Libro Profibus Int+Tapa

Un recorrido por PROFIBUS

Un recorrido por PROFIBUS Introducción al bus de campo para la automatización de procesos

Introducción al bus de campo

“El libro es un aperitivo excelente – una introducción grandiosa al mundo de Profibus.” Jörg Freitag , Chairman de PROFIBUS International

para la automatización de procesos

“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

“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 “. Ing. Andrés Gorenberg, Div. Industry Siemens S.A.

James Powell, P. Eng. Henry Vandelinde, Ph.D.

Siemens Milltronics Process Instruments Inc. Peterborough, Ontario , Canada K9J 7B1

Un recorrido por PROFIBUS

“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


Un recorrido por PROFIBUS Introducción al bus de campo para la automatización de procesos


Copyright© Siemens Milltronics Process Instruments Inc. 2009. Todos los derechos reservados. 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 www.siemens.com/processautomation

ii

Prólogo 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 comunicación industrial se comprende y luego se instala con previsión y cuidado, 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 protocolo, 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 principiante, 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.

James Powell, P.Eng.

iii

Reconocimientos A partir de este libro logré entender la veracidad del dicho: "Se necesita un pueblo entero para escribir un libro". Un proyecto como este requiere 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 organizativa 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 agradecerles a Debbie y a Maya, y Henri les agradece a Lee Anna y a sus muchachos. Apreciamos su paciencia y apoyo mientras nosotros trabajábamos 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.

iv

Contenidos 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 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

5

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

v

Capítulo 5: Instalación

89

La ruta del bus 89 Hardware de conexión 89 Esquema de instalación 93 Separación de cables 95 Método de instalación 96 Las mejores instalaciones 99 Próxima parada del BUS: Puesta en marcha

Capítulo 6: Puesta en marcha

100

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 Destino final del BUS 155

Apéndice A: Acrónimos 156 Apéndice B: Definiciones 158 Apéndice C: Recursos adicionales 162 Índice 164

137

Capítulo Uno

Introducción: Un BUS "Ha llegado el momento", dijo la morsa, "de hablar de varias cosas"1 Como 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 aventuras 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 comunicación de dos vías entre un controlador o monitor y un dispositivo de campo. Es una red necesaria para integrar los dispositivos de automatización 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 dispositivo de campo, sino también hacer que el dispositivo de campo le responda 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

La comunicación de dos vías es el aspecto clave del bus de campo.

Carroll, Lewis. Alicia en el país de las maravillas. W.W. Norton & Company, 1971. p. 142.

1


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 definición completa, ya que no posee una comunicación 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 término 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.

Un protocolo es un conjunto de reglas (estándar) que define cómo dos o más dispositivos se comunican.

Un protocolo abierto es aquel que no pertenece a ninguna empresa y todos pueden utilizarlo.

Este capítulo les presenta a PROFIBUS como el protocolo de comunicación 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 químicos. Gran parte de la información que entra y sale corresponde a variables analógicas (agregar 7,341 kg de aquello o elevar la temperatura de esto a 32,5ºC). Además, los procesos automatizados tienden a ser bastante lentos (en comparación con la automatización de fábrica) por ende, la necesidad de velocidad se reduce. La versión HART 7 lanzada recientemente introduce un método para que un dispositivo esclavo genere una respuesta. Mientras que esta nueva característica ayudará a HART a ser un bus de campo más real, aún es opcional en HART 7 y pasará un tiempo antes de que se adopte ampliamente. 3 Tanto FF como PROFIBUS PA vienen de trabajar en el estándar SP50. 2

2


Electrónica

Automotriz

Alimentos y bebidas

Farmacéuticos

Metal/minería

Cemento y vidrio

Pulpa y papel

Petróleo y gas

Discreto

Químicos

Agua

Refinerías

Energía

Proceso

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 tratamiento de agua, que requiere especialmente automatización de procesos. 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 concentrarse 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 control4 En 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 velocidad de respuesta, pero no estaba muy preocupado por los detalles del instrumento.

4

Powell, James. The Benefits of the Block Model Concept in Fieldbus Systems. ISA, 2005.

3


Medida

4-20 mA

Instrumento de campo

Controlador

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 instrumentos y el sistema de control. Es un todo integrado.

Medida

Bus de campo

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 siempre han trabajado juntos, cada grupo posee sus propias herramientas y su dominio. Ahora, el técnico de instrumentos necesita acceder al sistema 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 del bus de campo.

4


Beneficios de usar un bus de campo PROFUBUS Un bus de campo en general, y PROFIBUS en particular, mejorará la eficiencia 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 dispositivo de campo -incluso, muchos dispositivos de campo requerirían más de un juego-. Esto genera una gran cantidad de cables y de tendidos de cables. PROFIBUS reduce los innumerables conductores a un sólo cable PROFIBUS. Esta disminución ahorra tanto costos de instalación 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. 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 marcha, un electricista y yo trabajamos durante semanas 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.

Escalar un dispositivo es establecer el rango (valor alto y valor bajo), de la salida y la entrada de un dispositivo.

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.

5


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 potenciómetro 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 dispositivo debe tener un acceso físico, ya sea a través de teclados numéricos 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 operaciones ya que no requiere tiempo de desplazamiento de una persona 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 programan 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 extiende también a los diferentes tipos de instrumentos. Además reduce los requisitos de capacitación y acelera la puesta en marcha ya que el personal 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 digital. Por lo tanto, con los dispositivos 4-20 mA, los dispositivos tendrán que tomar el valor digital que viene dado y convertirlo en valor analógico para transmitirlo vía lazo 4-20 mA. Luego, en el 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.

Verificación confiable de variables de proceso Sin una comunicación de dos vías, la variable de proceso podría estar mal sin que el control lo sepa. Un instrumento muerto, por ejemplo, podría 6


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 beneficios 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, interruptores de red, controladores, motores, máquinas e instrumentos. La comunicación de dos vías de PROFIBUS habilita una cantidad de funciones 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 automatización 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 caudalímetros, 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 diferencia 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 Industries. p. 14.

7


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: Si un usuario elige PROFIBUS, no está comprometido con ningún proveedor.

• 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 efectivamente 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 significa que cualquiera puede usarlo y que ninguna empresa lo controla 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 conforman PROFIBUS Internacional. Siemens es una de las empresas involucradas 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.

8


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 asociación de trece empresas y cinco universidades en Alemania en 1987. Las empresas miembro coincidieron en un concepto de bus de campo estándar para la automatización de procesos, y PROFIBUS FMS (Especificación de Mensaje de Bus de Campo) fue la primera versión. Para 1993, la necesidad de un protocolo más rápido y más sencillo llevó a PROFIBUS DP, que reemplazó a FMS. DP-V0, la primera versión de la especificación PROFIBUS DP, definió 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 definida de PROFIBUS Primera versión del protocolo compatible con DP-V1 y DP-V2

9


La interoperabilidad es una fortaleza de PROFIBUS

La segunda versión de la especificación PROFIBUS DP, DP-V1, agregó funciones para la automatización de procesos y las aplicaciones de seguridad (PROFIBUS PA y PROFIsafe), y utilizó la misma estructura de comandos general según lo definía DP-V0, a la vez que aseguraba 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 aplicaciones 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 maestro DP-V0 no puede utilizar comandos DP-V1 o DP-V2 en los dispositivos 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

El estándar RS-485 define las características eléctricas del cable, y los niveles de tensión y corriente de la señal digital.

PROFIBUS DP es el núcleo del protocolo que define todas las funciones 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 velocidades 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.

Los dispositivos digitales son simples dispositivos de ON/OFF, es decir, la luz o el pulsador están encendidos o apagados. 10

PROFIBUS DP tuvo éxito tanto en la automatización de fábricas como en la automatización de procesos: • la automatización de fábrica utiliza principalmente dispositivos de entrada y salida discretos (digitales), y PROFIBUS DP enlaza racks E/S y conecta accionamientos


• 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 especificaciones 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), definida 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: • • • •

Los dispositivos analógicos poseen un rango de valores, la válvula está abierta en un 75,25%.

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 final 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.

11


Configuración a través del bus Para un sistema con una gran cantidad de dispositivos con funciones únicas, una configuración efectiva y el mantenimiento de los dispositivos 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.

Perfiles 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 centrales del dispositivo. Un perfil estandarizado crea una unificación entre: • dispositivos del mismo fabricante y tipo (presión, temperatura, nivel, flujo, 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 instrumentos se pueden colocar en la capa física RS-485 porque no lo requieren, o no tienen la capacidad para utilizar las funciones de la MBP.

8 Tener instrumentos en las capas físicas MBP o RS-485 es exclusivo de PROFIBUS. Otros buses de campo sólo poseen un tipo de capa física disponible.

12


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.

Los instrumentos pueden estar en la capa física MBP o RS-485 y aún así estar diseñados para el perfil estándar PROFIBUS PA.

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 intrínsecamente 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 digital. 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 intelectual 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.

13


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 instrumentos HART regularmente. Cuando surgía alguna anomalía, SIMATIC PDM buscaba entre los instrumentos, como si fuera un dispositivo PROFIBUS PA. Configurar el monitoreo de estado requería más trabajo que con los instrumentos PA, pero aún así funcionó muy bien, y al no reemplazar esos instrumentos HART, ahorraron mucho dinero.

PROFIsafe

PROFIBUS con PROFIsafe fue el primer protocolo abierto certificado por TUV para aplicaciones hasta SIL nivel 3.

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: • • • • • • •

14

repetición de mensajes pérdida de mensajes inserción de mensajes secuenciamiento incorrecto de mensajes corrupción de los datos transmitidos demora en la recepción o transmisión de datos mezcla de mensajes estándar con los de seguridad.


Para detectar estos errores, se agregaron las siguientes características: • • • • •

lazo de retorno de datos (cada mensaje se confirma) verificación de errores adicional numeración consecutiva de mensajes tiempo esperado de mensajes identificación 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 asegurarse de que sea correcto, reduciendo la probabilidad de transmitir un mensaje erróneo. Mientras que PROFIBUS posee verificación de errores, PROFIsafe aumenta la red de seguridad al retomar el lazo de la información para detectar errores de bit.

Verificación 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 binario 1 no se haya interpretado como binario 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 posibilidad 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.

Identificación 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. 15


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 confiables, 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 reducen 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 seguridad 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 expansión, debíamos ampliar el sistema. Dada la complejidad del sistema y la gran cantidad 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 sistema PROFIBUS, hubiéramos hallado el mismo problema en minutos. Además, durante la producción, cada vez que ocurría 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 funciona bien para muchas de las aplicaciones de accionamientos de la industria de procesos. Sin embargo, en ciertas aplicaciones, en especial en el control de procesos, la sincronización a alta velocidad de muchos accionamientos es absolutamente necesaria.

16


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 interfiere 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.

ms = mili-segundos

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 problema. La sincronización asegura armonía.

Intercambio de datos entre dispositivos esclavos Dada la necesidad de alta velocidad, los diferentes dispositivos no pueden 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).

17


PROFINET fue diseñado como una red única y abarcadora para la automatización 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

DeviceNet PROFIBUS DP

PROFIBUS PA HART FF H1 PROFINET PROXY

18


Capa física: es el método para transferir información de un dispositivo a otro. En el Capítulo Tres veremos que PROFIBUS puede tener diferentes 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 esquema de direccionamiento, junto con su capacidad de 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 geográficas. 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.

Una red de área local se limita a un área geográfica pequeña como un edificio, una red de área amplia se ubica a lo largo de una zona geográfica grande como un grupo de edificios, una ciudad o una planta.

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 simplemente 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 funcionalidad 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 funcionalidades a PROFINET.

19


Cuando nos preguntan si deben usar PROFINET o PROFIBUS, la respuesta es "Sí". Ambos protocolos se complementan. Del mismo modo que cuando utiliza Word® y Excel®9, el usuario pasa fácilmente de un protocolo 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 mencionadas 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 control, 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.

9

20

Word y Excel son marcas registradas de Microsoft Corporation.

Capítulo Dos

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.1 Cuando 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 comunicación 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 definido como maestro y es aquel que posee el mando. Todos los otros dispositivos 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

Hablar en la red significa transmitir datos.

Pink Floyd, “Time.” Dark Side of the Moon, 1973.

21

Capítulo 2: Cómo funciona el BUS

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 concepto 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 configurar 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 prioridad temporal crítica y los de prioridad temporal no crítica, que se diferencian 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 información de configuración y diagnóstico avanzado. Llegan vía servicios acíclicos.

Los datos de entrada son los que vienen del dispositivo de campo, y los datos de salida, los que van al dispositivo de campo.

22

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 perfil de PROFIBUS PA (DP-V1), las E/S están definidas. La especificación del perfil de PROFIBUS PA es la estandarización de un dispositivo de campo desde el punto de vista del bus. Es decir, define cuáles son los parámetros de las E/S. Esto se analiza más en detalle en la sección de perfiles PROFIBUS del Capítulo Dos.


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 temperatura 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 tanque 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 flotante IEEE2 de la variable de proceso principal (PV) • el quinto byte es el que refleja el estado de la PV. Valor coma flotante IEEE

Byte 1

Byte 2

Byte 3

Byte estado

Byte 4

Un byte tiene 8 bits de largo. Un bit es un dígito binario, 1 o 0.

Byte 5

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.

Valor digital

Estado

Byte 1

Byte 2

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 completar 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 operaciones del sistema.

El IEEE es el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos. Establece los estándares de comunicación digital como el IEEE 754 que define cómo representar un número de coma flotante en formato de número real breve.

2

23


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 funciona 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 rondas: 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 comandos no cíclicos pendientes, así que le pasa el testigo al maestro B.

• • • • • •

24

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 acíclica 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 estaba 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 configuración 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.

PROFIBUS DP

TESTIGO

Maestro clase 1 (p ej. PLC)

DP-esclavo 1

DP-esclavo 2

PROFIBUS DP

TESTIGO

Maestro clase 1 (p ej. PLC)

DP-esclavo 3

DP-esclavo 4

PROFIBUS DP Maestro clase 2 (p.ej. estación de ingeniería)

DP-esclavo 5

DP-esclavo 6

DP-esclavo 7

Comandos acíclicos de un maestro clase uno o dos Los servicios acíclicos ofrecen un método para leer y escribir información 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. Para más detalles sobre escaneo de bus lea The New Rapid Way to PROFIBUS DP, Manfred Popp, y PROFIBUS PA Instrumentation Technology for the Process Industry, Ch. Diedrich y Th. Bangemann.

