Informe Foundation Fieldbus - Daniel Gallardo

REDES INDUSTRIALES TÉCNICO UNIVERSITARIO EN AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

FOUNDATION FIELDBUS

Integrante: Daniel Arturo Gallardo Hidalgo Fecha de entrega: 02 de Septiembre del 2016

1

ÍNDICE GENERAL Introducción Introduc ción.......................... ............. .......................... .......................... .......................... .......................... .......................... .......................... ........................... .......................... ................. ..... 2

2

Objetivos ........................... .............. ......................... .......................... ........................... .......................... .......................... .......................... .......................... .......................... ...................... ......... 2

3

Desarrollo Desarrol lo Trabajo ......................... ............ .......................... .......................... .......................... .......................... .......................... .......................... .......................... ...................... ......... 3 3.1

Historia de Foundation Fieldbus ......................... ............ .......................... .......................... .......................... ........................... ........................... ................. .... 3

3.1.1 3.2

Objetivo de Foundation Fieldbus Foundation ......................... ............ ........................... ........................... .......................... ................. 4 Perfiles de comunicación Foundation Fieldbus .......................... ............. .......................... .......................... .......................... .................... ....... 5

3.2.1

Perfil HSE .......................... ............ ........................... .......................... .......................... .......................... .......................... .......................... ........................... .................... ...... 5

3.2.2

Perfil H1 ......................... ............ .......................... .......................... .......................... .......................... .......................... .......................... .......................... ...................... ......... 6

3.2.2.1 3.2.2.1.1

La capa física ......................... ............ .......................... .......................... ........................... ........................... .......................... .......................... ............. 7

3.2.2.1.2

Capa de enlace de datos (Data Link Layer o DLL) ......................... ............ .......................... ........................ ........... 8

3.2.2.1.3

Capa de aplicación y usuario .......................... ............ .......................... .......................... .......................... .......................... .................. 8

3.2.2.2

Comunicación programada .......................... ............. .......................... .......................... .......................... .......................... ...................... ......... 9

3.2.2.3

Comunicación no programada ......................... ............ .......................... .......................... .......................... .......................... ................ ... 11

3.2.3

H1 a nivel de hardware .......................... ............ .......................... .......................... ........................... .......................... .......................... ...................... ......... 12

3.2.3.1

Elementos que componen una red H1 .......................... ............. .......................... ........................... .......................... ............... ... 12

3.2.3.2

Topología de red ......................... ............ .......................... .......................... ........................... ........................... .......................... ........................ ........... 15

3.2.4

Consideraciones Consideraci ones de instalación en Fieldbus H1 .......................... ............ ........................... .......................... ........................ ........... 16

3.2.4.1

Tipo de cable para Foundation H1 .......................... ............. .......................... .......................... .......................... ...................... ......... 17

3.2.4.2

Cálculo de longitudes de un segmento H1 ........................... .............. .......................... .......................... ...................... ......... 18

3.2.4.3

Longitud máxima de las derivaciones .......................... ............. .......................... .......................... .......................... .................. ..... 18

3.2.4.4

Fuente de alimentación de segmento ......................... ............ .......................... .......................... .......................... .................. ..... 19

3.2.4.5

Repetidores Repetidore s de red .......................... ............. .......................... .......................... .......................... .......................... .......................... .................... ....... 20

3.2.5

4

H1 y el modelo OSI de las comunicaciones ......................... ............ .......................... .......................... ........................ ........... 6

Conexionado de cables .......................... ............ .......................... .......................... ........................... .......................... .......................... ...................... ......... 20

3.2.5.1

Alambrado convencional .......................... ............ .......................... .......................... .......................... .......................... ......................... ........... 21

3.2.5.2

Alambrado modular................................................................................................. modular ................................................................................................. 21

3.2.6

Soporte de cables ......................... ............ .......................... .......................... .......................... .......................... .......................... .......................... .................. ..... 22

3.2.7

Ejemplo conexionado Fieldbus H1 con Delta V .......................... ............ ........................... .......................... ........................ ........... 24

3.2.8

Forma correcta de conexión a una JB .......................... ............ .......................... .......................... .......................... .......................... .............. 24

3.2.9

Forma incorrecta incorrect a de conexión a JB ......................... ............ .......................... .......................... .......................... .......................... .................. ..... 25

3.2.10

Otro ejemplo de conexión ......................... ............ .......................... .......................... .......................... .......................... ........................... .................. .... 26

3.2.11

Perturbaciones Perturb aciones en una red H1 .......................... ............ .......................... .......................... .......................... .......................... ......................... ........... 27

Conclusiones Conclusione s ......................... ............ .......................... .......................... .......................... .......................... .......................... .......................... ........................... .......................... ............... ... 28 4.1.1

