lunes, 28 de septiembre de 2015
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domingo, 27 de septiembre de 2015
Profibus
Profibus
Objetivo
Dar a conocer las características de la red Profibus, así como su funcionamiento y componentes.
Índice
1. Introducción
2. Profibus
3. Características generales de profibus
4. Estándares
4.1 DP
4.2 AP
4.3 FMS
5. Velocidad de transmisión
6. Opciones de conectividad
7. Características de red de cobre
8. Fibra óptica
9. Ethernet
9.1 Características
9.2 Método de acceso al medio
9.3 Velocidad de transferencia
10. Protocolos
10.1 TCP/IP
10.2 UDP
11. Control de acceso al medio (MAC) en Profibus
12. Resumen
13. Mapa mental
14. Conclusión
15. Referencias
1. Introducción
La comunicación en las plantas industriales es
imprescindible en la industria moderna. Existen una serie de equipos y
dispositivos dedicados al control de una máquina o una parte de un proceso.
Entre estos dispositivos están los autómatas programables, ordenadores de
diseño y gestión, sensores, actuadores, etc. El desarrollo de las redes
industriales ha establecido una forma de unir todos estos dispositivos,
aumentando el rendimiento y proporcionando nuevas posibilidades. A continuación
hablaremos de Profibus.
2. Profibus
Profibús fue un proyecto de investigación (1987-1990)
llevado a cabo por los siguientes fabricantes: ABB, AEG, Bosch, Honeywell,
Moeller, Landis & Gyr, Phoenix Contact, Rheinmetall, RMP, Sauter-cumulus,
Siemens y cinco institutos alemanes de investigación. Hubo además una pequeña
esponsorización por parte del gobierno alemán. El resultado de este proyecto
fue el primer borrador de la norma DIN 19245, el estándar Profibus, partes 1 y
2. La parte 3, Profibus-DP, se definió en 1993.
Profibus 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.
3. Características generales
Este bus se basa en
la comunicación controlada entre maestro-esclavo. Definimos de manera
particular estos dispositivos como: Dispositivos maestros (Master Devices).
Entre estas estaciones activas rota un permiso de acceso y control que les
permite enviar mensajes sin necesidad de petición. Dispositivos secundarios
(Slaves Devices). Periféricos asignados a los maestros. Consisten en una serie
de dispositivos lo suficientemente inteligentes como para seguir las normas del
protocolo, entre los que podemos encontrar: sensores, actuadores tipo relé,
convertidores de frecuencia, electroválvulas, …etc. Su papel es pasivo,
pudiendo sólo transmitir cuando se les ha realizado una petición previa. Suelen
ocupar poco tiempo de comunicación pero son muy numerosos.
Las principales características de Profibus son, según
describe la norma EN 50170 (DIN 19245) son:
• Abierto. Profibus no pertenece a
ninguna compañía, está controlado por un comité de estandarización, por lo
tanto permite la comunicación entre equipos de diferentes marcas sin la
necesidad de una pasarela de protocolo.
• Transmisión digital. La comunicación bidireccional entre
sistemas de control de procesos y dispositivos de campo es soportada a través
de par trenzado, de forma habitual.
• Exactitud, gracias al reconocimiento de comandos y
mensajes, Profibus es un sistema de comunicación altamente seguro puesto que
los mensajes defectuosos son repetidos hasta que la confirmación de recepción
es enviada.
• Multi-funcional, Profibus se adapta a todas las tareas de
automatización, permitiendo el intercambio de datos entre controladores como
entre elementos de campo.
• De probada funcionalidad.
• Capacidad de diagnóstico. El estándar Profibus define
múltiples formas de diagnósticos entre el sistema de control de procesos y los
dispositivos de campo.
• Expansión del sistema. Un equipo adicional puede ser
incorporado en cualquier momento al bus sin necesidad de reformar la estructura
existente, incluso sin enturbiar la comunicación existente.