3

25


Estos comandos acíclicos pueden venir del maestro clase 1 o 2. Los códigos 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 direccionamiento. 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 información está ubicada en un número de ranura específico y un cierto índice absoluto, y puede ser una variable o un grupo de variables.

109

Índice absoluto

0

1 2 Índice de ranura

3

5

Ejemplo: para saber la temperatura interna del dispositivo, leer ranura 1, índice absoluto 109. El índice absoluto se llama a veces simplemente el índice. Esto varía según el documento.

4

26


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 comparación 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 superiores), 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 diagnóstico 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.

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.

5

27


mensaje de diagnóstico + diagnóstico extendido • • • • •

mensaje de diagnóstico (def. PI6): configuración de datos cíclicos errónea tamaño de datos incorrecto módulo incorrecto número de identificación incorrecto

Configuración del controlador

Diagnóstico extendido (definición Perfil y Dispositivo): • • • • • •

falla electrónica configuración inválida temperatura electrónica muy alta reinicio realizado falla de medición más diagnósticos disponibles

Falla o configuración del dispositivo

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 especificaciones 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 temperatura, sería Pérdida de Eco (LOE) en un dispositivo de radar.

6 PI significa para PROFIBUS y PROFINET International, una organización independiente que administra los protocolos PROFIBUS y PROFINET.

28


Códigos de estado para buena calidad Valores en notación hex

Descripción

0x80

Los datos son BUENOS

0x84

Se ha cambiado un parámetro en el bloque 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 transductor 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 obligatorio, alarma de mantenimiento.

29


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

30

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 actualización activo. (El estado permanece 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 verificación 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 disponible 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 permite a los fabricantes de instrumentos ofrecer información de diagnóstico muy detallada que no cabría ni el byte de estado ni en el mensaje de diagnóstico cíclico. Luego de que la solicitud de diagnóstico y el byte de estado advierten al usuario de un error, se pueden recibir dos mensajes vía comunicación acíclica:

NOTA: describe condiciones y acciones del dispositivo requeridas Ver ítems tildados

NOTA: describe posibles causas del estado del dispositivo y sugiere acciones

• 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 información se repite como mensaje acíclico porque las herramientas de ingeniería como SIMATIC PDM sólo tienen acceso a la información acíclica.

31


Mensaje de diagnóstico extendido acíclico: el mensaje de diagnóstico extendido acíclico 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 utilizar información en el EDD (o DTM) para visualizar 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 dispositivo que le dirá todo lo que necesita saber.

Perfiles PROFIBUS

Los perfiles PROFIBUS son líderes en la estandarización de dispositivos

Los perfiles de dispositivo son una gran característica de PROFIBUS y su uso aumenta en gran medida el uso del protocolo. Un perfil de dispositivo es un estándar basado en la "representación de un dispositivo en términos de parámetros, ensambles de parámetros y estados de modelo que describe 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 transmisores de presión, posicionadores de válvula) • robots y control numérico • encoders 7

32

Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) Estándar TS 61915:2003, p. 15.


• • • • •

accionamientos hidráulicos dispositivos para la manufactura de semiconductores aparatos de conmutación de baja tensión dosificación y pesaje bombas líquidas.

Esta no es una lista completa y se amplía continuamente. Antes de establecer los perfiles, cada proveedor definió sus parámetros más importantes, que generaron definiciones de parámetros completamente diferentes. Esta diferencia causó muchos problemas con los usuarios finales porque la mayoría acabó con dispositivos de proveedores diferentes, generando confusiones de red cuando se pasaba de un proveedor a otro. Esta confusión se ha minimizado al definir los perfiles que ahora estipulan comúnmente los parámetros que comparten todos los proveedores. También define el formato de la variable de salida y una palabra de estado que informa al usuario el estado de la salida. Beneficios clave del perfil estándar: • Facilidad de uso: el perfil estándar crea muchas similitudes entre dispositivos parecidos y diferentes; por ende los instrumentos de campo PROFIBUS son fáciles de usar, incluso en redes grandes con instrumentos mezclados. • Fácil intercambiabilidad: es la capacidad para pasar del dispositivo de un proveedor a otro dispositivo similar de otro proveedor. El perfil estándar PROFIBUS facilita esto más que ningún otro protocolo. Un perfil define: • Los datos que se presentan en la red y el formato de los mismos. • Funciones estándar que la red puede utilizar para obtener y manipular datos (es decir, bloque de entrada analógica con escalamiento). • Parámetros estándar necesarios para configurar el dispositivo. • Métodos o procedimientos para comunicar parámetros al dispositivo a través de la red de comunicación. El perfil estándar PROFIBUS define los parámetros básicos que cada dispositivo de cada tipo debe tener y de dónde obtenerlos. También define cómo se presenta en la red la variable de proceso. Adherir a un perfil estándar PROFIBUS permite tener muchas similitudes entre los dispositivos, más allá de quién sea el proveedor.

33


La discusión que resta sobre perfiles se enfoca en el perfil para la automatización de procesos que define los perfiles para transmisores de nivel, flujo, temperatura, presión y posicionadores de válvulas.

Ejemplo de perfil: configuración de un dispositivo de nivel8 Este ejemplo compara el trabajo necesario para pasar de un monitor de nivel del proveedor A al del proveedor B. Se deben llevar a cabo las siguientes tareas para hacer esta integración: 1. Configurar el dispositivo. 2. Configurar la red de comunicación. 3. Configurar el maestro. Para comparar, hay dos tipos de configuración: una sin perfiles y la otra con perfiles. Sin perfiles: se programa cada dispositivo con una serie de parámetros que hacen básicamente lo mismo. Pero, lo confuso es que los nombres y el orden de estos parámetros es diferente. Es más, lo que se logra con una configuración en un producto puede llevar varias configuraciones en otro. Como se ve en la Configuración Rápida de los tanques de ambos proveedores, ni los parámetros ni la terminología es la misma, aunque las condiciones del tanque sí lo sean. Estas variaciones pueden complicar la configuración, requerir más capacitación, más tiempo y más costos a la instalación porque cada dispositivo se ingresa de forma diferente. Ambos dispositivos también requieren configuración de comunicación y definen la información que pasa a la red. Aquí nuevamente ambos dispositivos poseen diferentes parámetros de configuración y presentan información diferente. El dispositivo maestro se debe programar de modo tal que recupere estos datos de los dispositivos, y que después se agreguen códigos especiales para obtener la información (escalamiento, formato) en la forma requerida. La rutina que utiliza el proveedor A es totalmente diferente de la del proveedor B. Además, cada dispositivo envía su indicador de estado. Los indicadores de estado son diferentes, y debe verificar cada uno de ellos, además de la configuración de sus alarmas en la interfaz hombre-máquina (HMI). Todas estas diferencias complican la tarea de instalación.

8

34

Esta sección está adaptada de Benefits of the Profile Concept, James Powell. ISA, 2004.


Proveedor “B“

Proveedor “A“

A

C

100% B C A B

0%

A = Vacío B = Espacio C = Casi vacío Configuración rápida P001 Operación P002 Material P003 Medir respuesta P004 Transductor P005 Unidades P006 Distancia vacía P007 Tramo

A = Distancia de bloqueo B = Distancia vacía C = Nivel lleno Configuración rápida C1 Distancia vacía C2 Nivel lleno C3 Distancia de bloqueo D3 Unidades D4 Modo operativo D5 Aplicación de nivel

Los datos presentados al maestro también difieren. Proveedor A

Proveedor B

Byte 0 a 1: palabra de estado (mapeo de bit por tanque, 0 = OK, 1 = error) Byte 2 a 3: nivel en tanque 1 como porcentaje del tramo multiplicado por 100 Byte 4 a 5: nivel en tanque 2 como porcentaje del tramo multiplicado por 100

Byte 0 a 3: medida de distancia en tanque 1 Byte 4 a 5: estado para tanque 1 (valor de 1000 = OK) Byte 6 a 9: medida de distancia en tanque 2 Byte 10 a 11: estado para tanque 2 (valor de 1000 = OK)

Con perfiles: Cada dispositivo PROFIBUS posee un archivo de datos asociado que se llama archivo punto GSD (.gsd). Es el que le dice al maestro qué es el dispositivo y qué variables puede ofrecer. 35


Sólo cargue el archivo en el software de configuración para el maestro y elija la información necesaria (en este caso, sería nivel, distancia o volumen). La operación es sencilla y es igual para cada proveedor que adhiera al perfil. Al configurar el dispositivo, ambos dispositivos deben tener un archivo GSD diferente, pero presentar la misma información a la red. Por lo tanto, pasar de uno a otro implicaría sólo borrar uno y arrastrar el nuevo, colocándole la misma dirección. Valor coma flotante IEEE

Byte 1

Byte 2

Byte 3

Byte estado

Byte 4

Byte 5

La definición de tanque está en el perfil estándar, así que es igual para ambos dispositivos. Entonces, los parámetros centrales son iguales para ambos, y hay un sólo conjunto de parámetros centrales que recordar.

Ajuste del sensor

Calibración punto alto

Nivel alto (predeterminado 100)

Nivel bajo (predeterminado 0)

36

Nivel Desfase de nivel

Calibración punto bajo


Dentro del perfil hay una definición de la salida y un método para escalar. El escalamiento se realiza en un dispositivo usando un bloque de entrada analógica llamado entrada porque los datos se ven desde la perspectiva del maestro PROFIBUS. La salida de este bloque es una representación flotante IEEE de la variable del proceso más el byte de estado. La variable del proceso se puede escalar en el dispositivo para que coincida con lo que la HMI desee. La palabra de estado se lee en el maestro PROFIBUS y se activa su alarma de allí también. El resultado del perfil es que no necesita programación especial en el maestro PROFIBUS para el escalamiento o para monitorear el estado.

Conclusión Los perfiles simplifican la instalación y la configuración de diferentes dispositivos de campo. Sin perfiles: • hay dos pasos de configuración que no son parecidos • hay dos rutinas en el maestro para ajustar datos entrantes • hay dos rutinas en el maestro para monitorear el estado de los dispositivos • hay un código agregado en la HMI para indicar error. Con perfiles: • no hay rutinas especiales en el maestro para ajustar datos • no hay rutinas especiales en el maestro para monitorear el estado de los dispositivos • no hay códigos especiales en la HMI para indicar error • hay dos configuraciones que son muy similares.

Operación de un perfil de instrumento de campo Para las computadoras que poseen grandes sistemas de control DCS o PLC, se ha desarrollado un lenguaje que utiliza bloques, predefinidos, un lenguaje familiar para los ingenieros de control. También se lo conoce como diagrama de bloques de función (FBD) o simplemente diagrama de bloque. Cada bloque es una representación gráfica de un programa que realiza una tarea como comparar dos valores o encender una bomba. Los bloques poseen entradas y salidas, y una programación gráfica simple que dibuja líneas entre los bloques. Cada bloque realiza una función o una serie de funciones que se leen de izquierda a derecha, de arriba hacia abajo. De un bloque se pasa al próximo bloque. Algunos bloques detendrán el flujo en esa línea según el resultado del cálculo. Un bloque complicado puede definirse al conectar una serie de bloques más simples, ofreciendo niveles de

37


programación, haciendo que una tarea compleja sea fácil de comprender. Comparar > R

Nivel Tanque 1

En 1

Bomba 1 Ajustar

4,5

En 2

Comenzando por la izquierda, este bloque de diagrama muestra cómo el primer bloque es una función de comparación. Compara dos entradas para ver si una es más grande que la otra. En este caso, verifica si la variable del tanque 1 es mayor a 4,5 metros. Si es cierto, el bloque conectado se ejecutará. Este segundo bloque es un bloque determinado que, por ejemplo, encenderá la bomba 1. Si el valor no es mayor a 4,5 metros, el bloque de la izquierda no se ejecuta y la bomba permanece apagada. Este ejemplo simple se puede trasladar a un algoritmo de control de bomba y combinar para hacer un bloque llamado Control de Bomba.

Sensor Temperatura electrónica

Sensor

38

Bloque transductor

Entrada analógica Bloque de función 1

Entrada analógica Bloque de función 2

PROFIBUS PA

Para PROFIBUS, el instrumento forma parte de una serie de bloques; los dispositivos de nivel, presión o temperatura funcionan de la misma manera.


La información del sensor ingresa al bloque transductor que luego envía la información a los bloques de función de entrada analógica. Note que los bloques analógicos se llaman bloques de entrada porque el flujo de información se observa desde el sistema de control. Estos bloques de entrada analógica son similares a los bloques de entrada analógica para entradas 4-20 mA, salvo que en ese caso, no se ejecutan en el controlador principal y ofrecen información de estado también. Un sensor de temperatura interno también alimenta el bloque transductor. Este sensor verifica el estado del instrumento monitoreando la temperatura e informado al usuario antes de que ocurra algo. El bloque transductor, un dispositivo de nivel en este ejemplo, también se define en términos de bloques múltiples. Todos estos bloques (con excepción del bloque de tecnología del sensor), se definen en PROFIBUS Profile Standard V 3.0. Nivel

Valor de sensor

Sensor

Tecnología del sensor

Calibración

Valor primario [Nivel/Volumen] (Unidades nivel/ volumen)

Linealización

PV AIFB1

(Entrada analógica) Ajuste sensor

Ajuste nivel Punto Punto calibración calibración alto bajo Punto nivel Punto nivel alto bajo

Tipo de linearización

SV1

Valor secundario 1 [Nivel] (Unidades nivel)

AIFB2

(Entrada analógica)

SV2

Tipo calibración Valor secundario 2 [Distancia 1] (Unidad sensor)

Como con las subrutinas en la mayoría de los lenguajes de computación, los valores que pasan entre los bloques también poseen un indicador de estado que indica que el cálculo (o en este caso la variable del proceso) está bien. Este indicador de estado es un resultado lógico del uso de la estructura de modelo de bloque, ya que los bloques también realizan auto-diagnósticos, alertando al sistema de control sobre problemas en el instrumento mismo. Al usar los bloques, los ingenieros de control ven al instrumento en un lenguaje que conocen. El bloque de función de entrada y salida analógica que previamente se ejecutó en el controlador principal, ahora se ejecuta en el instrumento mismo. De hecho, desde el punto de vista del ingeniero de control, dónde se ejecute el código no tiene importancia ya que es sólo un sistema que controlar y modificar a su gusto.