Anexos y bibliografía bibliografí a......................... ............ .......................... .......................... .......................... ........................... ........................... .......................... ............. 29

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Redes Industriales Fecha: 02/09/2016

1 Introducción La industria del siglo pasado se vio enfrentada a numerosos factores que impedían de alguna forma un control exitoso y en tiempo real de sus procesos, debido al bajo desarrollo tecnológico de la época. Los primeros procesos productivos necesariamente se realizaban en campo con métodos mecánicos, posteriormente neumáticos, eléctricos y electro-neumáticos, cuyo manejo era muy peligroso y más costoso por el volumen de equipamiento que se necesitaba. En los años 40 al 70 se usó mucho las señales neumáticas, pero la industria electrónica aparecería en los años 60 con varios sistemas, entre ellos el más exitoso fue el del lazo los 4 – 20 [mA] y posterior a ello el desarrollo de los buses de campo, ayudado en parte con el desarrollo paralelo de las tecnologías de la comunicación e informática industrial, como el modelo OSI, los protocolos TCP/IP, y la Internet. Uno de los problemas que surgieron fue el desarrollo de protocolos propietarios de las diferentes compañías de software como de instrumentación, con lo cual era imposible integrar en un solo sistema la totalidad de la instrumentación de una planta. Es por ello que a mediados de los 80's, se unieron la ISA (Instrument Society of América) y la IEC (International Electrotechnical Commission) para dar paso un estándar global conocida como Foundation Fieldbus, en el cual se basa este estudio.

2 Objetivos 



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Conocer tanto a nivel de software como a nivel de hardware el protocolo Foundation Fieldbus H1. Conocer los distintos perfiles de comunicación que entrega Foundation Fieldbus. Conocer a nivel físico las distintas topologías y conexiones que se pueden trabajar en Fieldbus H1.

Nota: Este estudio está dedicado en su mayoría a la descripción del perfil H1 de

comunicación, ya que será con el que trabajaremos en laboratorio más adelante en la asignatura.

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3 Desarrollo Trabajo 3.1

Historia de Foundation Fieldbus

A mediados de los 80's, con la meta de crear un estándar internacional, se unieron la ISA (Instrument Society of América), la IEC (International Electrotechnical Commission) para formar el comité Fieldbus OEC/ISA SP50 (Standard Practices). Formaban el comité 300 personas de diferentes proveedores y usuarios. El estándar a desarrollar debería integrar un gran rango de instrumentos de control, proporcionar interfaces para operar varios dispositivos simultáneamente y establecer un protocolo de comunicaciones que soporte todo esto. En 1992, Fisher-Rosemount (entonces dos compañías separadas), Yokogawa y Siemens se separaron creando el ISP (Interoperable System Project) para formalizar su propia especificación. La otra fracción del SP50, incluyendo Honeywell, AllenBradley, y otras compañías formaron el WorldFIP (Factory Information Protocol), división Norte América, un estándar con metas casi idénticas al ISP (Interoperable System Project). En 1993, ISP y WorldPIF se unieron para formar la Fieldbus Foundation (Fundación del Fieldbus) con base en Austin, Texas. La especificación unificada resultante, Fieldbus Foundation, compite con el Profibus de Europa como uno de los dos protocolos LAN (Local Area Network) con el potencial para provocar un cambio radical en la arquitectura del control de procesos industriales y en el área de manufactura. El alcance principal del estándar es la integración entre los dispositivos de campo (sensores, actuadores, transductores, controladores, etc.) y el sistema de control en los procesos industriales por medio de comunicaciones accesibles y adecuadas. En enero de 1996, FOUNDATION implemento exitosamente el Fieldbus en una planta piloto en Chocolate Bayou en las afueras de Houston. Esta prueba consistió en conectar un DCS (Distributed Control System) a un sistema de bombeo de condensado utilizando instrumentación inteligente de campo de diferentes proveedores.

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3.1.1 Objetivo de Foundation Fieldbus Foundation

La Fieldbus FOUNDATION es una organización independiente y no lucrativa cuyo propósito es el de desarrollar la norma para un bus de campo mundial, interoperable y sencillo, con disponibilidad de diversos productos y también de proporcionar una infraestructura independiente que promueva y soporte la tecnología Fieldbus a largo plazo. Además de: • Proporcionar educación so bre Fieldbus. • Proporcionar servicio de soporte técnico. • Proporcionar capacidades de confirmación de pruebas. • Coordinar las exhibiciones y las pruebas de campo. • Desarrollar perfiles y descripción de dispositivos. • Mantener la biblioteca de descripción de dispositivos.

