PROFIBUS.
Índice:
Profibus
Método de
Acceso al Medio
Topología
Medios Físicos
y Distancias
Protocolo
de Transmisión
Estándares
de comunicación
Identificación
de los Participantes
Archivos GSD
Distancias
y Velocidades
Software
de Administración
Monitoreo
Profibús
es una de los buses de campo abiertos que cumple con todos los requerimientos
en un rango muy amplio de aplicaciones. Es también la norma de comunicaciones
favorita en el continente europeo y presume de tener el mayor número de
instalaciones operando en el mundo. Además de ser abierto, no pertenece a
ningún fabricante en particular, está certificado y es a todas luces un
producto orientado a satisfacer las necesidades de automatización y control de
procesos en las próximas décadas. Es abierto, porque permite que los
dispositivos de los diversos fabricantes certificados en este bus se comuniquen
entre ellos sin necesidad de utilizar interfaces. Las principales
normalizaciones derivan de los estándares europeos EN 50170 y DIN 19245.
Método de Acceso Al Medio
En PROFIBUS, la capa 2 se llama Fiel bus Data Link
(FDL). La capa del control de acceso al medio especifica el procedimiento
cuando a una estación se le permite transmitir datos. Ésta se debe asegurar que
solo una estación tiene el derecho a transmitir en un instante dado. El diseño
de este protocolo satisface los dos principales requisitos de la capa MAC:
Durante la comunicación entre sistemas maestros, se
debe asegurar que cada una de estas estaciones tiene suficiente tiempo para
ejecutar sus tareas de comunicación dentro de un intervalo de tiempo definido.
La transmisión de datos en tiempo real debe ser tan rápida y sencilla como sea posible para la comunicación entre un controlador programable y sus dispositivos de I/O (esclavos).
La transmisión de datos en tiempo real debe ser tan rápida y sencilla como sea posible para la comunicación entre un controlador programable y sus dispositivos de I/O (esclavos).
Por tanto, éste protocolo incluye el paso de un
testigo que se emplea para que las estaciones maestro se comuniquen entre ellas
teniendo el acceso al bus aquella que posea el token (el paso del token a la
siguiente estación del anillo lógico se hace incrementando la dirección lógica)
y el procedimiento maestro-esclavo para comunicarse la estación maestra con sus
esclavos de I/O pudiendo en el intervalo de posesión del testigo enviar o
recibir mensajes a/de sus estaciones pasivas.
Este
método de acceso permite las siguientes configuraciones:
* Sistema maestro-esclavo
* Sistema maestro- maestro (con paso de token)
* Combinación de los dos
* Sistema maestro- maestro (con paso de token)
* Combinación de los dos
En la fase de inicio, la tarea de la subcapa MAC de
las estaciones activas es detectar la asignación lógica para establecer el
anillo. En la fase de operación las estaciones apagadas o defectuosas han de
quitarse del anillo con la consecuente reordenación de las direcciones lógicas
al igual que cuando se añade una nueva. Además, el control del acceso al bus
asegura que el token sea pasado de una estación a la siguiente según se
incrementa la dirección. El tiempo de posesión del testigo que se le asigna a
una estación depende del tiempo de rotación del testigo que se haya
configurado. Además, la detección de los defectos en el medio de transmisión
así como la detección de errores de dirección o en el paso de los tokens está incluida
en el control de acceso al medio de PROFIBUS.
Otra misión importante del nivel 2 es preservar la integridad
de los datos. El formato de las tramas asegura una alta integridad. Todos los
mensajes tienen distancia Hamming, HD=4. Ésto se consigue usando delimitadores
especiales de comienzo y final de trama y un bit de paridad para cada octeto
según el estándar internacional IEC 870-5-1.
La capa 2 de PROFIBUS permite tanto comunicación
punto a punto como multipunto (Broadcast and Multicast).
Ø La comunicación Broadcast
significa que una estación envía un mensaje a todas las estaciones ya sean
maestro o esclavo
Ø En la comunicación Multicast se
envía a un grupo determinado de estaciones ya sean maestro o esclavo.
Acceso al
Bus
Data Link
Layer (Capa 2, Modelo ISO/OSI): Descripción del protocolo de acceso al bus
(Médium Acces Control: MAC) incluyendo la seguridad de los datos.
Procedimiento
que determina en que momento una estación puede enviar datos.