39


Evolución del perfil estándar

Se lanzó en 1996 una versión de prueba de Profile V.2.0

La primera versión que se lanzó del documento del perfil estándar, Profile V.3.0 se publicó en 1999, y define la salida estándar y estandariza los parámetros de los dispositivos. Dentro de este estándar definido hay dos tipos de dispositivos: • Dispositivos clase A: utilizan el modelo de bloque pero no el bloque transductor estandarizado o los parámetros estandarizados. • Dispositivos clase B: utilizan el perfil estándar completo. El dispositivo clase A se definió para facilitar a los fabricantes el cumplimiento del estándar y el lanzamiento del producto. Ya no es aceptable para la certificación PROFIBUS. Para el usuario final, se recomienda el uso de dispositivos clase B, Profile V.3.0. Este es el tipo de dispositivo que le dará al usuario final todos los beneficios principales. Hoy, la mayoría de los dispositivos PROFIBUS PA lanzados están diseñados para Profile V.3.0 clase B o superior.

Actualizaciones Desde el lanzamiento del perfil estándar en 1999, hubo dos actualizaciones menores: • Versión 3.01 lanzada en 2004. • Versión 3.02 lanzada a principios de 2009. Versión 3.01: enfocada a los mensajes de error/diagnóstico y al flujo de esos mensajes. Agregó un byte alternativo llamado Estado Condensado con el siguiente efecto: • reducción de la cantidad de mensajes de error • creación de una progresión de pasos de alerta para mensajes de mantenimiento (mantenimiento requerido, mantenimiento obligatorio, alarma de mantenimiento). • filtro fácil entre las alarmas de proceso y de mantenimiento. A los códigos de estado condensado se les realiza un mapeo de bits para que un sólo filtro de bit separe las alarmas de proceso de las de mantenimiento. • permite que el usuario tenga un control total de los mensajes de error (es decir, el usuario final accede al instrumento y elige si un error debería ser un error, una advertencia o no ser una alerta). Versión 3.02: ofrece muchas mejoras de integración: • mejora la velocidad de carga/descarga en un factor de seis • mejora la integración del dispositivo a través de un mejor manipuleo de la versión.

40


PROFIBUS International trabaja continuamente para mejorar el perfil estándar. La instrumentación es un campo que crece rápidamente, tanto a nivel de mercado como tecnológico, y la comunicación de bus de campo es un componente integral de dicho crecimiento. PROFIBUS se compromete con ese crecimiento y con la maximización del potencial de comunicación para que las empresas puedan cosechar los beneficios de redes efectivas.

Próxima parada del BUS: Capas físicas y componentes de red En el próximo capítulo analizaremos las diferentes capas y componentes que puede hallar en PROFIBUS y que componen una red PROFIBUS.

41


Notas

42

Capítulo Tres

Capas físicas y componentes de red Sólo cree y no te equivocarás. A la luz del día, hallarás el camino.1 Un bus de pasajeros toma diferentes caminos: autopistas, carreteras y calles laterales, todas con vías de acceso, carteles de detención y luces en las diferentes intersecciones. Del mismo modo, PROFIBUS viaja por diferentes medios físicos: cables, luz y ondas de radio. Como un camino que ofrece direcciones alternativas en sus intersecciones, PROFIBUS pasa por diferentes cajas (acopladores, repetidores) para tomar diferentes caminos. Estos caminos (capas físicas) son medios electrónicos. En este capítulo analizamos los diferentes medios eléctricos usados y después las diferentes formas de conectarlos, como las intersecciones que unen diferentes calles.

La ruta del BUS Este bus hace las siguientes paradas: • • • • • •

Capas físicas Entornos intrínsicamente seguros/peligrosos Elección de una capa física Componentes de red Redundancia Elección de componentes de red

Capas físicas Una capa física es cómo los datos, los unos o los ceros, se transfieren de un punto a otro en la red; es el camino por el que pasa PROFIBUS y el enlace físico entre los dispositivos. Así como los diferentes caminos se diseñan para funciones de transporte específicas, PROFIBUS también ofrece diferentes capas físicas con usos específicos, incluyendo RS-485, fibra óptica e inalámbrica.

1

Led Zeppelin, “In the Light.“ Physical Graffiti, 1974.

43

Capítulo 3: Capas físicas y componentes de red

RS-485 Es el Estándar Recomendado 485 (RS-485) hace referencia a la capa física que utiliza una tensión diferencial para transmitir los datos. Un circuito eléctrico en el dispositivo receptor mide la tensión entre dos líneas de entrada y busca la diferencia entre ellas para determinar cuál es un 0 y cuál es un 1. El diagrama muestra ambas tensiones de entrada A y B: la diferencia de tensión la muestra la flecha y es el valor A-B. Si está entre -1,5 V y -6 V, es un 1 lógico, y si está entre +1,5 V y +6 V, es un 0 lógico.

A B

Ruido: una ventaja del estándar RS-485 es su inmunidad eléctrica al ruido. Si se introduce un ruido eléctrico (n) en la línea A, el mismo ruido se introducirá en la línea B. Así es cómo se calcula la diferencia:

(A+n) – (B+n) = A – B + n-n = A – B El ruido se anula. Hace unos largos 20 años, reparaba una red RTU Modbus RS-485 que unía una interfaz hombremáquina (HMI) con un Controlador Lógico Programable (PLC). RS-485 posee una gran inmunidad al ruido, entonces me sorprendí de la ruidosa forma de onda que medía el osciloscopio. Ya había verificado la conexión a tierra y como normalmente RS-485 funciona muy bien estaba desorientado con esta anomalía. Luego en la investigación noté que el cable RS-485 estaba sujetado con el de energía de 440 VAC que iba a los motores principales, una gran violación a las reglas del cableado: los cables de energía y los de comunicación deben estar separados. La moraleja: aunque RS-485 tiene gran inmunidad sonora, no es inmune a una mala instalación.

44


Cantidad de dispositivos: RS-485 puede tener hasta 32 dispositivos en un segmento. Un segmento es una sección de la red por donde pasa la misma señal eléctrica interrumpidamente. Este límite de 32 dispositivos lo imponen las limitaciones naturales de un circuito eléctrico. Luego de detectar la señal de 31 receptores (1 emisario más 31 receptores = 32 dispositivos), la señal se degrada hasta el punto de no poder leerse correctamente. La cantidad de dispositivos se puede ampliar usando repetidores. Velocidad de red: la velocidad de la red se puede ajustar a diferentes velocidades de transmisión entre 9,6 k baudios y 12 M baudios, siendo una velocidad típica 1,5 M bits por segundo. Distancia: a medida que la distancia se reduce, la velocidad de transmisión máxima cambia exponencialmente. A medida que la distancia aumenta, la velocidad de transmisión máxima cae exponencialmente.

Un dispositivo en este caso es cualquier aparato eléctrico conectado a este segmento.

Velocidad Distancia (bits por segundo) (m) 9,6 K

1200

19,2 K

1200

45,45 K

1200

93,75 K

1200

187,5 K

1000

500 K

400

1,5 M

200

3M

100

Baudios = velocidad de trasmisión que se mide en bits por segundo.

6M 100 La capa física RS-485 se conoce al menos desde la década del '80 12 M 100 y se utiliza en muchas aplicaciones con diferentes protocolos. La mayoría de los Controladores Lógicos Programables (PLC) usan RS-485 para la comunicación inter-PLC y para la comunicación entre un programador y el PLC. Otros protocolos que utilizan RS-485 son: • Modbus RTU (protocolo propietario Modicon que ahora es abierto) • DF-1 (protocolo propietario Allen-Bradley) • SNP (protocolo propietario GE FANUC)

k = kilobits M = mega bits

NOTA: la versión PROFIBUS del RS-485 es una modificación del estándar original. El estándar original sólo podía transmitir a una velocidad máxima de 187,5 k bits por segundo. PROFIBUS extendió esto a 12 mega bits por segundo.

45


Conclusión RS-485 es la capa física principal ideal para PROFIBUS DP por los siguientes motivos: • • • •

posee gran inmunidad sonora viaja largas distancias admite hasta 32 dispositivos en un segmento transmite hasta 12 mega bits por segundo.

Fibra óptica La capa de fibra óptica usa luz para transmitir datos. PROFIBUS tiene diferentes soluciones de fibra óptica disponibles según el costo y la distancia. Por lo general, a mayor distancia, mayor costo. Impulso luminoso

Un módem es un Salida dispositivo que traduce Entrada impulCable de fibra óptica so eléctrico impulso una señal de una eléctrico tecnología de transmisión a otra. La operación con fibra óptica comienza con una señal eléctrica que se .

convierte en luz, transmitida a través de un cable de fibra óptica que luego se vuelve a convertir en impulso eléctrico en su destino. La luz viaja en ambas direcciones en el cable, muy rápido, y puede transmitir la señal a grandes distancias por una fibra de alta calidad. Los lazos de tierra son corrientes eléctricas que viajan por el cable de tierra y pueden interferir con la comunicación.

Como los módem de fibra óptica traducen la información eléctrica en luz, también ofrecen aislamiento eléctrico. Así, en dos áreas con diferente puesta a tierra, la fibra óptica las conecta sin peligro de generar lazos de tierra. El ruido eléctrico está compuesto de ondas electromagnéticas que pueden inducir tensión en los cables de cobre. Pero, las ondas electromagnéticas no tienen efecto en la luz; por ende, no hay ruido eléctrico, haciendo que la fibra óptica sea ideal para áreas con mucho ruido eléctrico ambiental.

Conclusiones de fibra óptica • • • •

46

extiende la red a lo largo de grandes distancias resuelve problemas de puesta a tierra es efectiva en aplicaciones con mucho ruido ofrece topologías más versátiles.


La Marina Americana usa anillos PROFIBUS de fibra óptica para muchos de sus portaaviones. Recuerdo que me contaron de los grandes problemas de puesta a tierra que tenían los buques. Al principio me sorprendió hasta que me di cuenta de que un buque es un contenedor de metal que cabecea en el agua, funcionando como un capacitor variador, creando diferentes potenciales de tierra en todo el buque. La fibra óptica es la solución perfecta para buques. Además, en caso de buques de guerra, la capacidad para ajustar la redundancia es una gran ventaja.

Inalámbrica En una red inalámbrica, los datos se transmiten a través del aire de una fuente a un receptor. La señal eléctrica se traduce en ondas electromagnéticas que viajan grandes distancias, según el tipo de módem. Además, debido a la traducción en ondas electromagnéticas, un lado no tiene conexión eléctrica con el otro (brindando un gran aislamiento), haciendo que la tecnología inalámbrica sea una solución práctica a los problemas de puesta a tierra. Hay muchas soluciones inalámbricas disponibles para PROFIBUS con diferentes tecnologías de radio e infrarrojas. (En el sitio web PROFIBUS hay una lista completa, en www.PROFIBUS.com/meta/ productguide busque "wireless"). La tecnología inalámbrica ahorra costos de cableado físico. Tender cables de un dispositivo a otro cuesta dinero, tanto en el cable que se consume como en el trabajo que lleva hacerlo adecuadamente. La tecnología inalámbrica también es la única opción para algunas aplicaciones en la que es difícil, sino imposible, tender cables, como cerca de máquinas giratorias o a través de barreras como por ej. en la calle.

Conclusiones sobre tecnología inalámbrica • • • •

posee rango extendido resuelve problemas de puesta a tierra ahorra costos de cableado es excelente en aplicaciones donde es difícil o imposible tender cables.

47


La tecnología inalámbrica está en boga actualmente, pero la mayor parte que utilizan los proveedores inalámbricos actuales hace tiempo que está establecida. Les daré un ejemplo. Hace quince años trabajaba en un proyecto con módems inalámbricos de amplio espectro para conectar un PLC remoto a un DCS Honeywell con Modbus. El cliente precisaba recibir cuatro valores analógicos importantes para el proceso. Los módems costaban CAD 2000 (dólar canadiense) cada uno, con un costo total de proyecto de CAD 10.000. Las instalaciones ya no tenían lugar en el tendido de cables, y para tender otro había que cavar otro camino principal con un costo estimado de CAD 500.000. Entonces, los CAD 10.000 eran una inversión pequeña y el cliente los pagó con gusto.

Manchester Encoded Bus Powered (MBP) (IEC 61158-2) El estándar IEC 61185-2 define una capa física que utiliza un método especial llamado Manchester Encoded Bus Powered (MBP) para ofrecer energía y comunicación en los mismos dos cables y transmitir la información al variar el consumo de energía en el cable de energía.

bits

1

0

1

1

0

|

1 = 10 mA

19 mA

1 mA 1 bit

48

tiempos de bit 1 bit


El nivel de tensión en el bus debe ser de un mínimo de 9 V CC2, pero puede llegar hasta 32 V CC. La velocidad de transmisión se puede fijar en 31,25 Kbits/segundo. Esta es la capa física principal para PROFIBUS PA. La corriente base mínima es de 10 mA. La capa física hace que los dispositivos varíen el consumo de energía en el tiempo. La transmisión de un 1 o un 0 depende de si la energía aumenta o se reduce. Si la energía pasa de alta a baja durante un tiempo de bit predefinido, entonces es un 1 lógico. Si la energía pasa de baja a alta, entonces es un 0 lógico. Al principio del mensaje hay una secuencia de arranque para que todos los dispositivos de la red coordinen los tiempos de bit. Eléctricamente, es mucho más complejo que RS-485, y la descripción anterior es una simplificación de cómo funciona la capa física.

El MPB para PROFIBUS PA es la misma capa física usada por Foundation Fieldbus H1.

Cantidad de dispositivos: la capa física puede manejar un máximo de 32 dispositivos (31 dispositivos de campo más un acoplador). PROFIBUS trabaja bien con esta cantidad. Sin embargo, según se describe en el Capítulo Cuatro, las opciones de topología de red se reducen una vez que supera los 24. Velocidad de la red: la velocidad de MPB está siempre fija en 31,25 kbits/segundo. Distancia: para aplicaciones no-IS, el segmento MPB no puede exceder los 1.900 m (6232 ft). Para aplicaciones IS, no puede exceder los 1.000 m. (3280 ft).