Sus miembros incluyen más de 150 compañías y usuarios así como todos los principales proveedores de automatización de procesos en todo el mundo. Incluso, algunos proveedores han donado patentes relacionadas con bus de campo a Fieldbus Foundation para estimular un mayor uso de la tecnología por parte de todos los miembros de la Fundación. Foundation Fieldbus está respaldado por estándares de tres organizaciones importantes: - ANSI/ISA 50.1 - IEC 61158 - 2 - CENELEC 50170 1996/A1

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Redes Industriales Fecha: 02/09/2016 3.2

Perfiles de comunicación Foundation Fieldbus

Como se mencionó anteriormente, la Fieldbus Foundation dio origen a los perfiles de comunicación H1 a nivel de campo y la HSE, aunque en este estudio se dará mayor énfasis al perfil H1 por ser el más utilizado en la industria.

3.2.1 Perfil HSE

HSE es un estándar Fieldbus Foundation basado sobre Ethernet, entre sus ventajas se encuentra la posibilidad de transmisión de grandes cantidades de datos y la alta velocidad de transmisión que ofrece (100 Mbit/s y 1Gbit/s), además de la posibilidad de realizar el tendido de cable sobre par trenzado y fibra óptica. HSE además nos ofrece la posibilidad de equipar la red de cableado tradicional y fibra óptica. HSE no fue desarrollado pensando en sustituir a H1, sino que complementarse con él. A continuación alguna característica de este perfil: -

Basado en Ethernet 10 a 100Mhz ( High Speed Ethernet ) Se diseñó para comunicación entre Hosts No-Determinístico Soporta redundancia No puede energizar dispositivos de campo Topología punto-a-punto, utilizará hubs y enrutadores para conectar múltiples dispositivos Longitud de hasta 100 m.

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Redes Industriales Fecha: 02/09/2016 3.2.2 Perfil H1

Está regulada por el estándar IEC 61158-2, lo que lo hace compatible con Profibus PA. También se le conoce como enlace H1 Link. La comunicación se realiza a una velocidad relativamente baja de 31.25 Kbps. Las grandes ventajas de este tipo de red son la capacidad de reutilizar el mismo cableado de una red 4-20 [mA]. y la seguridad intrínseca que nos ofrece, especialmente para ambientes Industriales en donde existen ambientes explosivos o combustibles. La alimentación hacia los dispositivos se realiza por el mismo conductor por donde viaja la señal digital. Este estándar permite diversas topologías de red tales como árbol, estrellas o mixtas. 3.2.2.1 H1 y el modelo OSI de las comunicaciones comunicaciones

Como se mencionó anteriormente, el desarrollo de este modelo en conjunto con los protocolos de Internet fue lo que impulsó enormemente el desarrollo de los buses de campo. Con respecto al modelo OSI, la tecnología Fieldbus Foundation H1 realiza algunas modificaciones en las capas para transformar el modelo OSI en un nuevo modelo más simplificado. Las modificaciones que se realizan al modelo OSI son las siguientes: -

La capa 1 o física de H1 no presenta modificaciones con respecto a la capa del modelo OSI. En la capa 2 y 7 del modelo OSI está contenido el stack de comunicaciones, el cual describe las siguientes 3 capas (ver imagen):

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Redes Industriales Fecha: 02/09/2016 3.2.2.1.1 La capa física

La capa física del estándar H1 está definida por IEC (Internacional Electrotechnical Comisión) y la ISA (Instrumentation, Systems and Automation Society). En esta capa se define las características físicas de la interface al medio que interconecta los dispositivos (alimentación, niveles de voltaje, corrientes, dispositivos de conexión, topologías de conexión, codificador, decodificador, etc.). El envío de datos entre dispositivos de campo o desde el servidor se realiza mediante codificación Manchester, este último no será mencionado en detalle puesto que ya se da por estudiada.

Señal Fieldbus transmitida: En la capa física el transmisor envía una señal de 10 –

20 [mA] codificada a una velocidad de 31.25 Kbps sobre una resistencia equivalente a 50 [Ω], de esta manera se genera una tensión de 1 [V] peak to peak, la cual esta modulada sobre la componente continua de la alimentación. Este bus además acepta alimentaciones entre 9 y 32 [V], pero para aplicaciones que requieren seguridad intrínseca este rango de voltaje será dependiente del tipo de la barrera intrínseca. pág. 7

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Alimentación sobre el Bus: El bus H1 permite a los dispositivos ser energizados por

el mismo bus. La fuente de alimentación se conecta en el mismo bus en paralelo a todos los dispositivos. Existen algunos dispositivos de campo que se energizan con fuentes de alimentación externas al bus pero deben ser conectadas adicionalmente a sus respectivas fuentes de acondicionamiento, las cuales filtran la señal de alimentación ante posibles perturbaciones que puedan ingresar al bus. 3.2.2.1.2 Capa de enlace de datos (Data Link Layer o DLL)