ISO: Internacional
Organization for Standardization.
OSI: Open System
Interconection Reference Model. Define los elementos, estructuras y tareas
requeridos para una comunicación y las arregla en 7 capas.
El
protocolo de acceso al bus es idéntico para los tres perfiles de Profibus.
Esto
habilita la comunicación transparente entre secciones FMS/DP/PA en una misma
red.
Debido a
que FMS/DP usa el mismo medio físico (RS-485/FO), ellos pueden combinarse en el
mismo cable
Acceso al
Bus
Protocolo
de acceso híbrido Paso de testigo (Token Passing) entre los maestros. Master
Slave entre maestros y esclavos.
Maestros:
Son estaciones activas que pueden tomar el control del bus durante una cantidad
de tiempo limitada (Token - Hold - Time).
Esclavos:
Los esclavos solo responden cuando son interrogados por el maestro; no
controlan el bus.
Topología
La
topología puede ser simplemente en forma de bus lineal o en forma de árbol, en
el que los repetidores constituyen el nudo de partida de una expansión del bus.
En este
caso, la estructura en árbol es puramente una impresión de dibujo, ya que, como
se verá, el PROFIBUS admite una estructura lógica de maestro flotante y una estación
activa, ejerciendo el papel de maestro, que puede estar físicamente conectada a
lo que se pudiera considerar una expansión del bus. Por tanto, incluso en caso
de ramificaciones debe considerarse como un bus único.
El número
máximo de nodos conectables a cada tramo del bus, sin necesidad de repetidores
es de 32. A efectos de esta limitación los propios repetidores cuentan como un
nodo. El número máximo de nodos del bus es de 127, de los cuales un máximo de
32 pueden ser nodos activos.
No existe
ninguna limitación en cuanto a poder configurar una estructura con buses anidados
(un esclavo puede ser, a su vez, maestro de otro bus de nivel inferior), aunque deben considerarse como buses
independientes, dado que el protocolo no permite direccionar desde arriba las
estaciones de niveles inferiores.
Medios Físicos y Distancias
La máxima
longitud del cable (trenzado y apantallado) depende de la velocidad de
transmisión.
Los
conductores de fibra óptica se utilizan en ambientes donde se encuentre una
gran interferencia electromagnética, también en aplicaciones en que se necesita
proveer un aislamiento eléctrico perfecto, o en aquellos otros casos en que se
requiere incrementar la máxima distancia del bus sin degradar la velocidad de
transmisión.. Algunos fabricantes también ofrecen acopladores entre RS-485 y
fibra óptica
Protocolo de transmisión.
PROFIBUS-PA
usa las funciones básicas del PROFIBUS DP para la transmisión de valores de
medida y de estado, y las funciones extendidas del mismo para la parametrización
y operación de los dispositivos de campo.
Para la
transmisión se usa la tecnología de dos cables en concordancia con la norma IEC
1158-2. Los telegramas son suministrados con límites de comienzo y fin de la transmisión
en el segmento IEC 1158.
Estándares de Comunicación.
Profibús
cumple con los requerimientos de automatización y control mediante tres
perfiles del protocolo que son compatibles entre sí: Profibús-FMS, Profibús DP
y Profibús-PA.
Profibus-FMS,
Fiel bus Message Specification, es el perfil de comunicación capaz de manejar
todas las tareas intensivas de transferencia de datos muy comunes en las comunicaciones
industriales, por lo que se le considera la solución universal para la
transferencia de información en el nivel superior y de campo del modelo
jerárquico de automatización.
También
puede ser empleado para tareas de comunicación extensa y compleja. Está
concebido para comunicar elementos de campo complejos que dispongan de
interface FMS.
Se pueden
alcanzar velocidades de transmisión de hasta 1,5 Mb/sg. en función del medio
utilizado. Sistema multi maestro.
Profibus-DP,
Decentralized Periphery
Está
optimizado para ofrecer mayor velocidad, eficiencia y bajo costo de conexiones
porque fue diseñado específicamente para establecer la comunicación crítica
entre los sistemas de automatización y los equipos periféricos.
Velocidades
de comunicación de hasta 12 Mb/sg.
Esta versión
de Profibus está diseñada especialmente para comunicación entre sistemas
automáticos de control y E/S distribuidos a nivel de campo (periferia
distribuida)
.