Conclusiones MBP • Ofrece comunicación y energía en los mismos dos cables, ahorrando muchos costos de instalación ya que la energía y la comunicación no necesitan líneas separadas. • Intrínsecamente seguro (IS) alias MPB-IS. Ver Intrínsicamente Seguro a continuación. • MBP tiene bastante inmunidad sonora, así que se puede utilizar en entornos industriales con mucho ruido electromagnético.

RS-485-IS RS-485-IS es una modificación de RS-485 para niveles de energía más bajos. IS significa Intrínsicamente Seguro (ver abajo). Hay un acoplador especial para traducir la capa física de RS-485 a RS-485-IS, y RS-485-IS

Para obtener la certificación PI, el dispositivo debe poder encenderse con 9 V CC aplicados. Hay algunos dispositivos PROFIBUS PA no certificados que requieren más que esto para encenderse, otra buena razón para usar sólo dispositivos PROFIBUS PA certificados.

2

49


también usa diferente cableado y posee una velocidad máxima límite de 1,5 megabits/segundo. NOTA: El rack de E/S remoto Siemens ET200 opera con RS-485-IS, y es una solución rentable para las E/S remotas en entornos IS.

Entornos intrínsecamente seguros / peligrosos Las plantas de proceso suelen tener áreas donde hay sustancias explosivas en el aire, y una chispa eléctrica generaría una explosión. El IEC 3 ha definido diferentes zonas según cuán a menudo se encuentra una mezcla explosiva: • Zona 0 posee la mayor frecuencia • Zona 1 posee menos que la Zona 0 • Zona 2 posee menos que la Zona 1. Las definiciones de IEC tienen aceptación mundial. No obstante, muchos países poseen otras clasificaciones en paralelo, así que puede haber diferentes terminologías. Por ejemplo, en Estados Unidos, Clase 1 Div 1 corresponde a la Zona 0 y la Zona 1. La respuesta del bus de campo a los entornos explosivos es limitar la energía que va al bus y los dispositivos a un nivel donde sea imposible generar una chispa o un efecto térmico. Los dispositivos diseñados según este concepto se dice que son intrínsecamente4 o naturalmente seguros. ¡ADVERTENCIA! Esta sección sobre Intrínsecamente Seguro / FISCO / FNICO y RS-485-IS es sólo una introducción. Se podría escribir un libro entero sobre este tema. Cuando se embarque en un proyecto IS, por favor capacítese más sobre esta tecnología. Los diferentes proveedores que venden productos IS tienen documentación detallada. ¡Por favor recuerde que hay vidas en riesgo cuando se trata de IS! La energía se limita utilizando un acoplador especial que mantiene la energía a un nivel específico según la zona para la que se diseñó. En general, cuando se trata de entornos IS, se utiliza una capa física MBP. Cuando MBP se usa en entornos IS, se la llama MBP-IS. Sin embargo, PROFIBUS ofrece una segunda opción llamada RS-485-IS.

3 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. 4 Intrínseco: que pertenece a la naturaleza o a la constitución esencial de una cosa.

50


Los ingenieros novatos por lo general ignoran la importancia de las áreas intrínsecamente seguras. Recuerdo mi primera capacitación sobre seguridad y mi primera visita a una planta química. Acababa de salir de la universidad y sabía todo. Comencé a tenerle más respeto cuando entré a la sala de control e hice la pregunta más tonta: "¿Por qué las paredes son tan gruesas?" Para que la gente sobreviva en caso de una explosión. ¡Ay! Mis lecciones de respeto continuaron cuando entré a una zona donde un detector de cloro se apagó. El nivel de alarma significaba que los humos no eran letales, pero sí más elevados de lo que deberían. Dos segundos después, cuando respiré los humos no letales, supe que estos químicos se merecían nuestro respeto, y es más, aún recuerdo el dolor en los pulmones y el pánico que sentí.

Concepto de bus de campo de seguridad intrínseca (FISCO) Para obtener la aprobación para una aplicación IS, debe hacer una serie de cálculos. Pero para MBP, un grupo de ingenieros descubrió que podía simplificar estos cálculos ya que al mirar la capa física notaron lo siguiente: • hay sólo una fuente de alimentación • todo el resto son dispositivos de energía • hay un consumo de energía constante. Entones se llegó a esta conclusión: los dispositivos PROFIBUS pueden ser intrínsecamente seguros al enchufarse, siempre que la suma de la corriente esté por debajo de la corriente máxima aplicada al acople IS cuando se suma el consumo de corriente de los diferentes instrumentos. Pero tenga en cuenta que hay varias limitaciones en la capa física: • • • •

requiere cable clase A distancia máxima de 1.000 metros largo máximo de la línea auxiliar 60 metros necesita una fuente de alimentación y un acople con aprobación FISCO • un acople FISCO típico ofrece 14 V, 110 mA • instrumentos con aprobación FISCO. 51


Con estas limitaciones, los dispositivos de campo con aprobación FISCO podrían usarse en entornos de Zona 0 ó superiores.

Concepto de bus de campo no incendiario (FNICO) y FISCO ic El estándar FNICO opera con el mismo principio que FISCO, pero se aplica en la Zona 2, lo que implica que ciertos requisitos de la fuente de alimentación son más holgados, permitiendo más instrumentos por segmento. A principios de 2008, FNICO fue reemplazado por FISCO ic, que aplica reglas muy similares. Las limitaciones de la capa física son: • • • • • •

requiere cable clase A distancia máxima de 1.000 metros largo máximo de la línea auxiliar 30 metros fuente de alimentación y acople con aprobación FISCO los acopladores FNICO y FISCO ic ofrecen 17,5 V, 350 mA sólo instrumentos con certificación FISCO5

Elección de una capa física Hay disponibles muchas capas físicas: • RS-485 • MBP • Inalámbrica

• RS-485-IS • MBP-IS • Fibra óptica

Estas son algunas pautas para elegir la indicada para su aplicación: 1. RS-485 es el camino principal para la automatización y conforma la columna vertebral de la red. 2. Use fibra óptica en estas condiciones: • largas distancias • asuntos de puesta a tierra (como entre edificios) • mucho ruido eléctrico. 3. Use inalámbrico en estas condiciones: • largas distancias • alto costo de cableado • mal acceso al tendido de cables.

5 Actualmente esta es la descripción correcta ya que no hay aún dispositivos con aprobación FISCO ic o barreras. Esto cambiará con el tiempo y debería verificarse al diseñar el segmento IS.

52


4. RS-485 se debería utilizar para aplicaciones de control de procesos, pero las ramas pueden ser MBP. Use RS-485 para accionamientos e instrumentos que requieren alta velocidad. La mayoría de los instrumentos estarán en MBP. 5. Las ramas de control de proceso en áreas IS usan MBP-IS.

Componentes de red En esta sección les mostramos cómo unir los caminos.

Repetidores Un repetidor es un dispositivo que repite una señal eléctrica devolviéndole su fuerza total. Cada vez que se lee una señal eléctrica, se reduce el nivel de energía. Además, cuanta más distancia recorra, menor es el nivel de energía. Finalmente se llega a un punto en el que la señal no se puede leer porque los niveles son muy bajos. Un repetidor toma esa señal baja, la lee en un segmento y la repite en el segundo segmento, devolviéndole toda su fuerza. Todas las capas físicas diferentes de la red tienen una cantidad limitada de repetidores porque cada repetidor introduce un retardo en la señal. PROFIBUS necesita que la comunicación se realice en un cierto tiempo para cumplir con los requisitos deterministas del sistema de control. Si hay demasiados repetidores en una ruta de comunicación, se excede este tiempo límite (timer controlador) generando un error serio porque su controlador ya no puede controlar el proceso. A menudo los fabricantes de repetidores le pedirán que ajuste algunos de los parámetros de temporización PROFIBUS (también llamados parámetros de bus PROFIBUS) para no exceder el timer controlador PROFIBUS.

1. Leer una señal significa que el circuito eléctrico detecta si el valor es 1 o 0. 2. Determinista es el conocimiento de un evento inminente en un período de tiempo fijo. Este es un requisito de los sistemas de control avanzados.

Repetidor

Segmento A

Segmento B

Regenerar señales originales

53


El repetidor más común en la automatización de procesos es el que se usa para RS-485. Muchos de estos módems permitirán hasta nueve repetidores en cualquier ruta de comunicación. Así, entre dos dispositivos que hablan (maestro-maestro / maestro-esclavo), no puede haber más de nueve repetidores; sin embargo, la cantidad total de repetidores en todo el sistema puede ser mucho mayor. Además de usarse para extender la longitud de la red y la cantidad de dispositivos, los repetidores también sirven para crear líneas auxiliares para RS-485. Por lo general, RS-485 se conecta con un método llamado conexión en cadena margarita. Los cables van directamente de un dispositivo a otro. Sin embargo, las líneas auxiliares se derivan de un cable principal y se tiende otro cable hasta el dispositivo de campo. Cuando RS-485 está funcionando a 1,5 meg o más, las líneas auxiliares no están permitidas. Cuando funciona a velocidades menores, puede haber una cantidad limitada de líneas auxiliares, de un largo limitado. Estas restringen la velocidad máxima de transmisión y generan reflejos en la línea que reducen la robustez de todo el sistema. Generalmente no son una buena idea para RS-485, pero como el repetidor refresca la señal, también se puede usar para crear la misma topología que las líneas auxiliares. Algunos fabricantes (por ej. Procentec y Phoenix Contact) han creado repetidores especiales diseñados para crear líneas auxiliares en PROFIBUS DP.

Servicios de campo

Repetidor

Dispositivo de campo 54


Resumen de la tecnología de repetidores RS-485 • extiende el largo total de la red para una velocidad dada • aumenta la cantidad de dispositivos en la red • permite diferentes topologías (líneas auxiliares).

Repetidores MBP Aunque hay repetidores MBP, tienen un uso limitado para PROFIBUS. PROFIBUS posee la carretera DP que une todas las calles laterales PA, y si uno de los segmentos PA se sobrecarga, puede agregar un acoplador o enlace/acoplador PA para crear un nuevo segmento. Comúnmente, esto es más fácil, más rentable y con mejor rendimiento que un repetidor PA.

Acoplador RS-485-IS Este dispositivo convierte RS-485 a su versión Intrínsecamente Segura llamada RS-485-IS. Este acoplador limita la velocidad de transmisión total a 1,5 meg. Además usa diferentes cables y terminaciones que el RS-485. Este dispositivo sólo se usa cuando hay dispositivos que conectar a RS-485-IS.

Conectando PROFIBUS DP a PROFIBUS PA PROFIBUS DP es la columna vertebral de su red con segmentos PROFIBUS PA agregados a través de algún acoplador/enlace/puerta. Actualmente, hay empresas que proveen equipos (Siemens, ABB y Pepperl+Fuchs) con cinco soluciones posibles.

Empresa

Nombre del producto

Velocidad del lado DP

Comentarios

Siemens

Acoplador DP/PA

Fijo en 45,45 k bits por segundo

El lado PA usa el mismo espacio de dirección que el lado DP

Siemens

Acoplador DP/PA Link

Cualquier velocidad

El lado PA usa un espacio de dirección diferente que el lado PA

ABB

Dispositivo de enlace DP/PA

Cualquier velocidad


Pepperl+Fuchs

Acoplador de segmento para PROFIBUS PA (SK1)

Fijo en 93,75 k bits por segundo


Pepperl+Fuchs

PROFIBUS Power Hub System (SK3)

Cualquier velocidad


55


El acoplador Siemens DP/PA ofrece una solución de bajo costo y bajo rendimiento.

Acoplador PROFIBUS DP/PA Siemens: el acoplador Siemens convierte una capa física RS-485 en una capa física MBP. De alguna forma es similar a un repetidor, pero en vez de repetir el mensaje con el mismo método eléctrico, repite el mensaje usando otro método eléctrico. Al igual que un repetidor, es generalmente invisible en la red y las direcciones en un lado del acoplador son parte del mismo espacio de dirección del otro lado del acoplador. Hay dos versiones en este acoplador: una para aplicaciones IS y una para no-IS 6. El acoplador no-IS más nuevo se puede configurar con una dirección. Al configurarlo con una dirección ofrece información sobre el nivel de corriente y tensión en el segmento PA. Los acopladores requieren que el DP esté fijo en 45,45 k bites por segundo.

Los módulos de enlace DP/A Siemens son un poco más costosos, pero poseen mejor rendimiento.

Siemens PROFIBUS DP/PA Link: el módulo PROFIBUS DP/PA Link es un innovador dispositivo de Siemens que crea una verdadera sub-red al configurar un PROFIBUS DP esclavo de un lado y un maestro PROFIBUS DP (PA) en otro. En esta configuración, el lado PROFIBUS DP de la red puede tomar cualquier velocidad de transmisión, igual que un acoplador P&F, pero la diferencia es que el espacio de dirección del lado PA es diferente al del DP. Por ende, con el módulo de enlace Siemens, entrarán más instrumentos en una red DP porque ya no está limitada al espacio de dirección de 0 a 125 de DP.

Maestro PROFIBUS DP (cualquier velocidad hasta 12M bit/s) Módulo de enlace DP/PA con 2 acopladores y una fuente de alimentación. PROFIBUS PA (31,25 K bit/s)

PROFIBUS PA (31,25 K bit/s)

Diferente espacio de dirección que la red DP de arriba 6 Cabe mencionar que los acopladores Siemens no-IS pueden suministrar 1 A y 31 V CC de energía, la cantidad más grande del mercado, muy útil para lograr la mayor cantidad de dispositivos y la longitud máxima.