La Capa de Enlace de Datos define los servicios proporcionados a la Capa de Aplicación (Aplication Layer: AL) en la frontera entre la AL y el DLL. La Capa de Enlace de Datos hace uso de los servicios que están disponibles en la Capa Física (PL). FMS (Especificación de Mensajes Fieldbus): Corresponde a la capa 7 del modelo

OSI. Esta especificación permite que las diversas aplicaciones puedan recibir los mensajes enviados por las aplicaciones del usuario a través del bus utilizando un estándar para el formato de los mensajes. FAS (Subnivel de Acceso Fieldbus): También corresponde a la capa 7 del modelo

OSI, Prevé interfaz entre la FMS y DLL, ofrece control y manejo de VCR (Virtual Communication Relationships). Las VCR asignan un código de conexión corto a la dirección completa de una conexión, de esta manera se simplifica la comunicación entre las capas al existir una menor cantidad de información. DLL (Nivel de Enlace de Datos): corresponde a la capa 2 del modelo OSI. Su función

es controlar la transmisión de mensajes sobre el bus de campo. El hecho de que Fieldbus sea una tecnología bidireccional entre cualquiera de los dispositivos que componen la red, existe gran posibilidad de que se produzcan colisiones, para evitar esto es necesario que uno de los dispositivos Fieldbus realice las funciones de control. A este sistema de control se le llama LAS (Last Active Scheduler). 3.2.2.1.3 Capa de aplicación y usuario

La capa física se asienta encima del stack de comunicaciones, donde permite al usuario final interactuar con las otras capas y con otras aplicaciones. La capa de usuario contiene bloques de recursos, bloques transductores y bloques pág. 8

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de funciones que describen (y ejecutan) las capacidades del dispositivo tales como control y diagnósticos. Las descripciones de dispositivo permiten al sistema host interactuar con estos bloques sin programación personalizada y comprenderlos. La capa de aplicación hace de interfaz con los niveles inferiores. Permite la interconexión entre los puntos de acceso y el usuario. El estándar define formatos de mensaje y servicios a disposición de los AP (procesos de aplicaciones) como se presenta a continuación.

Servicio Cliente/Servidor: se utiliza para describir la transferencia de datos

acíclicos. El AP a distancia se llama servidor. Por ejemplo, si el operador de la consola quiere leer un parámetro de ajuste en un regulador en el campo, el AP en la consola es el cliente, y la AP en el controlador es el servidor. Servicio Publicador/Suscriptor: se utiliza para describir la transferencia de datos

cíclicos. El mando a distancia AP se llama editor. El editor en realidad edita (publicador) los datos, y un usuario está consumiendo (suscriptor) los datos. Por ejemplo, un transmisor es la publicación de una variable de proceso que se consume por un controlador. El controlador está publicando una salida que es consumida por un actuador. La transmisión es controlada por un tercero, el solicitante, que emite una solicitud al editor para publicar sus datos. 3.2.2.2 Comunicación programada

Todos los dispositivos y bloques de funciones el segmento FOUNDATION ejecutan y pág. 9

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comunican información de control del proceso en un ciclo regular repetitivo. El tiempo para este tipo de comunicación está determinado por un programa maestro en el Link Active Scheduler, que es una función que reside en el sistema host o en uno de los dispositivos del segmento como se ve a continuación.

LAS (Last Active Scheduler): El LAS es un algoritmo que utiliza un dispositivo de

campo para controlar y temporizar las comunicaciones a lo largo del bus, para llevar a cabo su función utiliza testigos, los cuales envían comandos hacia todos los dispositivos del Bus. Otra función que tiene él LAS es detectar tanto los dispositivos que están fallando como los que se han instalado recientemente. Un dispositivo que tiene capacidad de convertirse en LAS se llama Link Master, mientras que uno que no tienen esta capacidad se llama Basic Device. Dentro de un mismo bus pueden existir varios Links Masters, en caso de que uno falle y algún otro lo pueda reemplazar (ver figura).

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Redes Industriales Fecha: 02/09/2016 3.2.2.3 Comunicación no programada

Foundation Fieldbus soporta muchos tipos de información aparte de los datos de control de lazos de procesos. Estos otros tipos de información incluyen: - Información de configuración enviada a dispositivos o a una base de datos central - Datos de alarma, eventos y tendencias - Información para los desplegados de los operadores - Información de diagnóstico y de estado. Esta información es importante, pero no tan crítica en el tiempo como la información de control de lazo. Si se transmite 1/8 de segundo antes en un ciclo de comunicación y 1/8 de segundo después en el siguiente ciclo, no hay impacto sobre el control del proceso u operación de la planta. Durante este tiempo, un método token-passing (paso de ficha) le da a cada dispositivo del segmento la oportunidad de transmitir mensajes hasta que termine o hasta que se agote el tiempo asignado.