Process Automation, En Profibus-PA se utiliza la tecnología de transmisión especificada en IEC 1158-2. Es una transmisión síncrona a 31.2 kbits/seg que satisface requerimientos muy importantes en las industrias química y petroquímica: seguridad intrínseca y suministro de energía a los dispositivos a través del bus mediante el simple uso de cable de cobre de dos hilos. De esta manera, es posible utilizar Profibus en áreas peligrosas.
Se pueden
utilizar topologías lineales, en árbol y estrella.
Perfiles
de Profibus
En este
perfil se definen, de manera independiente al fabricante, los parámetros y la
conducta de los dispositivos de campo
típicos, tales como transductores de medición, posicionadores, válvulas de
control, etc.
Identificación
de Participantes
Profibus
permite tener dispositivos de distinto comportamiento. Las características difieren
en la disponibilidad de las funciones, ej.: número de señales de E/S y el los
mensajes de
diagnósticos,
o posibles parámetros del bus tales como velocidad de transferencia y tiempo de
monitorización. Estos parámetros varían individualmente para cada tipo de
dispositivo y de fabricante, y son usualmente documentados en los manuales técnicos.
Para lograr una simple configuración Plug and Play para Profibus es necesaria
una hoja en formato electrónico de las características de comunicación del
dispositivo.
Una
poderosa herramienta de configuración indispensable para este tipo de configuraciones
de redes Profibus. La configuración basada en archivos GSD permite configurar de
manera sencilla dispositivos de diferentes fabricantes.
Archivos
GSD
Los
archivos GSD expanden las comunicaciones abiertas en el nivel del control del
operario.
Los archivos GSD pueden ser cargados durante la configuración usando cualquier
moderna
herramienta de configuración, siendo el grado de dificultad de esta tarea
dependiente del software de configuración.
Los
archivos GSD proporcionan una descripción clara y comprensiva de las características
de un tipo de dispositivo en un formato definido de forma precisa, y está especificado
para un tipo concreto de dispositivo.
El formato de archivo definido
permite la configuración del sistema y es automáticamente leído al configurar
el sistema del bus. Los datos técnico relativos a la comunicación expresados en
el GSD, reducen el tiempo consumido en el proyecto de ingeniería buscando esta
información en los manuales técnicos. Incluso durante la fase de configuración,
la configuración del sistema puede ser chequeada por los posibles errores de
entrada y la consistencia de los datos de entrada en relación al total del
sistema.
Ø Especificaciones
Generales
Ø Especificaciones
relacionadas con el Maestro
Ø
Especificaciones relacionadas con el Esclavo
Número de
identificación.
Cada
esclavo Profibus y cada maestro Profibus tipo1 debe tener un número de ID. El maestro
requiere de este número para poder identificar el tipo de dispositivo
conectado. El maestro compara el número ID del dispositivo conectado con el
número ID especificado por la herramienta de configuración en los datos de
configuración. La transferencia de datos no comienza hasta que el tipo de
dispositivo correcto con la dirección correcta no ha sido conectado al bus.
Esto proporciona un alto grado de seguridad contra configuraciones erróneas. El
número ID depende del tipo de dispositivo, siendo la asignación de este número
reglada por la organización de Profibus. Un especial rango de números ID han
sido reservados para dispositivos de campo PA: 9700H – 977FH. Todos los
dispositivos de campo PA deben tener un número ID dentro de este rango de datos
específico. La definición de este rango concreto de números facilita la interconexión
de los dispositivos. Dentro de este rango las direcciones, como se ha dicho
antes, deben asignadas a los dispositivos según su categoría, por ejemplo la
dirección 9760H es reservada para dispositivos de campo PA multi variables.
Distancias
y Velocidades
Estándar PROFIBUS
según EN 50 170 u Método de acceso Paso por testigo con maestro-esclavo u Velocidad
de transmisión 9.6 kbit/s - 12 Mbit/s u Medio de transmisión eléctrico: cable
de dos hilos apantallado óptico: cables de FO (cristal y plástico) sin hilos:
infrarrojos u Máx. nº de nodos 127 u Tamaño de la red eléctrica: máx. 9.6 km (depende de velocidad) óptica:
150 km (depende de velocidad) u Topologías Bus, árbol, estrella, anillo, anillo
redundante u Aplicaciones Comunicación de proceso, campo o dato.