56


Otra ventaja del módulo de enlace son los tiempos de actualización de los instrumentos de campo. Por ejemplo, cuando usamos los acopladores Siemens con 100 instrumentos de campo conectados, para actualizar la variable del proceso principal de cada instrumento de campo se utiliza el siguiente cálculo:

100*15,5 + 20ms = 1,57 seconds Pero, si se utilizan varios módulos de enlace, cada uno con 20 instrumentos, entonces el tiempo de actualización es casi cinco veces más rápido:

20*15,5 + 20ms+1ms = 0,331 seconds El módulo de enlace necesita un acoplador (ya sea versión IS o no-IS para funcionar y puede usar un máximo de cinco. Las reglas de diseño general de este módulo son bastante simples: • un máximo de 244 bytes de salida y 244 bytes de entrada disponibles (así que debe verificar que la cantidad total de bytes de entrada/salida en el lado PA no exceda estos límites) • no más de 64 dispositivos en total7 • un máximo de cinco acopladores. Vea Capítulo Cuatro: Diseño Inteligente para ampliar más sobre las reglas de diseño. La norma PROFIBUS establece que los datos en el paquete de comunicación tienen un máximo de 244 bytes, ofreciendo un máximo de 244 bytes de datos de entrada y 244 de salida. Esto se aplica a casi todos los maestros con los que he trabajado. Sin embargo, hay excepciones a la regla. Algunas de las primeras tarjetas de interfaz PROFIBUS tienen algunas limitaciones. Por ejemplo, APACS DCS, un producto DCS legado, está limitado porque los datos de entrada sólo pueden tener un máximo de 122 bytes. Los datos de salida pueden ser de 244 bytes, pero no los de entrada.

Los módulos de enlace más antiguos sólo pueden manejar un máximo de 32 dispositivos.

7

57


Descubrí esto en un llamado por servicio. Se comunicaron conmigo porque la gente de servicio que estaba poniendo en marcha la red no tenía experiencia suficiente y no podía hacer funcionar los módulos de enlace DP/PA. La información que les faltaba era que cuando se trabaja con un host que no es Siemens, hay que utilizar una GST-Tool (descarga sin cargo del sitio Siemens) para combinar los archivos GSD de los instrumentos de campo con los archivos GSD de módulo de enlace DP/PA. Esta parte la resolvimos enseguida. Después descubrimos que los diseñadores habían pasado por alto el límite de 122 bytes en los datos de entrada. Finalmente tuvimos que mover un par de instrumentos a otros segmentos. Ambos problemas se hubieran evitado fácilmente con leer el manual, ¡la diferencia está en los detalles!

Dispositivo de enlace ABB PROFIBUS DP/PA: la solución de ABB es muy similar a la solución de enlace/acoplador de Siemens, salvo que los dispositivos del lado PA de la red son parte del mismo espacio de dirección que el lado DP. Además, el módulo de enlace ABB no posee dirección en el lado DP y es invisible en la red. ABB posee una estación central donde PROFIBUS DP se enchufa a la red. Hay diferentes versiones de esta estación central, cada una con su cantidad de canales: 1, 2 y 4. Cada canal puede tener hasta cinco módulos Powerlink enchufados con un segmento PA por módulo Powerlink. El modulo Powerlink está disponible en versión IS y no-IS. Este diseño ofrece un modo similar de aumentar la velocidad de transmisión como el módulo Link de Siemens. Por ejemplo, si se distribuyen 80 dispositivos en cuatro módulos Powerlink conectados a un canal de estación central, los tiempos de actualización se pueden cuadruplicar con sólo pasar a la versión de cuatro canales y luego usar un canal por módulo Powerlink. Al configurar el maestro DP, ajuste a cualquier velocidad de transmisión y el dispositivo de enlace ABB funcionará. Tenga en cuenta que los archivos GSD del dispositivo esclavo PA deben convertirse con una herramienta de software de ABB, y una vez hecho, la configuración es sencilla.

58


Esta es una forma muy efectiva de convertir DP a PA. El dispositivo de enlace actúa como una puerta invisible entre ambas redes. Cuando resuelve problemas en el dispositivo de enlace, recuerde que los mensajes del lado DP son diferentes a de los del lado PA. La única desventaja real es el límite de 124 del dispositivo para una red DP. Acoplador de segmento Pepperl+Fuchs para PROFIBUS PA (SK1): una idea similar a la del acoplador Siemens, salvo que la velocidad de transmisión del lado DP está fija en 93,75 kbits por segundo. Esta es una solución de gama baja de Pepperl+Fuchs, adecuada para aplicaciones con baja velocidad del lado DP. Sistema Powerhub Pepperl+Fuchs PROFIBUS (SK3): esta solución de Pepperl+ Fuchs también es muy similar a la solución enlace/acoplador de Siemens, salvo que los dispositivos del lado PA de la red son parte del mismo espacio de dirección que el lado DP. El Powerhub tiene diferentes modelos con diferentes opciones: • cantidad de canales • FISCO y FISCO ic • redundancia de energía (ver Medios y Redundancia de energía a continuación) • diagnóstico avanzado de lazo. Cada canal posee su propio PA maestro, entonces este producto (como el ABB) aumenta la velocidad de transmisión de modo similar a la del módulo Link de Siemens. Con sólo reducir la cantidad de dispositivos en un canal, aumenta la velocidad de transmisión. Al configurar el maestro DP, puede ajustar cualquier velocidad de transmisión y el Powerhub Pepperl+Fuchs funcionará. Tenga en cuenta que los archivos GDS del dispositivo esclavo PA deben convertirse con una herramienta de software de Pepperl+Fuchs, y una vez hecho, la configuración es sencilla. Por lo general, el dispositivo Pepperl+Fuchs es impresionante y el diagnóstico de lazo es algo que definitivamente debe considerar. Hay un modulo para el Powerhub que registra la forma de onda PA real, a la que luego se accede a través de la red DP.

Redundancia En algunas aplicaciones de la automatización de procesos, el proceso debe continuar aún si hay algún tipo de falla. Un término común para ello es alta disponibilidad. La redundancia ayuda a que el sistema continúe funcionando con múltiplos de algo, para que si uno falla, el otro lo reemplace. 59


Hay diferentes formas de redundancia: • • • •

redundancia de maestros redundancia de medios redundancia de dispositivos redundancia de energía.

Tanto PROFIBUS DP como PA tienen redundancia de maestro y de medio, y hay disponible redundancia de dispositivo. • Redundancia de maestros: es como tener dos jefes, uno primario y otro secundario. Si el jefe primario se apaga, los interruptores le reportan al jefe secundario (backup). • Redundancia de medios: es como tener dos caminos separados para ir a tu casa, un camino siempre está disponible si uno se bloquea o se daña. Así, en una red, dos cables van al mismo nodo para que si se pierde uno, aún haya comunicación con ese dispositivo. • Redundancia de dispositivos: es cuando múltiples dispositivos están haciendo lo mismo, ya sea entrada o salida. Si uno falla, el otro lo reemplaza. Con PROFIBUS PA también se puede tener redundancia energética. • Redundancia energética: es como un automóvil con dos tanques de combustible. Si un tanque se queda sin combustible, siempre hay un segundo que mantiene el automóvil en marcha.

Redundancia de maestros y de medios PROFIBUS DP Hay numerosas opciones y fabricantes que ofrecen redundancia de maestros y de medios para RS-485 (PROFIBUS DP). Siemens, ABB y Pepperl+Fuchs, para nombrar algunos, tienen redundancia en el maestro y en los medios. La solución de Siemens es usar una serie especial de PLC con tolerancia a fallas y alta disponibilidad: S7-400H. Algunas E/S poseen la capacidad incorporada de pasar del cable PROFIBUS DP primario al secundario, y los otros usan un módulo especial llamado Y-Link. Además de estas soluciones RS-485 para redundancia de medios, otra opción son los módems de fibra óptica. Muchos de estos se pueden configurar de modo tal que ofrezcan redundancia de anillo. Esto significa que para cada modulo de fibra óptica siempre hay dos rutas hacia el maestro. Por lo tanto, si una ruta se corta, hay otra disponible.

60


Redundancia de maestros, medios y energía. PROFIBUS PA Para PROFIBUS PA, Siemens y Pepperl+Fuchs ofrecen: • redundancia de energía • redundancia de acoplador • enlaces para redundancia DP. Además, Siemens ofrece una verdadera topología de anillo que brinda una redundancia de medios completa con rutas redundantes hacia cualquier esclavo en el anillo. Redundancia en el suministro energético y el acoplador (PA Master): Pepperl+Fuchs maneja la redundancia del acoplador y/o del suministro energético de modo simple usando módulos enchufables a su Powerhub, haciendo que todo el hardware sea sólo un agregado del o de los acopladores. El usuario puede elegir entre redundancia energética o redundancia energética y de acoplador (PA Master). El usuario tiene las mismas opciones con Siemens. La única diferencia es que con Siemens se requiere uno o más componentes. Este ítem adicional se llama distribuidor de campo activo. El distribuidor de campo activo toma los cables PA de dos acopladores DP/ PA y encauza uno hacia el segmento PA. Si la comunicación o la energía de uno de los acopladores/fuente de alimentación PA falla, el distribuidor de campo activo pasará a la otra línea para mantener activa la comunicación. Para obtener redundancia de maestro PA en este diseño, el usuario debe agregar un módulo de enlace más y que PROFIBUS DP redundante vaya hacia el nodo.

61


Redundancia de medios PROFIBUS PA: Siemens y Moore Hawke ofrecen redundancia de medios PROFIBUS PA. La solución de Moore Hawke ofrece sólo una caja de empalmes en el anillo, por ende es limitada. La caja de empalmes conmuta entre dos líneas de entrada.

La solución de Siemens es usar un anillo con múltiples cajas de empalmes llamada Distribuidores de Campo Activos (AFD). AFD hará lo siguiente: • auto-terminar el bus • ofrecer protección contra cortocircuitos ante caídas de PA para que si un esclavo PA entra en cortocircuito, la red no se apague. • muestra luces de diagnóstico indicando que los esclavos están bien o qué cable se rompió. Los acopladores que soportan esta estructura ofrecen útiles características adicionales a través de las direcciones PROFIBUS: Una LifeList muestra todos los dispositivos que se están comunicando en la red

• corriente y tensión del segmento PA • una LifeList local • diagnóstico de quiebre de cables/cortocircuito. El anillo Siemens PA tiene varios beneficios: • mayor disponibilidad de la red, lo que implica menos tiempo de parada para el proceso • resolución de problemas más fácil gracias a un mejor diagnóstico de la red • cambio de dispositivos por mantenimiento más fácil debido a la protección contra cortocircuito • diseño e instalación de red más simple debido a la auto-terminación y protección contra cortocircuitos.

62


En general, la estructura de anillo es la solución preferida para todas las aplicaciones. No obstante, la necesidad de una mayor disponibilidad es la clave. Si es un lazo de control importante, esta mayor disponibilidad vale los costos adicionales. Pero si se trata de un tanque para una aplicación agrícola donde una mayor disponibilidad no afecta tanto las ganancias, seguramente no valga la pena el gasto adicional.

Elección de componentes de red Elegir algunos componentes de red será sencillo a partir del diseño y la distribución (Capítulo Cuatro). Por ejemplo, con 40 dispositivos en PROFIBUS DP, necesitará un repetidor. Elegir la marca y el modelo del repetidor requerirá más reflexión. Una ventaja que tiene el diseñador con PROFIBUS es la variedad de opciones. Cuando usa PROFIBUS PA, necesita algún tipo de enlace de DP a PA y/o un acoplador. Como la funcionalidad básica varía considerablemente entre marcas y modelos, el diseñador debe recordar que la elección del dispositivo de enlace afecta al diseño. En general, hay una interacción entre la capa física, los componentes y el diseño de red. Al iniciar el proceso, el diseñador debe tener una visión clara de los requisitos de red del usuario final y estar dispuesto a cambiar los componentes, las capas físicas y el diseño a medida que se instala. El diseño no es lineal. Es recurrente y, según la experiencia del diseñador, puede llevar varios intentos hasta lograr el correcto.

Próxima parada del BUS: Diseño inteligente Ahora que se han presentado todas las piezas, los capítulos siguientes se concentran en: • • • • •

diseño de red: ¿cuáles son las reglas? instalación de la red configuración de la red operación de la red resolución de problemas de red.

63


Nota

64

Capítulo Cuatro

Diseño inteligente: Elementos básicos de PROFIBUS DP/PA El arte debe ser tu incentivo y el diseño no, salvo que sea un buen diseño para un autobús.1 Un PROFI bus bien diseñado traslada los datos rápida y confiablemente, y para diseñar una buena red PROFIBUS, debe seguir estas pautas: • seguir todas las reglas de diseño e instalar correctamente la red le asegura un funcionamiento adecuado de la red PROFIBUS, sin errores. • no seguir las reglas de diseño puede agregar costos incurridos durante el tiempo que estuvo resolviendo problemas, y cambiar un diseño de red fallido en el campo lleva muchísima cantidad de tiempo y dinero, ya que el proceso se detiene a medida que se hacen las reparaciones. En otras palabras, ¡vale la pena seguir las reglas! PROFIBUS utiliza dos capas físicas principales: RS-485 y MBP, y su diferencia se refleja en la designación PROFIBUS: • PROFIBUS DP: se refiere en general al protocolo PROFIBUS DP ejecutado en RS-485. • PROFIBUS PA: se refiere en general al protocolo PROFIBUS DP que se ejecuta en la capa física Manchester encoded Bus Powered (MBP) (IEC-61158-2). 2

Hay más de una respuesta correcta, muchos diseños diferentes resolverán el mismo problema.

Cuando se trabaja en un diseño de red es muy importante recordar que se trata de un proceso recurrente. El primer intento a menudo no se parece en nada al producto terminado debido a la cantidad de factores que deben considerarse como progresos del diseño3. Este capítulo analiza principalmente las reglas generales de diseño. Tenga en cuenta que los componentes seleccionados agregan más reglas. Por ejemplo, los diferentes tipos de dispositivos de conexión DP/ PA poseen sus propias reglas. David Hockney, artista británico, (1936 -) Al protocolo mismo se lo llama PROFIBUS DP y por eso cuando se ejecuta en otra capa física como la de fibra óptica se sigue llamando PROFIBUS DP. 3 Ver en el Capítulo Tres el debate sobre la interacción entre el diseño, la elección de la capa física y los componentes.. 1 2

65

Capítulo 4: Diseño inteligente: Elementos básicos de PROFIBUS DP/PA

La ruta del BUS Este bus hace las siguientes paradas: • • • • • •

Diseño básico PROFIBUS DP Diseño básico PROFIBUS PA Ejemplo de diseño de PROFIBUS PA Herramientas de diseño Cálculo de velocidad de actualización Sugerencias de diseño de PROFIBUS PA.