Tiempo flexible: Foundation Fieldbus le da a esta información una menor prioridad

en el segmento que a las comunicaciones programadas relacionadas con el lazo de control. Sin embargo, se reserva una cierta cantidad de tiempo en el ciclo de comunicación para estas comunicaciones no programadas (o "acíclicas") para garantizar que el segmento no se cargue tanto que no pueda llevar la información. pág. 11

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Redes Industriales Fecha: 02/09/2016 3.2.3 H1 a nivel de hardware

En los apartados anteriores, se dio un especial énfasis a nivel de software de Foundation Fieldbus H1, a fin de poder conocer cómo se realiza la comunicación digital que ofrece este protocolo. Está claro que solo se consideraron los conceptos más importantes para nosotros, a fin de obtener una visión general y de sus características más importantes en su estructura digital. Los siguientes temas a continuación tienen que ver directamente con todo lo relacionado a nivel físico de montaje, haciendo mención en especial a las consideraciones dictadas por la Foundation Fieldbus para el montaje y correcto funcionamiento de una red H1. 3.2.3.1 Elementos que componen una red H1

Los dispositivos Fieldbus son nodos inteligentes de la red, los cuales proporcionan detección, actuación, control del proceso e información de diagnóstico. En este sentido, un sistema host — generalmente una herramienta de ingeniería Fieldbus o un sistema de control tal como un DCS, PLC o PC — es un tipo de dispositivo Fieldbus. Un sistema H1 se compone principalmente de los siguientes elementos.

1. Fuente de alimentación Fieldbus Normalmente es una unidad de 24 volts continuos. La alimentación Fieldbus se caracteriza por: -

Se comparte a través de muchos dispositivos y segmentos. A menudo es redundante (dos fuentes conectadas a un mismo segmento). Se multiplexa, a través de un multiplexor de alimentación separado o a través de multiplexores integrados con las fuentes. Se lista como alimentación flotante de 9-32 volts (24 volts es más común).

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a limentación Fieldbus: 2. El acondicionador de alimentación Es muy importante que la comunicación en un segmento no cruce a otros segmentos a través de las fuentes de alimentación. Los acondicionadores de alimentación evitan este "cross-talk" entre múltiples segmentos que usen la misma fuente de alimentación.

3. Las barreras de seguridad intrínseca Proporcionan alimentación intrínsecamente segura para uno a seis dispositivos Fieldbus (solo en áreas con riesgo de explosión).

4. Los terminadores Los terminadores son simples circuitos de resistencia-capacitor que se usan para evitar problemas como reflexión de señal desde el extremo de los hilos. Se instalan en pares, con un terminador tan cerca como sea práctico a cada extremo de un pág. 13

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segmento Fieldbus. Los acondicionadores de alimentación incluyen frecuentemente un terminador, eliminando la necesidad de un terminador externo separado en ese extremo del segmento. Sin embargo, generalmente los terminadores NO se construyen o instalan en los dispositivos de campo. Eso es porque se podría dejar el segmento sin la terminación adecuada si se quita de servicio el dispositivo que contiene el terminador.

5. Los conectores y cajas de conexiones (JB)

Proporcionan lugares para terminar el cableado de campo en el segmento. El uso de conectores es una alternativa más segura para el caso de instrumentos que requieran ser constantemente revisados o desmontados. Las cajas de conexiones se usan en topologías tipo árbol, en la cual se hacen llegar todas las conexiones de los instrumentos de un área y conectarse al troncal o bus, además, permite el acople de repetidores y resistencias de terminación cuando lo requiera.

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Redes Industriales Fecha: 02/09/2016 Esquema típico de conexión

3.2.3.2 Topología de red

Ahora que ya conocemos los elementos que componen un segmento H1, conoceremos los métodos de conexión que facilita Foundation Fieldbus, tal como se muestra en la siguiente imagen:

1. Punto a punto: los dispositivos se de forma directa a la tarjeta H1. No es recomendable por lo caro que resulta cada instrumento. pág. 15

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2. Bus con derivaciones: a lo largo del bus se realizan derivaciones que van hacia los distintos dispositivos de campo. 3. Daisy Chain: los dispositivos se conectan uno tras otro y el primer dispositivo se conecta al bus. No se recomienda por el riesgo de que al cortarse la conexión en un dispositivo, se pueda perder la comunicación del área. 4. Tipo árbol: el bus llega finalmente a una caja de conexiones en la cual se conectan todos los dispositivos del área. 5. Mixta: es básicamente un segmento con distintas topologías incluidas (ver imagen anterior). Un solo segmento puede tener tantas derivaciones (spur) como arboles (junction box) siempre y cuando se sigan algunas reglas para la longitud total de un segmento, longitud de los puntos, número total de los dispositivos, y demanda total de corriente.