• Bajo coste. Reduce cableado y simplifica en consecuencia
los planos de estos, competencia de precios entre vendedores al ser
independiente, etc.
4. Estándares
Profibus ofrece protocolos de comunicaciones según la
aplicación tanto para alta velocidad como para grandes cantidades de
direccionamiento, caso de los sensores y actuadores, tanto para buses con
largos tiempos de respuesta como para aplicaciones de comunicación compleja.
4.1 DP
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) o sea cuando los
actuadores/ sensores de la máquina o instalación están distribuidos. Los
actuadores/sensores se conectan a los equipos de campo. Éstos son abastecidos
con datos de salida según el procedimiento de maestro/esclavo y suministran los
datos de entrada al PLC o al PC. Los mensajes de diagnóstico se transmiten
sobre el bus y se recuperan en la estación maestra. Es un sistema monomaestro.
El intercambio de datos es principalmente cíclico,
utilizándose determinadas funciones de comunicación eventualmente regladas
según EN 50170 a parte de las habituales básicas funciones exclusivas para
dicho intercambio. Aunque DP también ofrece servicio en comunicaciones
acíclicas más complejas para la parametrización, la monitorización y el manejo
de alarmas en los dispositivos de campos inteligentes.
4.2 PA
PA (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 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. 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. La descripción de las funciones y el
comportamiento de los dispositivos se basa en el modelo de Bloques de función
reconocido internacionalmente. Esto quiere decir que, siempre que sea
compatible con Profibus, un dispositivo de un fabricante en particular puede
ser reemplazado en el bus por el de cualquier otro fabricante sin necesidad de
utilizar interfaces especiales.
4.3 FMS
Profibus-FMS (Fieldbus 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. Es la
solución general para tareas de comunicación a nivel de control. Los potentes
servicios FMS abren un amplio rango de aplicaciones y proveen de gran flexibilidad.
También puede ser empleado para tareas de comunicación extensas y complejas.
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 multimaestro.
Una de sus grandes ventajas es que permite la comunicación de datos de sistemas de
automatización de distintos fabricantes. Permite solucionar también, de forma
descentralizada y precisa, tareas generales de regulación y medición, además de
las tareas de control de movimiento.
5. Velocidad de transmisión
La velocidad de
transferencia puede ajustarse escalonadamente de 9,6 kbits/s a 12 Mbits/s según
IEC 61158/EN 50170. La longitud máxima de los segmentos depende de la velocidad
de transferencia. Para aplicaciones en zonas de seguridad intrínseca se
implementa con PROFIBUS PA la tecnología de transmisión según IEC 61158-2. La
velocidad de transferencia es de 31,25 kbits/s.
6. Opciones de conectividad
La red
eléctrica o de cobre utiliza un cable bifilar trenzado y apantallado. El puerto
RS485 trabaja con diferencias de tensión. Por tanto, es más inmune a
perturbaciones que una interfaz que trabaja con niveles de tensión o corriente.
En PROFIBUS, las estaciones se conectan al bus a través de
un terminal o un conector de bus (máx. 32 estaciones por segmento). La red de
cobre puede configurarse con estructura de bus o arborescente. Los diferentes
segmentos se unen entre sí mediante repetidores.
7. Características de la red de cobre
• Método de transmisión para la automatización universal
(PROFIBUS FMS/DP) según IEC 61158/EN 50170 y para zonas de seguridad intrínseca
(PROFIBUS PA) según IEC 61158-2.
• Cable de bus de alta calidad
• Método de transmisión: RS485
• Topología de bus
con terminales y conectores para conectar las estaciones PROFIBUS.
• Red inmune a perturbaciones con cables de pantalla doble y
sistema de montaje y puesta a tierra simple y homogéneo.
• Montaje sencillo y rápido de conectores gracias a
FastConnect.