Diseño básico PROFIBUS DP PROFIBUS DP es la columna vertebral de la típica red PROFIBUS que enlaza accionamiento, arrancadores de motor, E/S digitales y segmentos PROFIBUS PA. Las plantas de proceso a menudo tienen una mezcla de E/S analógicas y digitales, junto con una cantidad cada vez mayor de Accionamientos de Frecuencia Variable. La capacidad para unir todos estos dispositivos diferentes fácilmente en una red es una de las fortalezas clave de PROFIBUS.

Reglas básicas de diseño para PROFIBUS DP en RS-485 de cobre 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

No exceder los 32 nodos por segmento. Los nodos deben tener un enlace margarita (no líneas auxiliares4). Terminar cada segmento en sus extremos. No exceder los 125 dispositivos con direccionamiento directo por tarjeta de interfaz PROFIBUS DP. No más de nueve5 repetidores entre el maestro y cualquiera de sus dispositivos de campo en cualquier ruta de comunicación. Correlación entre el largo máximo por segmento y la velocidad de transmisión. Seguir las prácticas de puesta a tierra recomendadas. Diseñar para la velocidad máxima de transmisión, pero ejecutar a la velocidad mínima posible.

Explicación detallada de las reglas 1. No exceder los 32 nodos en un segmento. Luego de que una señal eléctrica ha sido registrada por 31 dispositivos (1 emisor + 32 receptores = 32 nodos), la señal se degrada al punto de no poder volver a leerse. Esta degradación es sólo un límite físico del estándar RS-485. Sin embargo, algunos dispositivos PROFIBUS DP usan

Profihub es un repetidor RS-485 para crear líneas auxiliares para DP. 66

4 Las líneas auxiliares se pueden usar si su la velocidad de red es menor a 1.5 meg. Pero, tenga en cuenta que PROFIBUS International no recomienda el uso de tendido de cables en ninguna velocidad. 5 Nueve es el máximo. Muchos diseñadores prefieren no exceder los cuatro debido a los retardos que generan los repetidores.


los nuevos chips del mercado RS-485 que no degradan la señal del mismo modo, permitiendo más de 31 dispositivos en un segmento. No obstante, esta regla sigue vigente porque la única forma de identificar estos dispositivos es examinar cada tablero de interfaz PROFIBUS, un ejercicio que lleva mucho tiempo.

NOTAS: • Un segmento es una zona de la red en la que hay sólo una señal eléctrica (es decir, sin repetidores). El diagrama muestra un segmento ya que no hay repetidores. • Un nodo es cualquier dispositivo que ocupa una conexión en la red, incluyendo los dispositivos que tienen direcciones (racks de E/S y accionamientos) y los que no (repetidores y acopladores). 2. Los nodos deben tener un enlace margarita.

NOTAS: • Una cadena margarita conecta los cables de un dispositivo directamente con el siguiente y luego sale de nuevo hacia el que sigue (ver el diagrama). • Cuando los dispositivos están conectados en margarita y uno de ellos falla, el resto no se ve afectado. • Los reflejos son imágenes de la señal original (forma de onda) que regresan por el cable e interfieren con la señal original, así como las olas interrumpen la línea de la superficie del agua cuando salpicamos al costado de la bañera. • Un cable de bajada o una línea auxiliar es un cable sujetado de una conexión en T, y sólo un cable que va desde el cable principal hasta el dispositivo. RS-485 siempre ha recomendado el método de cableado en cadena margarita porque los empalmes en T crean reflejos en la señal eléctrica. Los reflejos dificultan la lectura de la señal: cuanto mayor es el reflejo, mayor es la dificultad. El tamaño de los reflejos aumenta con el tamaño de la línea auxiliar (largo del cable que sale del empalme en T) y la velocidad de la red. Con bajas velocidades de transmisión, se pueden tolerar algunas líneas auxiliares. Pero, a una velocidad de 1,5 meg o superior, no se toleran líneas auxiliares. Desde la perspectiva del cableado, sería útil tener una o múltiples líneas auxiliares, usando repetidores para crearlas6. 6 Los fabricantes, incluyendo Phoenix Contact y Procentec, venden repetidores especiales que crean múltiples líneas auxiliares. El producto Profihub de Procentec está ilustrado en la página anterior.

67


3. Terminar cada segmento en sus extremos.

Polarizar la red significa agregar tensión eléctrica o corriente a la red.

PROFIBUS DP usa una terminación activa especial en el segmento. La mayoría de las redes basadas en RS-485 usan sólo un resistor de terminación en A y B, al que se llama terminación pasiva porque no hay energía. PROFIBUS usa una terminación activa que tiene un resistor pull-up y pull-down para polarizar la red. Polarizar la red mejora la relación señal-ruido de la señal. Esto es útil en cualquier velocidad de transmisión ya que mejora la calidad de la señal. Sin embargo, debido a los breves tiempos de bit en altas velocidad de transmisión, esta terminación activa es un requisito. La terminación activa siempre debe estar encendida para asegurar una comunicación confiable. VP Pull-up 390 Ω Línea B Profibus DP 220 Ω Línea A 390 Ω Pull-down GND

Desarrollamos una red PROFIBUS DP en el Centro de Enseñanza Milltronics de Siemens, en Peterborough. Un extremo de la red terminaba en el PLC. El otro extremo terminaba en el último rack de simulación de aplicación. Ejecutamos la red a 1,5 meg y funcionó bien. Nuestro departamento de marketing a menudo venía y encendía un rack para hacer pruebas, y la comunicación funcionaba, más allá de que no había ninguna terminación en el último rack. Un día, durante una de las clases, los estudiantes del último rack terminaron antes y apagaron el rack. De pronto, las otras cinco estaciones perdieron la comunicación. Resultó que la red funcionaba sin un terminador activo si la red no estaba muy congestionada, pero no si estaba muy congestionada.

Un modo de asegurarse de que la polarización activa esté funcionando siempre es usar una caja de terminación con energía individual. 68


¡ADVERTENCIA! La terminación activa en ambos extremos de un segmento es crucial para evitar que la red colapse. Por ende, es mejor no terminar un rack E/S porque al apagarlo se apaga también la terminación activa y colapsa la red. Esto se evita usando un bloque de terminación con energía independiente. 4. No exceder los 125 dispositivos con direccionamiento por tarjeta de interfaz PROFIBUS DP Rango de dirección de 0 a 127 PROFIBUS Dirección 127

Reservada para enviar mensajes (mensajes que se mandan a todos los dispositivos de la red).

Dirección 126

Reservada para dispositivos nuevos cuyas direcciones sólo se pueden ajustar a través de la red (no interruptores dip).

Direcciones 0 a 125

Disponible para maestros y todos los esclavos.

Dirección 2

Usado para controladores principales.

Dirección 0 o 1

Usado para estación de ingeniería (si tiene una estación de ingeniería permanente, use la dirección 1, dejando 0 para un huésped).

¡ADVERTENCIA! Dos dispositivos no pueden tener la misma dirección. Si se asigna la misma dirección a dos dispositivos, habrá errores en el bus. Vea el Capítulo Ocho para ver más sobre estos errores.

Aún cuando haya una estación de trabajo de ingeniería permanente en la red, se debe reservar una dirección extra. También es bueno mantener un puerto DB-9 disponible para las herramientas de resolución de problemas y/o para estaciones de ingeniería huésped.

5. No más de nueve repetidores entre el maestro y cualquiera de sus dispositivos de campo en cualquier ruta de comunicación. Puede haber más de nueve repetidores en total en la red. No obstante, el maestro sólo puede hablar a través de un máximo de nueve repetidores para llegar a su esclavo debido a los retardos que genera cada repetidor. Controlador

Esclavo

69


6. Correlación entre el largo máximo por segmento y la velocidad de transmisión. Velocidad (Kbaud)

Largo max. segmento

9,6

1.200m

19,2

1.200m

45,45

1.200m

93,75

1.200m

187,5

1.000m

500

400m

1,500

200m

3,000

100m

6,000

100m

12,000

100m

Esta tabla es válida sólo para los cables PROFIBUS DP Clase A. Aunque que las guías de cableado PROFIBUS DP definen diferentes grados de cables, se prefieren los de Clase A. ADVERTENCIA: Asegúrese de que haya un largo mínimo de un metro entre los dispositivos de una red. 7. Seguir las prácticas de puesta a tierra recomendadas. Para PROFIBUS DP, las prácticas de puesta a tierra recomendadas son: • conectar todos los blindajes del cable a tierra • usar un cable conductor a tierra que vaya de armario a armario en el mismo segmento. El objetivo del cable a tierra es asegurarse de que todos los dispositivos en un segmento tengan el mismo potencial de tierra. Conectar el blindaje del cable a tierra en todos los dispositivos de un segmento brinda la mejor protección contra los ruidos eléctricos de alta frecuencia. 8. Diseñar para la velocidad máxima de transmisión, pero ejecutar a la velocidad mínima posible.7 Esta es la única regla que en verdad es la mejor recomendación. Diseñar para una velocidad alta y ejecutar a una velocidad baja tiene estos beneficios: • deja mucho espacio para expansión • aumenta la robustez del sistema. Diseñar una red como para que funcione a 12 meg, pero instalarla para que funcione a la menor velocidad posible le brindará la velocidad de actualización deseada. Ejemplo: se diseña una red para 12 meg y descubre luego de la instalación que tiene una velocidad de actualización de 1 ms. La aplicación sólo requiere 20 ms de actualización. Bajar la velocidad a 1,5 meg genera un tiempo de actualización de 10 ms, que aún cumple con los requisitos de los 20 ms. Por lo tanto, ejecutarla a 1,5 meg crea una red robusta que no excede ningún límite. Además, hay campo para expansiones futuras ya que el largo máximo del segmento para 1,5 meg es de 100 metros más de los 12 meg de velocidad para los que la red fue diseñada. 7 La idea de diseño se le atribuye al profesor Andy Verwer, docente titular del Departamento de Ingeniería y Tecnología de la Universidad Manchester Metropolitan. Los autores desconocen su fuente, pero es una muy buena idea.

70


Reglas de diseño básico para PROFIBUS PA La capa física PROFIBUS PA tiene más latitud para la distribución de la red que la capa física PROFIBUS DP, incluyendo diferentes topologías como la troncal, de estrella o de árbol. • Topología troncal: la red utiliza un cable principal con líneas auxiliares. Esta topología tan común también se recomienda para PA.

• Topología de estrella: una variación de la topología troncal donde una línea va a una caja de empalme y todas las líneas auxiliares salen de esa caja de empalme.

• Topología de árbol: se parece mucho a un árbol con ramas que salen de otras ramas. Esta topología no es muy utilizada.

Reglas básicas de diseño PROFIBUS PA 1. Los largos máximos auxiliares deben ser correlativos con la cantidad de líneas auxiliares. 2. Utilice cable PROFIBUS PA clase A y de un sólo fabricante. 3. El largo total del cable depende del acoplador, aunque no debe exceder los 1.900 metros. 4. Asegúrese de que no haya más de nueve voltios en cada esclavo. 5. La cantidad total de dispositivos depende del consumo de corriente. 6. Terminar cada segmento en sus extremos. 7. Seguir las prácticas de puesta a tierra recomendadas. 8. El diseño Intrínsecamente Seguro (IS) afecta el largo máximo de las auxiliares y el largo total.

71


Explicación detallada de las reglas 1. Los largos máximos auxiliares deben ser correlativos con la cantidad de líneas auxiliares. El largo máximo de cada línea auxiliar depende de la cantidad total de líneas auxiliares. Tenga en cuenta que el largo máximo auxiliar también depende de si es una red IS o no-IS. Cantidad de líneas auxiliares

Largo máximo para no-IS

Largo máximo para IS

1-12

120 m

60 m

13-14

90 m

No se aplica

15-18

60 m

No se aplica

19-24

30 m

No se aplica

25-32

<1 m

No se aplica

NOTA: Esta tabla supone lo siguiente: a. Se está usando un cable clase A. PROFIBUS PA define las clases de cables (como PROFIBUS DP). Siempre es mejor usar un cable clase A. b. Sólo un instrumento por línea auxiliar. c. La red tiene un diseño estrella. Sin embargo, si la red se diseña con otra topología, estos mismos principios continúan siendo válidos. Actualmente, debido a los reflejos, la topología de estrella es la menos indicada debido a la física de la propagación de la onda. Siempre que el diseño mantenga los largos auxiliares dentro de los límites establecidos, la tabla funcionará. Estas pautas son conservadoras, pero en el diseño de red es bueno ser conservador; cuesta mucho dinero cambiar un diseño luego de que está instalado. 2. Utilice cable PROFIBUS PA clase A y de un sólo fabricante. Aunque los cables PROFIBUS PA y DP pueden ser parecidos (diámetro y tamaño) tienen características eléctricas muy diferentes y no se deben intercambiar.

72

IEC 61158-2 define las diferentes clases de cables y afirma que se pueden mezclar diferentes clases, y que en longitudes cortas y con poca cantidad de dispositivos, el impacto no es grande. Sin embargo, se debe evitar en longitudes largas con muchos dispositivos, ya que la mezcla puede generar problemas en la red (errores de bit y pérdida de mensajes). NOTA: los diferentes fabricantes tienen diferentes especificaciones para el cable PA. Aunque todos cumplen con el estándar IEC 61158-2,


La correlación y la limitación de las 24 líneas auxiliares/longitud son muy reales. Una vez tuve un cliente que no creía en esta tabla, entonces agregó un instrumento más en una línea auxiliar y "funcionó". Luego agregó otro y aún "funcionaba". Luego agregó un tercero, y los instrumentos comenzaron a desconectarse de la red y aparecieron mensajes de error en el Sistema de Control Distribuido (DCS). Investigando, descubrimos que había ajustado su velocidad de reintento a 3, y una vez que llegó a 25 líneas auxiliares, los errores sí se generaban pero no se vieron hasta que agregó dos líneas más y los errores se acumularon lo suficiente como para ser reportados. Cuando regresó a 24 líneas auxiliares, la red recuperó su estado seguro, sin errores. Los números estaban raros, pero esto es simplemente físico y es lo que es.

utilizan diferentes valores de capacitancia e inductancia. Entonces, mezclar los cables de diferentes proveedores en la misma red puede generar reflejos. Lo mejor es usar un sólo proveedor en todo el segmento. 3. Largo total del cable y acoplador. El largo total no puede exceder los 1.900 metros (6232 ft) para aplicaciones no-IS usando cables clase A, y 1.000 metros (3280 ft) para aflicciones IS usando cables clase A. No obstante, el largo máximo también depende del consumo de energía de la red y de la tensión suministrada al acoplador. Los diferentes acopladores suministran diferentes tensiones, pero todos los dispositivos de la red deben tener al menos nueve voltios (ver regla 4 abajo). Por lo tanto, con algunos acopladores, el largo total no se soportará. Para calcular el largo del segmento, sume el largo del cable troncal principal y la suma de todas las líneas auxiliares.

