obligatorio
El uso del valor del proceso depende de la aplicación. Valor potencialmente inválido. La causa se determina leyendo el diagnóstico extendido. Se exige mantenimiento a corto plazo.
Diagnóstico acíclico
El canal de comunicación acíclica PROFIBUS les per-mite a los fabricantes de instrumentos ofrecer in-formación de diagnóstico muy detallada que no ca-bría ni el byte de estado ni en el mensaje de diagnós-tico cíclico. Luego de que la solicitud de diagnóstico y el byte de estado ad-vierten al usuario de un error, se pueden recibir dos mensajes vía comuni-cación acíclica:
mensaje de diagnóstico acíclico •
mensaje de diagnóstico extendido acíclico. •
Mensaje de diagnóstico acíclico: este mensaje es el mismo que el mensaje de diagnostico extendido cíclico. No obstante, esta informa-ción se repite como mensaje acíclico porque las herramientas de inge-niería como SIMATIC PDM sólo tienen acceso a la información acíclica.
NOTA: describe posi-bles causas del esta-do del dispositivo y sugiere acciones NOTA: describe condi-ciones y accondi-ciones del dispositivo requeridas Ver ítems tildados
Mensaje de diagnóstico extendido acíclico: el mensaje de diagnósti-co extendido acíclidiagnósti-co brinda más detalles sobre el estado del dispositivo y el estado operativo. Esta información la lee el maestro clase 1 o clase 2. Una estación de trabajo de ingeniería cuenta con la ventaja de utili-zar información en el EDD (o DTM) para visualiutili-zar toda la información de diagnóstico, tanto de diagnóstico como de diagnóstico extendido de modo muy simple.
A primera vista, la información de diagnóstico que está expandida a lo largo de los canales cíclicos y acíclicos parece compleja. Pero el sistema se hará cargo de la mayor parte y el usuario inexperto sólo debe saber lo siguiente:
monitorear el byte de estado •
monitorear la tabla de fallas del controlador •
cuando hay un error en el dispositivo de •
campo, utilice el software de configuración para abrir la página de diagnóstico del dis-positivo que le dirá todo lo que necesita saber.
Perfi les PROFIBUS
Los perfiles de dispositivo son una gran característica de PROFIBUS y su uso aumenta en gran medida el uso del protocolo. Un perfil de disposi-tivo es un estándar basado en la "representación de un disposidisposi-tivo en términos de parámetros, ensambles de parámetros y estados de mode-lo que describe mode-los datos y la conducta del dispositivo a través de la red"7. Entonces, un perfil brinda la estandarización de un dispositivo desde el punto de vista de la red para intercambiar datos, configuración y funcionalidad.
PROFIBUS tiene perfiles para una amplia selección de equipos. Por ejemplo, hay perfiles para:
sistemas de accionamientos •
automatización de procesos (nivel,
• temperatura, flujo y
transmi-sores de presión, posicionadores de válvula) robots y control numérico
• Los perfi les PROFIBUS
son líderes en la estandarización de dispositivos