8. Fibra óptica
La red de fibra óptica en Profibus es la opción para grandes
distancias de transmisión o para los ambientes industriales más afectados por
las interferencias electromagnéticas. A menudo se utiliza una red mixta con
elementos eléctricos y ópticos. La red de dispositivos ópticos consiste en:
• Módulos de enlace
óptico. Estos módulos configuran un enlace óptico, junto con las fibras
ópticas. De estos módulos se obtiene además una salida eléctrica para conectar
a las estaciones participantes en la red.
• Elementos de conexión de los que cuelgan otras estaciones.
Además tienen entrada y salida óptica. Algunos fabricantes ofrecen conexión
directa a la red óptica sin necesidad de pasar a red eléctrica.
Las características generales de las redes ópticas en
Profibus son:
• Topología: permite crear una red en bus lineal, anillo y
estrella.
• Cable: fibra óptica de plástico, para la longitud de onda
de 660 nm. Si es vidrio puede emplearse una longitud de onda de 800 a 1500 nm.
Además, se tendrá en cuenta si el cable deber ser instalado en el interior o
exterior, el igual que el cable eléctrico, para seleccionar la resistencia del
cable.
• Distancias de transmisión, pueden llegar a ser hasta de 10
y 15 km.
• Número de estaciones, como máximo de es de 127. La
expansión de la red se complica. Deben coexistir sistemas eléctricos y sistemas
ópticos. Aparecen conectores de fibra, adaptadores fibra-RS485, conectores de
par de fibra (uno para transmitir y otro para recibir). Los dispositivos de
enlace ópticos disponen de conexiones ópticas y también de cable de bus.
9. Ethernet
Ethernet es una popular tecnología LAN (Red
de Área Local) que utiliza el Acceso múltiple con portadora y
detección de colisiones (Carrier Sense Múltiple Access with Collision
Detection, CSMA/CD) entre
estaciones con diversos tipos de cables.
9.1 Características de Ethernet
-Es pasivo, es decir, no requiere una fuente de alimentación propia,
y por tanto,
-No falla a menos que el cable se corte físicamente o
su terminación sea incorrecta.
-Se conecta utilizando una TOPOLOGÍA DE BUS en la
que el cable está terminado en ambos extremos.
9.2 Método de Acceso
El método de acceso que usa Ethernet es el ACCESO
MÚLTIPLE CON PORTADORA Y DETECCIÓN DE COLISIONES(Carrier Sense Múltiple Access
with Collision Detection, CSMA/CD).
CSMA/CD es un conjunto de reglas que determina el modo
de respuesta de los dispositivos de red cuando dos de ellos intentan enviar
datos en la red simultáneamente. La transmisión de datos por múltiples
equipos simultáneamente a través de la red produce una colisión.
Cada equipo de la red, incluyendo clientes y servidores, rastrea
el cable en busca de tráfico de red. Únicamente cuando un equipo detecta
que el cable está libre y que no hay tráfico envía los datos. Después de
que el equipo haya transmitido los datos en el cable, ningún otro equipo
puede transmitir datos hasta que los datos originales hayan llegado a su
destino y el cable vuelva a estar libre. Tras detectar una colisión, un
dispositivo espera un tiempo aleatorio
y a continuación intenta retransmitir el mensaje.
Si el dispositivo detecta de nuevo una colisión, espera el
doble antes de intentar retransmitir el mensaje.
9.3 Velocidad de transferencia
Ethernet estándar, denominada 10BaseT, soporta velocidades de transferencia de datos de 10 Mbps sobre una
amplia variedad de cableado. También están disponibles versiones de Ethernet de
alta velocidad. FAST ETHERNET (100BaseT) SOPORTA VELOCIDADES DE transferencia
de datos de 100 Mbps y GIGABIT ETHERNET soporta velocidades de 1
GBPS (gigabyte por segundo) o 1,000 Mbps.