3.2.4 Consideraciones de instalación en Fieldbus H1

En primer lugar es necesario aclarar unos conceptos que hemos mencionado en el apartado anterior y que serán utilizados en los siguientes puntos. Definiciones por ISA S50.02:

Segmento: La sección de un Fieldbus que está terminado en su impedancia

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característica. Los segmentos pueden estar enlazados con repetidores para formar un Fieldbus completo. Red: Todos los medios, conectores y elementos asociados de comunicación

mediante los cuales se interconecta un conjunto dado de dispositivos a ser comunicados. La red H1 corresponde a la red principal donde se conectan los dispositivos de campo. Cada segmento H1 requiere una fuente de poder y sus respectivas terminaciones de red. Cada red puede estar formado por uno o más segmentos, unidos por un repetidor. Recordemos que todos los dispositivos en la red se comunican entre sí y comparten información. Eso es una red H1. 3.2.4.1 Tipo de cable para Foundation H1

La longitud total de un segmento es determinada por el tipo de cable que se utiliza. Fieldbus especifica el tipo de cable que se recomienda utilizar en una red H1 y las longitudes máximas con las que se puede trabajar íntegramente. Recordemos que una mayor distancia significa una mayor impedancia del cable, lo que puede traer perturbaciones en la señal del bus. El cable tipo A es el más recomendado ya que permite una mayor longitud de instalación y además se encuentra referenciada en la norma IEC/ISA 22.7.2.

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Los cables más comúnmente usados para Fieldbus son: -

Belden 3076F, 123076F (el más utilizado) Furon/Dekoron 1T52-8820T-234 Interlink BT 490, 491

3.2.4.2 Cálculo de longitudes de un segmento H1

La longitud total del segmento se determina sumando la longitud de todas las secciones del segmento. La longitud total del segmento debe estar dentro del valor máximo permitido para el tipo de cable a usar (ver ejemplo).

3.2.4.3 Longitud máxima de las derivaciones

Cada longitud de derivación (spur) está limitado por el total de dispositivos en la derivación y el total de dispositivos en el segmento, como se indica a continuación.

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3.2.4.4 Fuente de alimentación de segmento

Una vez que se tengan dimensionado todas las longitudes del segmento, se debe calcular la fuente de tensión apropiada. Por lo general las fuentes son de 24 VDC, pero debe asegurarse que cada dispositivo reciba 9 VDC. Se puede calcular este valor teórico en base a longitudes, consumos, y resistividad del cable. Por lo general se considera lo siguiente: -

-

Los segmentos están limitados al valor nominal de energía de la fuente de alimentación o acondicionador Fieldbus. El valor nominal de la fuente de alimentación típicamente es 350 [mA] para instalaciones que no sean intrínsecamente seguro, sin embargo hay modelos de 250 mA y hasta 1 A. El bus consume aprox. 10 [mA] para transmisión de señal y cada instrumento consume entre 10 y 20 [mA], por ejemplo:

Fieldbus también especifica los tipos de fuentes de alimentación que se presentaran en la siguiente imagen: pág. 19

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3.2.4.5 Repetidores de red

A fin de incrementar la distancia entre controlador y dispositivos de campo se puede utilizar lo que se conoce como repetidores. Ejemplo con cable tipo A (ver imagen).

3.2.5 Conexionado de cables

Una de las principales causas de malas mediciones o interferencias en la comunicación H1 se debe a malas prácticas realizadas. Es por ello que se recomiendan las buenas prácticas a fin de que nuestro sistema funcione correctamente, por ejemplo: -

-

-

Los cables de señal no se aterrizan. Si se conectan a tierra las pantallas de los cables. La recomendación general es en un solo punto y conectado a la tierra de instrumentación. En cada extremo del troncal se debe colocar un terminador, salvo en aquellos casos en que el dispositivo proporcione un terminador externo. Por lo general, se encuentra en la tarjeta de interfaz H1. Es importante respetar la polaridad de conexión desde la fuente o el acondicionador de señal a los distintos dispositivos de campo. pág. 20

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Como Fieldbus es una tecnología que viene a reemplazar la de los 4 -20 [mA], es que permite utilizar parte de las instalaciones existentes. Es por ello que el conexionado se puede dividir en dos formas como veremos a continuación. 3.2.5.1 Alambrado convencional

3.2.5.2 Alambrado modular

Aquí se utilizan las conocidas Junction Box, las cuales contienen un Terminal Block, encargado de realizar la comunicación del dispositivo con el bus, además de tener luces indicadoras de fallas. Suelen traer un terminador.

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Ejemplo de una Junction Box para Fieldbus.