L segmento = L troncal + ∑L auxiliar

Largo total = el largo del cable troncal principal más la suma de todas las líneas auxiliares.

L segmento

KEY

largo total del segmento

L troncal largo total de la línea troncal principal

L auxiliar largo de cada una de las líneas auxiliares

73


4. Mínimo de nueve voltios en cada esclavo. I segmento

KEY

corriente total del segmento

Ln corriente total deldispositivo número ‘n’

I máx corriente de falla corriente de falla máxima

Para encender un esclavo PROFIBUS DP se requiere al menos nueve voltios. Utilice la ley de Ohm para calcular el peor caso de caída de tensión en la red, verificando que jamás baje de los nueve voltios necesarios. Estos son los pasos (en la próxima sección hay un ejemplo): I. Calcule el consumo total de corriente de los instrumentos de campo del I segmento.

I segmento = ∑I n + I máx. corriente de falla Para dispositivos PROFIBUS PA, hay dos corrientes posibles:

KEY

corriente total del segmento

• el consumo de corriente nominal • la corriente de falla máxima: la corriente máxima que el dispositivo pondrá en estado de falla. Para muchos dispositivos, este valor es 0 mA y ni siquiera se establece. Verifique las especificaciones para determinar la corriente de falla del dispositivo.

R bucle

II. Calcule la peor caída de tensión posible.

V caída caída de tensión

I segmento

resistencia de lazo en el cable

L segmento

V caída = I segmento * (R bucle* L segmento) III. Calcule la tensión en los últimos dispositivos y verifique que esté por encima de los nueve voltios.

largo total del segmento

V último = V acoplador – V caída V último

KEY

tensión en el último dispositivo

V acoplador tensión suministrada por el acoplador

V caída

NOTAS:8 • la resistencia de lazo típica de un cable clase A es 44 ohms/km • la tensión del acoplador es 31 V CC +/- 1 V para acopladores no-IS Siemens. • la tensión del acoplador es 13,5 V CC +/- 1 V para acopladores IS Siemens.

caída de tensión

REGLA V último > 9V

8 Estos valores son de referencia y están sujetos a cambios. Por favor, consulte con el fabricante los valores oficiales antes de hacer cálculos para aplicaciones reales.

74


5. La cantidad total de dispositivos depende del consumo de corriente. Como I segmento debe ser menor que la corriente suministrada por el acoplador, las especificaciones del acoplador tienen un gran impacto en la cantidad de dispositivos permitidos por segmento. Para aplicaciones no-IS, Siemens tiene un acoplador DP/PA que suministra 1 A de corriente, asegurándole la cantidad máxima de dispositivos permitidos. 6. Terminar cada segmento en sus extremos. La terminación PROFIBUS PA es muy diferente a la DP. PROFIBUS PA uso un capacitor (1µF) y un resistor (100 ohm) en serie, y la red debe terminarse en los extremos más lejanos. PA habitualmente utiliza el diseño de línea troncal y las terminaciones están ubicadas en los extremos del tronco. A veces no es simple distinguir qué es línea troncal y qué es línea auxiliar. La buena noticia es que tampoco interesa siempre que las líneas auxiliares definidas cumplan con los máximos determinados en la primera regla mencionada antes. 7. Seguir las prácticas de puesta a tierra recomendadas. Para aplicaciones IS y no-IS9, PROFIBUS International10 recomienda conectar el blindaje del cable a tierra en todos los dispositivos y usar una rejilla de puesta a tierra equipotencial. Una rejilla de puesta a tierra equipotencial es una red de varillas de tierra interconectada que asegura que todas las partes de la planta estén en la misma tierra. 8. El diseño Intrínsecamente Seguro afecta el largo máximo de las auxiliares y el largo total.

Las costumbres de la puesta a tierra son parecidas a la religión: varían de región en región. Las recomendaciones de PI son una buena guía, pero verifique las normas locales, en especial en aplicaciones IS.

Siga las mismas reglas que para las aplicaciones de uso general que se describen anteriormente, salvo estas excepciones: • • • •

el largo máximo no puede exceder los 1.000 m use solo cables clase A las líneas auxiliares deben tener menos de 60 m debe usar un acoplador IS o una barrera IS.

9 Para aplicaciones no-IS, algunos manuales recomiendan conectar el blindaje del cable a tierra en sólo un punto y llevar el blindaje continuamente de un dispositivo a otro en un segmento (es decir, tener un cable blindado corriendo continuamente a través de todo el segmento). 10 Installation Guideline for Cabling and Assembly. PROFIBUS International, No de pedido: 8.022.

75


Me dijeron que las rejillas de tierra equipotencial son bastante comunes en Europa para aplicaciones IS. Pero desafortunadamente no son muy comunes en USA, porque son una puesta a tierra excelente. Descubrimos que a veces los sistemas de puesta a tierra no están muy bien hechos en Norteamérica. Uno de mis clientes, una empresa de bio-combustible, tuvo una buena idea al respecto. Como estaban lidiando con una aplicación IS y no confiaban en el sistema de tierra establecido, pusieron un cable de tierra de un dispositivo de campo a otro para asegurarse de que todos los instrumentos estuvieran en la misma tierra. Después conectarían el blindaje de cable a la tierra en los dispositivos de campo y los acopladores.

Ejemplo de diseño de PROFIBUS PA En este ejemplo, una planta de proceso tiene una granja de diez tanques: Tanques 1 a 4

SITRANS Probe LU para nivel

Tanques 5 a 10

SITRANS LR250 para nivel

Todos los tanques

Transmisor de temperatura SITRANS TH400

Esta es un aplicación no-IS que usa un módulo de enlace DP/PA y un acoplador DP/PA de 1 amp de Siemens.

Mapa de distribución de la planta LR250 Sonda LU

Tanque 1

Tanque 4 Tanque 5 Tanque 8

Tanque 9

TH400 Sala de control

Tanque 2 Tanque 3 Tanque 6 Tanque 7 Tanque 8

76


Mapa de red simplificado 10 instrumentos

Sala de control 5m

5m

20 m

20 m

6 Instrumentos

600 m

30 m

30 m

4 Instrumentos

Paso uno: Calcular el largo del segmento al sumar los largos estimados.

L segmento = L troncal + ∑ L auxiliar L segmento: 600 + 6*20 = 10*5 + 4*30 = 890 (600 + 120 + 50 + 120)

Paso dos: Sumar todo el consumo de corriente de los esclavos PA (I segmento). Verificar los manuales/especificaciones de cada dispositivo para obtener las diferentes corrientes nominales y para ver si hay algún valor de corriente de falla. (No hay corrientes de falla en los dispositivos de este ejemplo, por ende, esa información no debe incluirse.)

I segmento = ∑ In + corriente de falla más grande

I segmento = suma de In más la corriente de falla más grande de todas.

I segmento : 4*corriente de PROBE LU + 6* corriente de LR250 + 10*corriente de TH400 = 275 mA [4*(20mA) + 6 * (15mA) + 10 * (10 mA) = 80 + 90 + 105]

77


A partir de esta información, se puede calcular el peor caso de caída de tensión. NOTA: No olvide definir qué tipo de cable A está utilizando. Busque la resistencia del cable en las especificaciones del mismo. (En este ejemplo, el valor es 44 ohm/km.)

V caída = I segmento * (R bucle * L segmento) V caída : 0,275 A * (44 ohms/km * 0,890km) = 10,769 V El acoplador provee un mínimo de 30 V CC, por lo tanto:

V último = V acoplador + V caída V último: : 30 V – 10,8 V = 19,2 V Conclusión: la tensión está bien por encima de los nueve V mínimos.

Paso tres: Verifique la tabla de longitud de los auxiliares para los 20 instrumentos y tenga en cuenta que cada auxiliar puede tener un máximo de 30 metros. En este ejemplo, se estima que cuatro de las líneas auxiliares tienen 30 metros de largo. Recuerde que los largos estimados son medidas conservadoras y que el largo de las líneas auxiliares no debe exceder los 30 metros. Más allá de ello, este es un buen diseño y funciona muy bien cuando se instala. Estaba reparando una red y al principio me parecía que el largo de todos los cables estaba bien hasta que encontré cable enrollado, atascado detrás de un armario. Durante la instalación inicial, se dejó cable adicional en el último armario. El plan consistía en mover el armario, así que el instalador enrolló el cable y pasó sólo una pequeña parte a través del aguajero del armario, dejando el resto con la intención de mover el armario; sin embargo, el armario jamás se movió. La consecuencia fue que la red tenía 100 metros adicionales que nadie imaginaba, por eso los problemas de rendimiento. El diseño y la instalación deben coincidir.

78


Herramientas de diseño Diferentes fabricantes11 tienen herramientas de diseño para diseñar una red PA. Estas herramientas pueden ser muy útiles. Pero, a veces el enfoque más sencillo es el que mejor funciona. Uno de esos métodos es Excel12 para distribuir cada segmento con los largos estimados en columnas y luego programar las fórmulas como se muestra arriba13. Además es fácil incluir información adicional como números de cable, etiquetas de nombre, números de serie y referencia de manual, haciendo que todos estos datos sean una parte integral de la documentación. Esta herramienta es fácil para diseñar y mantener, y puede comenzar con los largos estimados. A medida que va disponiendo de los datos concretos durante la puesta en marcha, es fácil pasar a los largos instalados.

Pepperl+Fuchs y ABB, entre otros. Excel es marca registrada de Microsoft. 13 Cargill, Mark. Efficient Design of a Successful PROFIBUS Project. Presentado en la Conferencia PROFIBUS UK 2007. 11 12

79


Cálculo de velocidad de actualización El diseño de red determina la velocidad de actualización y la capacidad de respuesta de las herramientas de ingeniería y de resolución de problemas como SIMATIC PDM. El tiempo que lleve leer la variable variará levemente según el fabricante del acoplador y los posibles dispositivos de campo. La tabla muestra ejemplos del tiempo necesario para datos de dos de los fabricantes más importantes. Estos números se comprobaron en un laboratorio y luego fueron confirmados por pruebas de campo. Siemens (Link Coupler y Coupler): • • • •

El dispositivo PA 1 EA o 1 SA tarda unos 15,5 ms para actualizarse. Cada variable EA o SA adicional agrega unos 2 ms. PROFIBUS agrega 20 ms adicionales de tiempo. Cuando use lectura/escritura acíclica, agregue otros 100 ms. Recuerde que el tiempo medido varió de 40 a 100 ms. 100 ms sería un máximo suficiente.

Pepperl+Fuchs (SK1) • • • •

El dispositivo PA 1 EA o 1 SA tarda unos 12,5 ms para actualizarse. Cada variable EA o SA adicional agrega unos 2 ms. PROFIBUS agrega 30 ms adicionales de tiempo. Cuando use lectura/escritura acíclica, agregue otras 100 ms. Recuerde que el tiempo medido varió de 40 a 100 ms. 100 ms sería un máximo suficiente. Tiempo de transmisión de datos

NOTA: durante estas pruebas descubrimos que varios manuales de fabricantes y otros libros sobre PROFIBUS declaraban un valor de 10 ms como velocidad de actualización. Ahora sabemos que este valor no es correcto. Muchos de estos manuales y libros están siendo actualizados. Cada esclavo PROFIBUS PA posee al menos un bloque de entrada analógica (EA) o salida analógica (SA), o entrada digital (ED) o salida digital (SD). Lleva unos 15,5 ms que el mensaje vaya del maestro al esclavo, que el esclavo lo procese y envíe un mensaje de respuesta y que después el maestro esté listo para mandar otro mensaje. Si el esclavo posee dos bloques de EA, este tiempo aumenta a 17,5 ms. Cuando todos los esclavos terminaron el intercambio de datos, entonces el maestro PROFIBUS debe realizar ciertas funciones incluyendo: • rotación del testigo • búsqueda de nuevas estaciones.

80


Estas tareas se realizan en 20 ms. Si un maestro se ajusta para realizar lecturas/escrituras acíclicas o si se utiliza un programa de configuración como SIMATIC PDM, debe contar ese tiempo. Aunque este tiempo no varíe, 100 ms es un valor máximo suficiente para la comunicación acíclica.

Comunicación acíclica o no: ¡ese es el dilema! En la mayoría de los sistemas, el controlador no realiza comunicación acíclica, y la única fuente de comunicación acíclica es el software de configuración/diagnóstico. En este caso, el usuario debe considerar lo siguiente: • cuán a menudo se utilizará el software de configuración/ diagnóstico • cuán sensible es la aplicación a tener aumentos periódicos en los tiempos de ciclo hasta 100 ms. Aún si el personal de mantenimiento utiliza un software de configuración/diagnóstico regularmente, el porcentaje del tiempo total del bus será pequeño, probablemente menor al 1%14. En la mayoría de las aplicaciones, al tener un aumento de tiempo de ciclo de hasta 100 ms (1% del tiempo) el proceso no se verá afectado de ninguna forma. Por lo tanto, en la mayoría de las aplicaciones, la comunicación acíclica no debería estar incluida en las estimaciones de tiempo. En una pequeña cantidad de sistemas, el controlador realiza una comunicación acíclica con los dispositivos de campo. En estos sistemas se deberían agregar al tiempo total estimado algunos valores de comunicación acíclica, según el tipo de comunicación. Por ejemplo, si la temperatura interna del transmisor se lee vía servicios acíclicos, entonces 40 ms deberían ser más que suficientes. Si se escriben o leen grandes cantidades de datos desde el dispositivo, entonces unos 100 ms deberían incluirse en el cálculo.