10. Protocolos
10.1 TCP/IP
Por lo general, los equipos conectados a una red Ethernet
tienen capacidad de soportar los protocolos TCP/IP interna con otros
dispositivos próximos. En cualquier caso, cada dispositivo pasará a tener un
nuevo identificador, la dirección IP (ejemplo 140.186.90.3) asignado por el
responsable o administrador de la red.
Estas posibilidades y la asignación de la dirección IP,
permitirán a cualquier equipo establecer conexiones con dispositivos muy
remotos y por lo tanto ser monitorizado, controlado, modificado, etc, desde
cualquier punto de la Intranet o Internet, los aspectos relativos a garantizar
la seguridad en el acceso a los dispositivos industriales toman entonces una
relevancia fundamental.
10.2 UDP
User Datagram Protocol, es un protocolo sin conexión basado
en datagramas simples que no asegura la llegada de los datos a su destino, se
pensó para aquellos casos en que se necesite una transmisión de datos ágil
donde la pérdida de parte de los mismos no suponga un grave problema.
11. Control de acceso al medio (MAC) en Profibus
• Cada estación principal tendrá una misma oportunidad de
acceso al medio, en cuanto al turno y tiempo de posesión del mismo. De esta
manera podrá ejecutar PROFIBUS, Process Field Bus todas las tareas que le son
asignadas. El acceso al medio se efectúa por medio de testigos, asignándole a
cada principal un turno para cada participante. Para ello se controla también
un tiempo máximo de rotación de la comunicación entre estaciones principales.
• La transmisión entre las estaciones activas y sus
estaciones pasivas, o secundarias, se realiza de forma cíclica o en tiempo
real, tan rápido como sea posible. Todos los elementos conectados al bus, ya
sean esclavos o maestros, tendrán una dirección de estación que los identifica,
necesaria para el envío de mensajes. Sobre un mismo cable se realizan dos tipos
de coordinación de la información. El primero es el Token bus, se trata de una
bus por el que circula un testigo, token, compuesto básicamente por los
siguientes campos de forma general: Libre/Ocupado Direc. Destino Direc. Origen
Aceptación Prioridad
Este método de solicitud de acceso al bus necesita que cada
estación conozca la dirección de las estaciones anterior y posterior, respecto
al sentido de circulación del testigo. La dirección de la estación de la que se
recibe y la dirección de la estación a la que se transmite se debe establecer
al configurar la red. Así de independizan la topología física de la lógica.
La disposición física de las estaciones conectadas al bus es
independiente del orden lógico en el que se transmite el testigo. Una estación
está encargada de iniciar el testigo, y el orden o secuencia de posesión de
testigo vendrá en consecuencia. Así aunque las estaciones estén conectadas en
bus, la posesión del medio se pasa de una a otra según una lista
predeterminada.
El testigo se compone
de diversos campos. La estación que quiere transmitir observa, cuando lo
recibe, el campo de dirección, y en consecuencia actúa según: Si no va
destinada a ella misma, retransmite el testigo a la siguiente estación. Si está
libre el testigo, significa que se puede transmitir y enviar datos. Como el
testigo incluye el campo de dirección destino, los datos tienen un destino
explícito. Así las estaciones no destinatarias actúan de repetidoras al
observar que el mensaje no va enviado a ellas. Si el testigo vuelve con la
dirección de la propia estación y con el campo de aceptación modificado, el
dato ha sido recibido sin errores en la estación de destino. En este caso el
testigo debe ser liberado, ya que el mismo fue modificado por la estación
destino. Es la estación transmisora la que libera el testigo, cuando este ha
realizado una rotación, pasando por el destino. Las estaciones que no precisan
transmitir quedan a la escucha, permitiendo que circule el testigo.
Parte de los recursos de una o más estaciones se dedican a:
- Control de recuperación ante fallos.
- Inserción y eliminación del anillo lógico, por parte de las estaciones, cuando deben transmitir o dejan de hacerlo.