3.2.6 Soporte de cables

Todos estos cables requieren alguna forma de soporte mecánico y protección de manera que los cables puedan ser instalados desde un punto a otro punto con facilidad. Existen básicamente cuatro formas de soporte de cables: 1- Atado a miembros estructurales de la planta. 2- Conduit flexible. 3- Conduit rígido. 4- Charola de cables (escalerilla porta conductores).

La norma IEEE STD 518 establece el separar los niveles de tensión, desde los de potencia, control e instrumentación, a fin de mitigar las perturbaciones en las pág. 22

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señales de instrumentación ya que son más susceptibles a ellas. En la siguiente dando por ejemplo la siguiente imagen:

Los cables de instrumentación, como se aprecia, se encuentra totalmente apartado de los cables de potencia. En cuanto a curvatura, en la norma chilena 4 2003, se especifica un radio de curvatura estándar para las bandejas y/o escalerillas, de acuerdo al radio de curvatura permisible de los cables.

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Redes Industriales Fecha: 02/09/2016 3.2.7 Ejemplo conexionado Fieldbus H1 con Delta V

Delta V es un controlador Fieldbus de la familia Emerson. El diagrama anterior presenta una conexión típica de un segmento a la tarjeta H1. 3.2.8 Forma correcta de conexión a una JB

En las siguientes imágenes se muestra de forma correcta a las JB. Como se podrá apreciar el conductor conserva su aislación hasta casi el final de su aislación.

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3.2.9 Forma incorrecta de conexión a JB

En la siguiente imagen se presenta la forma en la que no se deben de conectar los conductores a la JB.

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Redes Industriales Fecha: 02/09/2016 3.2.10 Otro ejemplo de conexión

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Redes Industriales Fecha: 02/09/2016 3.2.11 Perturbaciones en una red H1

Las perturbaciones se deben principalmente por malas prácticas de conexionado, por ejemplo, por el aterrizamiento de shield del cable a la tierra del instrumento o una mala aislación que quede en contacto con la carcasa. Las perturbaciones más comunes se presentan en la siguiente imagen.

Ringing: Perturbación que altera la amplitud y periodo de tensión o corriente

generando ondulaciones ocasionadas por capacitancias e inductancias en circuitos electrónicos. Jitter: Retardo de tiempo entre los datos enviados y recibidos en el bus de datos

debido a errores en la sincronización de las maquinas. Otra definición del efecto Jitter es la desviación del punto de cruce cero ideal de la señal Fieldbus transmitida durante un bit normal medida con respecto al punto de cruce cero. Las causas de la aparición del Jitter puedes ser las siguientes: -

Crosstalk. Interferencias Electromagnéticas. Cierre de switches simultáneos. Mal cableado en la práctica.

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4 Conclusiones Los dispositivos Fieldbus sin lugar a dudas nos ofrecen una gran ventaja respecto a la instrumentación convencional. Una ventaja importante de la puesta en práctica de Fieldbus son los ahorros que se asocian a la eliminación del cable ya que los múltiples dispositivos comparten pares para comunicarse y además: -

Puede funcionar en ambientes industriales y/o peligrosos. Lleva la energía por el mismo cable. Puede reutilizar cables existentes. Soporta Seguridad intrínseca (FISCO). Control determinístico (el dato en el momento justo). Mantiene informado al usuario.

Si bien tiene muchas ventajas, las desventajas que tiene Fieldbus radican en que los sistemas de Fieldbus son más complejos, así que los usuarios necesitan ser entrenados más extensivamente o ser altamente calificado. Además: -

El precio de los componentes del Fieldbus es más altos. Los dispositivos de prueba de Fieldbus son más complejos. Los fabricantes de dispositivos tienen que ofrecer diversas versiones de sus dispositivos (por ejemplo sensores, actuadores) debido al número de diversos estándares (incompatibles) de Fieldbus.

Pero aun así, los costos se compensan con una mayor obtención de datos de un proceso por medio de un único instrumento, además de que los mismos instrumentos son capaces de realizar P&ID sin necesidad de un controlador por medio de los bloques de funciones que traen integrados, siendo este último la mejor ventaja de programación en comparación con la lógica en PLC.