PROFIBUS, RS 4854 Transmisión asíncrona NRZ según RS 4854
Ø Velocidad desde 9.6 kBit/s hasta 12
MBit/s seleccionable en escalones 4
Ø Cable de par trenzado y apantallado
(9,6 Km) o FO (aprox. 150 Km) 432 estaciones por segmento, máx. 127 estaciones permitidas
4
Ø Distancia: 12 MBit/s = 100 m; 1.5MBit/s
= 400m; < 187.5kBit/s = 1000 m. Distancia ampliable mediante repetidores hasta
10 km (caso de cable) 4
Ø Conectores sub-D de 9 pines PROFIBUS
PA, IEC 1158-2 4Codificación síncrona Manchester, 31.25 kBit/s en corriente
Ø Cable de par trenzado apantallado
o sin apantallar 4
Ø Distancia hasta 1.900 m por segmento, ampliable mediante repetidores.
Ø Máx . 127 estaciones (sin Enlace
DP/PA), 10-32 por segmento (dependiendo de que sean zonas clasificadas y el consumo)
Software
de administración
Las
características del sistema y la topología de red de PROFIBUS-DP se definen y
configuran en la Unidad Maestra de PROFIBUS/DP de OMRON• Puede realizarse la
configuración de forma remota, a través de otras redes, como Ethernet o
Controller Link
Se puede
usar con todos los maestros de Omron*El paquete del software de configuración
para la Unidad Maestra de PROFIBUS/DP de OMRON se utiliza para definir:
La
configuración del sistema.
Los datos
de configuración y parámetros de todas las estaciones esclavas conectadas.
Selecciones
globales de comunicación del bus.
Todos los
datos de configuración se pueden preparar sin conexión y descargarlos de forma
remota. Después de cargar la configuración inicial, se puede usar el paquete de
software para:
Ø Añadir o eliminar unidades o
módulos esclavos
Ø Monitorizar el estado del sistema
PROFIBUS.
Ø Detección y corrección de errores
de comunicación
Ø Diagnóstico del bus.
Ø No existen otros paquetes software
de propósito general de PROFIBUS/DP que permitan realizar estas funciones.
Monitoreo
La cantidad de informaciones de entrada y salida
(I/O) depende del tipo de dispositivo, permitiéndose hasta 244 bytes de entrada
y 244 bytes de salida.
La
transmisión de datos del DPM1 a los esclavos ejecutase automáticamente por el
DPM1 y divide en tres etapas: parametrización, configuración y transferencia de
datos.
Seguridad y confiabilidad son indispensables para
adicionarse al PROFIBUS-DP las funciones de protección en contra errores
de parametrización o fallo del equipo de transmisión. Para tanto, el
monitoreo es implementado tanto en el amo DP cuanto en los esclavos, cual
monitoreo de tiempo especificado en la configuración.
El Amo DPM1 monitorea
la transmisión de datos de los esclavos con el Data Control Timer. Utilizase un
contador de tiempo para cada dispositivo. El contador expira cuando ocurre una
transmisión de datos incorrecta durante el monitoreo y el usuario es informado
a respecto. Si la reacción automática a un error (Auto Clear = true) esté
habilitada, el amo DPM1 encierra su estado de OPERACIÓN, protegiendo todas las
salidas de esclavos y pasando al estado “CLEAR” (apagar o limpiar). El esclavo
usa el “watchdog timer” (contador vigilante) para detectar fallos en el amo o
en la linea de transmisión. Si no ocurrir ninguna comunicación dentro de este
periodo, el esclavo pondrá sus salidas automaticamente en el estado de
seguridad (fail safe state).
Bibliografía
Conclusión
Actualmente se encuentra
en un mundo de Globalización y con mucha más razón las industrias buscan una
mayor automatización dentro de los procesos internos, ahora, con las redes
industriales que facilitan la comunicación entre participantes del proceso es más
simple el desarrollo, puesto que la disponibilidad de comunicación es mayor
entre ellos y mas simplificada, menos robusta y más rápida, nos ofrecen también
diferentes opciones visuales para trabajar y los software de administración facilitan
la claridad del mensaje. Las redes industriales iran innovándose tanto como la industria
lo exija.
La única inconveniencia
y al mismo tiempo ventaja, es que, es necesario contar cada vez con personal más
capacitados y así evitar imprevistos y fallas ocurridas por el mal conocimiento
de los elementos. Paso a apaso seguirá la innovación dentro de la industria.
Bibliografía
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