- Inicialización de anillo, con la circulación del primer testigo, cuando se inicia la red por primera vez o por un fallo.
12. Resumen
Profibus es una red abierta , ya que permite que
dispositivos de diferentes marcas se comuniquen entre ellos sin necesidad de
utilizar interfaces, por otra parte satisface las necesidades de automatización
y control de procesos.
La comunicación de esta red se basa en el sistema
maestro-esclavo, estos consisten en una serie de dispositivos inteligentes para
seguir normas de un protocolo, estos dispositivios pueden ser sensores,
actuadores tipo relé, convertidores de frecuencia, electroválvulas, etc.
Profibus es una red de comunicación seguro puesto que los mensajes
defectuosos son repetidos hasta que la confirmación de recepción es enviada,
por otra parte permite que un equipo adicional puede ser incorporado en
cualquier momento al bus sin necesidad de reformar la estructura existente,
incluso sin enturbiar la comunicación existente. Otra de sus grandes ventajas
es que reduce caleado y simplifica los planos implicando así un bajo costo.
Los estándares de profibus son 3, DP: ofrece mayor
velocidad, bajo costo y eficiencia, cuenta con una velocidad de comunicación de
12Mb/s. esta versión está diseñada para la comunicación de dispositivos que se
encuentran distribuidos a nivel de campo, el intercambio de datos es
principalmente cíclico. PA: Es una transmisión síncrona a 31.2 kbits/seg que
satisface requerimientos muy importantes en las industrias a través del bus
mediante el simple uso de cable de cobre de dos hilos, en este se pueden
utilizar topologías lineales, en árbol y estrella. FMS: es capaz de manejar todas las tareas
intensivas de transferencia de datos muy comunes en las comunicaciones
industriales aquí se pueden alcanzar velocidades de transmisión de hasta 1,5
Mb/sg en función del medio utilizado.
La velocidad de transmisión en profibus es de 9,6kbits/s a
12 Mbits/s. En PROFIBUS, las estaciones se conectan al bus a través de un
terminal o un conector de bus (máx. 32 estaciones por segmento). La red de
cobre puede configurarse con estructura de bus o arborescente. Los diferentes
segmentos se unen entre sí mediante repetidores. El puerto RS485 trabaja con diferencias de
tensión. Por tanto, es más inmune a perturbaciones que una interfaz que trabaja
con niveles de tensión o corriente.
La red de fibra óptica en Profibus es la opción para grandes
distancias de transmisión o para los ambientes industriales más afectados por
las interferencias electromagnéticas. A menudo se utiliza una red mixta con
elementos eléctricos y ópticos.
Ethernet es una popular tecnología LAN (Red
de Área Local) que utiliza el Acceso múltiple con portadora y
detección de colisiones (Carrier Sense Múltiple Access with Collision
Detection, CSMA/CD) entre
estaciones con diversos tipos de cables.
En el protocolo TCP/IP
cada dispositivo pasará a tener un nuevo identificador, la dirección IP
(ejemplo 140.186.90.3) asignado por el responsable o administrador de la red.
UDP es un protocolo que no asegura la llegada de datos al destino asignado
puesto que se basa en datagramas simples.
13. Mapa mental
14. Conclusión
En los últimos años las aplicaciones industriales basadas en
comunicación digital se han incrementado haciendo posible la conexión de
sensores, actuadores y equipos de control en una planta de procesamiento. De
esta manera, la comunicación entre el control y los instrumentos de campo se ha
convertido en realidad. La comunicación digital debe integrar la información
provista por los elementos de campo en el sistema de control de procesos. Las
ventajas que se aportan con una red industrial y cuyo costo debe ser estudiado,
son, entre otras, las siguientes:
- Visualización y supervisión de todo el proceso productivo
- Toma de datos del proceso más rápida o instantánea
- Mejora del rendimiento genral de todo el proceso
- Programación a distancia sin necesidad de estar a pie de fábrica
15. Referencias
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