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Redes Industriales Fecha: 02/09/2016 4.1.1

Anexos y bibliografía

1- Glosario técnico Relación de comunicación virtual (VCR) — Canales de capa de aplicación

configurados que permiten la transferencia de datos entre aplicaciones. Foundation Fieldbus describe tres tipos de VCR: publicador/suscriptor, cliente/servidor y origen/receptor. Dispositivo de campo virtual (VFD) — Un dispositivo de campo virtual se utiliza

para ver de forma remota los datos del dispositivo local descritos en el diccionario de objetos. Un dispositivo típico tendrá al menos dos dispositivos de campo virtuales (VFD). Bloque de funciones estándar (FB) : Los bloques de funciones estándar (FB) están

incorporados a los dispositivos de Fieldbus según la necesidad de alcanzar la funcionalidad de control deseada. Las funciones de automatización proporcionadas por los FB estándar incluyen entrada analógica (AI), salida analógica (AO) y control derivado proporcional integral. Fieldbus Foundation ha lanzado las especificaciones para 21 tipos de FB estándar. Puede haber muchos tipos de FB en un dispositivo. El orden y la definición de los parámetros de FB estándar son fijos y están definidos por las especificaciones. Troncal: Un troncal es la principal autopista de la comunicación entre dispositivos

en una red Fieldbus H1. El troncal actúa como una fuente de suministro principal para las espuelas en la red. Aplicación de usuario : la aplicación de usuario se basa en "bloques", que incluyen

los bloques de recursos (RB), los bloques de funciones (FB) y los bloques de transductores (TB), que representan distintos tipos de funciones de aplicaciones. Segmento: Un segmento es una sección de un Fieldbus H1 que termina en su

impedancia característica. Los segmentos se pueden vincular mediante repetidores para formar un Fieldbus H1 mayor. Cada segmento puede incluir hasta 32 dispositivos H1. Interoperabilidad: La Fieldbus Foundation define interoperabilidad como "la

habilidad de operar múltiples dispositivos, independientemente del fabricante, en pág. 29

Foundation Fieldbus


el mismo sistema, sin pérdida de funcionalidad". El término dispositivos múltiples se refiere a un conjunto de productos Fieldbus que pueden incluir una mezcla de dispositivos de campo tales como válvulas y transmisores, y dispositivos host tales como sistemas de control.

Tecnología FISCO: En general, los segmentos FF normalmente dependen de la

capacidad de la fuente de energía sin embargo, los segmentos FF del tipo intrínsecamente seguros están limitados por normas más rigurosas FISCO con voltajes menores 12,4 V, por lo tanto hay menos instrumentos por segmento, esto porque la fuente en segmentos NO FISCO, tiene un voltaje mayor a 19 V y las limitaciones de inductancia y capacitancia son menores. El concepto FISCO (Fieldbus Intrinsecally Safe Concept) se basa en la idea general de todos los circuitos intrínsecamente se seguros, que consiste en limitar la energía eléctrica que puede ingresar a un área peligrosa para que no se pueda producir una chispa eléctrica capaz de producir ignición de una mezcla aire-combustible inflamable. La energía capaz de producir una chispa puede venir de tres fuentes: -

Directamente de la fuente de poder de CC que alimenta el circuito (segmento). De la carga acumulada en la capacitancia del cable que forma el circuito (1/2CV2) De la energía acumulada en la inductancia del cable que forma el circuito (1/2LI2)

Por lo tanto, para tener un circuito intrínsecamente seguro es necesario limitar tanto la energía que puede entregar la fuente en caso de un cortocircuito, como también la capacidad e inductancia del cable que lleva esta energía a la zona pág. 30

Foundation Fieldbus


peligrosa. - La fuente de poder del segmento deberá tener algún tipo de limitación de corriente y un voltaje de sólo 12.4 VDC. - En este caso, la corriente de cortocircuito se limita a 40 mA pero el resto del segmento sigue operando con una corriente que no sobrepasa el límite impuesto de 120 mA por el estándar FISCO - Debe limitarse tanto la capacidad/ metro del cable como su longitud. - Debe limitarse tanto la inductancia/ metro del cable como su longitud. 2- Bibliografía/Linkografía Technical Overview http://www.fieldbus.org/imag http://www.fiel dbus.org/images/stories/technolo es/stories/technology/developmentresources/ gy/developmentresources/dev dev elopment_resources/documents/techoverview.pdf Technicals Guides http://www.fieldbus.org/inde http://www.fiel dbus.org/index2.php?option=co x2.php?option=com_content&task=view&id=219& m_content&task=view&id=219&I I temid=326 Technical references http://www.fieldbus.org/index.p http://www.fiel dbus.org/index.php?option=com_c hp?option=com_content&task=view&id=1 ontent&task=view&id=150&It 50&It emid=326 Glosario técnico http://ab.rockwellautomation.c http://ab.rock wellautomation.com/allenbradley_es/netw om/allenbradley_es/networks/ffglossary.page orks/ffglossary.page Plant Web Emerson – Cursos Cursos Foundation Fieldbus http://www2.emersonprocess.com/enUS/plantweb/University/Courses/En US/plantweb/ University/Courses/Engineering/Pages/ gineering/Pages/Engineering.aspx#foun Engineering.aspx#foundati dati onfieldbus

pág. 31

Informe Foundation Fieldbus - Daniel Gallardo

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