Ejemplo uno • un acoplador Siemens DP/PA • veinte instrumentos en cada segmento • cada instrumento posee sólo una variable de proceso.

14 Esto no se aplica a situaciones de arranque en las que el personal de mantenimiento podría realizar cargas y descargas continuamente durante el día.

81


15 instrumentos

Cálculo: Tiempo lectura/escritura PV a 20 instrumentos

= 15,5 ms * 20 = 310 ms

Tiempo adicional PROFIBUS

= 20 ms

Tiempo total de actualización

= 330 ms (310 + 20)

Medir el tiempo de actualización con un monitor de bus arroja una variable de actualización dentro del rango de 310 ms a 350 ms. Las lecturas/escrituras cíclicas aumentarán el tiempo de actualización a 450 ms para algunos de los intercambios de datos.

Ejemplo dos • • • •

módulo Siemens DP/PA Link con red PROFIBUS DP se ejecuta a 1,5 meg la red DP tiene un escaneo de 10 ms (actualización cada 10 ms) el módulo de enlace está conectado a cinco acopladores Ex, cada uno con seis instrumentos • cada instrumento posee una variable de proceso.

82


Cálculo: Tiempo lectura/escritura PV a 30 instrumentos

= 30*15,5 = 465 ms

Tiempo adicional PROFIBUS

= 20 ms

Tiempo total de actualización

= 485 ms (465 + 20)

El módulo de enlace DP/PA es un esclavo PROFIBUS del lado DP y maestro PROFIBUS del lado PA, creando una verdadera sub-red. La información en el módulo de enlace se actualiza continuamente. Como resultado, para obtener todos los datos de y al maestro DP, se necesita el doble de tiempo de bus DP (como mínimo), y la velocidad de actualización será: 485 ms + 2*10 ms = 505 ms Desde el punto de vista del controlador, la velocidad de actualización de datos varía entre 480 ms y 510 ms (aproximadamente). Debido a la naturaleza de la conducta asíncrona, la velocidad de actualización será generalmente menos de 500 ms. Además, si hubo lecturas/escrituras acíclicas, la velocidad de actualización aumenta a 605 ms para algunos intercambios de datos. 83


Rendimiento del software de configuración/ diagnóstico En el Capítulo Dos vimos cuán poco tiempo hay para las comunicaciones acíclicas luego de que se realizaron los intercambios de datos. Así es cómo el software de configuración/comunicación como SIMATIC PDM se comunica con los instrumentos de campo. Para muchos procesos, tener un tiempo de actualización de más de un segundo no representa un problema, entonces cada enlace o acoplador se puede cargar hasta la cantidad máxima. PROFIBUS maneja esto por lo que reducirá el costo capital total al maximizar el uso del hardware. Pero, cuando se usa software de configuración/diagnóstico para poner en marcha o arreglar un instrumento de campo, tendrá un rendimiento insuficiente. El software de configuración sólo puede hablar con los dispositivos de campo luego de que se hayan leído todos los datos cíclicos. Si el tiempo de actualización es de un segundo, entonces el software de configuración sólo puede hablar cada segundo. Como puede tomar varios mensajes leer los datos, cuanto más lenta sea la red, más lento será el rendimiento del software de configuración. La experiencia en el campo sugiere que se pueden usar hasta 20 instrumentos en un módulo de enlace DP/PA sin denigrar el rendimiento. Treinta instrumentos en un módulo de enlace DP/PA ponen en juego el rendimiento, mientras que de 40 a 60 instrumentos por módulo definitivamente degradan el rendimiento del software. Tengan en cuenta que estas cifras son arbitrarias y que dependen de la tolerancia al retardo que tenga la actualización de datos en el software de configuración. Determinar cuál es el rendimiento aceptable del software de configuración y cuál no, es muy personal. Muchos de nuestros sistemas demo tienen cinco o seis instrumentos en un módulo de enlace y nunca noté realmente la velocidad. Estuve con clientes que tenían 24 instrumentos por módulo y pensé que eso era lento. Sin embargo, se podía utilizar. De hecho, tengo un cliente que habitualmente pone 30 instrumentos en un módulo de enlace y está conforme. Su idea es que aunque el software de configuración sea lento, ¡es mucho más rápido que ingresar los valores a mano! Además, ¿cuán a menudo usa el software de configuración en comparación con el ahorro de costos de cargar los módulos de enlace?

84


Sugerencias de diseño de PROFIBUS PA En esta sección, presentamos sugerencias de diseño simple y los beneficios de cada una de las tres aplicaciones generales: • aplicación no-IS • aplicación IS • diseñado para velocidad.

Aplicaciones no-IS Diseño: use un módulo Siemens DP/PA Link con 1 acoplador A (o un canal de Powerhub P+F o ABB DP/PA link) y ponga 20 dispositivos.

15 instrumentos

Este diseño le asegura: • Un cableado versátil porque se pueden usar líneas auxiliares de 30 metros. • Espacio para expansión porque el segmento puede tener cuatro dispositivos adicionales. Esta opción es valiosa ya que se requieren más instrumentos cuando comienza la producción, así que no limite la expansión de la red al diseñar a la máxima cantidad. • El rendimiento del software de configuración/diagnóstico es aceptable.

Aplicaciones IS Diseño: use un módulo Siemens DP/PA Link con varios acopladores Ex (o un Powerhub P+F o ABB DP/PA link), diseñando la red con espacio adicional y agregue un instrumento a cada segmento si es necesario. Utilice los cálculos definidos en la sección de reglas de diseño básicas de PROFIBUS PA de este capítulo para determinar la cantidad de dispositivos permitidos en cada segmento (normalmente cuatro a seis

85


dispositivos según el consumo de corriente). Asegúrese de no exceder los 20 a 25 dispositivos en total por módulo de enlace (o por canal de los enlaces P+F y ABB).

Este diseño le asegura: • espacio para expansión • un rendimiento aceptable del software de configuración/ diagnóstico.

PROFIBUS PA: diseñado para la velocidad Algunos lazos de control exigen que el tiempo de actualización sea menor a 300 ms. Para estas aplicaciones debe usar el módulo de enlace Siemens DP/PA (o un canal de ABB Link o Powerhub P+F). Diseñe la red según la aplicación IS, pero limite la cantidad total de dispositivos a la mitad.

86


Con 15 dispositivos, el tiempo de actualización al módulo de enlace será: 15*15,5 ms + 20 ms = 232,5 ms + 20 ms = 252,5 ms

15 instrumentos

Según la velocidad de actualización en la red PROFIBUS DP y el tiempo de escaneo del controlador, reducir la cantidad de dispositivos a diez acelerará definitivamente la red.

Próxima parada del BUS: instalación Luego de diseñar la red, la próxima parada es instalar y poner en marcha dicha red. A continuación en el recorrido de este bus, veremos lo siguiente: • cómo desarrollar una red PROFIBUS • cómo operar una red PROFIBUS • cómo resolver problemas de una red PROFIBUS. Así que busque un asiento, porque el bus comienza a llenarse.

87


Notas

88

Capítulo Cinco

Instalación Red: aquello reticular o entramado, con intersticios entre sus intersecciones.1 Una vez que se diseñó una buena red, el próximo paso es instalarla. Los errores que se cometan aquí acosarán a la red a lo largo de toda la vida útil de la instalación, por eso es vital proceder con cuidado y según las pautas de diseño. Las deficiencias de instalación son la fuente principal de problemas de red.

La ruta del BUS Este bus hace las siguientes paradas: • • • • •

Hardware de conexión Planos de distribución de red Separación de cables Método de instalación Las mejores instalaciones

Hardware de conexión Comúnmente, el diseñador elije todos los dispositivos inteligentes antes de diseñar la red, y después de tender la red, elije cómo conectarlos. Esta sección enumera el hardware necesario para conectar la red.

Conexiones PROFIBUS DP Conectar PROFIBUS DP es relativamente directo ya que todos los nodos por lo general tienen un diseño de cadena margarita, y la única conexión posible es en el dispositivo de campo. Para PROFIBUS DP, se limita a los siguientes tipos: • Conectores DB-9 • Conectores M12 • Conectores terminales (menos frecuente).

1

Conector DB-9

Johnson, Samuel. A Dictionary of the English Language, (1755).

89


El conector DB-9 es el más utilizado, y la mayoría de los dispositivos PROFIBUS DP vienen con un conector DB-9 hembra incorporado. Los dispositivos IP65/IP67 por lo general tienen conectores M12. Pocos dispositivos PROFIBUS DP vienen con bornes de conexión directa. DB-9 connectors: los dispositivos con conexiones DB-9 requieren conectores PROFIBUS DB-9 que puede adquirir de diferentes fabricantes como Siemens y Wago, y sólo difieren levemente en su diseño, calidad y costo. Tenga en cuenta que los conectores DB-9 PROFIBUS son diferentes a los conectores DB-9 estándar usados en las aplicaciones RS-232, ya que tienen circuitos incorporados especiales para reducir los reflejos. Aunque son más costosos que los conectores DB-9 estándar, la reducción de reflejos ha demostrado ser eficaz, por lo que vale su costo. Una vez trabajé en el diseño de una pequeña red PROFIBUS DP que tenía varios conectores PROFIBUS DB-9. El presupuesto era limitado y cuando el gerente vio cuánto estábamos gastando en los conectores, se rió y me dijo: "Buen intento". Yo sabía que los circuitos especiales reducían los reflejos, pero como la red era tan pequeña, pensé que quizás no los necesitaríamos, entonces cedí a los deseos del gerente y cambié los conectores. ¡Gran error! La puesta en marcha fue una pesadilla, teníamos problemas intermitentes por todos lados y la forma de onda era horrible. Tuvimos que cambiar todos los conectores por otros que no eran PROFIBUS, pero más costosos, y bajar la velocidad de transmisión. Finalmente logramos que la red funcione sin errores, pero no fue una tarea agradable y ¡jamás volveré a comprar conectores económicos! Hay muchos tipos de conectores B-9 según cómo se conecta el cable adentro. Los dos tipos estándar son: • Conector vampiro a presión (desplazamiento de aislamiento en forma de V invertida): se unen rápido, pero cuando se usan más de una vez, los dientes de sujeción se pueden doblar, causando problemas en caso de reuso.

90


• Conector por borne de tornillo: lleva más tiempo unirlos, y los tornillos deben ajustarme firmemente. El beneficio de los conectores por borne de tornillo es que es fácil verificar si la conexión se está haciendo. Conector M12: estos conectores se analizan en la sección PROFIBUS PA también. Funcionan muy bien, pero también se reportaron problemas intermitentes generados por instalaciones incorrectas. Parece que es muy fácil instalar estos conectores incorrectamente. Los usuarios nuevos deben instalar estos conectores con cuidado. Conector terminal: algunos dispositivos de campo están conectados a los bloques terminales en los dispositivos. A pesar de que este método funciona bien, al desconectar el dispositivo de la red puede interrumpir la red. Sin embargo, los dispositivos con conectores DB-9 simplemente se desenchufan. A los dispositivos que usan bornes hay que sacarles los cables y posiblemente desconecten al resto de la red PROFIBUS. Por este motivo, en algunos sitios usan desconectores rápidos como los M12 con dispositivos que no son DB-9. (Ver PROFIBUS PA abajo.) ADVERTENCIA: los conectores M12 son una fuente de problemas potenciales si no se instalan correctamente (ver Sistema de conexión rápida a continuación). Los instaladores deben asegurarse de seguir las instrucciones de instalación de estos conectores.

PROFIBUS PA Como las redes PROFIBUS PA poseen normalmente una topología troncal, hay dos ubicaciones posibles: • conectar las líneas auxiliares al tronco • conectar las líneas auxiliares a los dispositivos. Conectar las líneas auxiliares al tronco requiere uno de los siguientes: • regleta de bornes • caja de bornes • conector en T. Conectar las líneas auxiliares a los dispositivos requiere uno de los siguientes: • cableado directo • sistema de desconexión rápida.

91


Conectar las líneas auxiliares a la línea troncal Regleta de bornes: use una regleta de bornes común, esa que cualquier electricista tiene en su caja de herramientas. Enrolle los cables de comunicación (A, B y blindaje) y luego sujételos a la regleta de bornes, colocándola en una caja de empalme que se pueda sellar para protegerla contra el entorno. Esta solución simple conecta las líneas auxiliares PA a la línea troncal principal con un método similar al de las cajas de relés 4-20 mA. Sin embargo, a pesar de ser simple, tenga en cuenta que las regletas de bornes no ofrecen ninguna de las ventajas de las cajas de empalme PROFIBUS PA. Las cajas de empalme PROFIBUS PA2 ofrecen muchas características especiales que varían según el modelo y el fabricante. El usuario final debe seleccionar las características según sus requisitos y su presupuesto.

Caja de empalme Moore Hawke

Caja de empalme Siemens

• Protección contra cortocircuitos: es muy valiosa en un sistema en ejecución cuando necesita reemplazar o agregar un esclavo PA. Durante el proceso de extracción o de instalación, es muy factible que toque los cables (+) y (-), provocando un cortocircuito en el segmento y colapsando toda la red. • Protección contra sobretensión y sobrecorriente: para proteger la red en contra de los rayos. • Auto-terminación de un segmento: aunque los segmentos PROFIBUS PA normalmente terminan en el acoplador DP/PA y en el campo, es normal olvidar la terminación en el extremo troncal durante la puesta en marcha. La autoterminación elimina la posibilidad de este problema. • Opciones de conexión M12 o 7 8 ": ambos conectores facilitan la conexión o desconexión de dispositivos de la red. Se pueden colocar en el dispositivo de campo o en la caja de empalme, o en ambos. Aceleran la conexión final de la red y además son muy útiles cuando se extrae o se reemplaza el instrumento de campo (ver Sistema de conexión rápido abajo). • Características de la redundancia del medio: ver Redundancia de Medios al final del Capítulo Tres. Conector en T: Siemens vende conectores para PROFIBUS PA, y aunque este método funciona, puede tener problemas salvo que respete estas reglas: • se instalen según el manual de instrucciones de los conectores en T • se ajusten correctamente

2 Algunos fabricantes como Moore Hawk, Siemens y Weidmuller hacen cajas de empalme especiales para PA.

92


• si la conexión se afloja, el cable y posiblemente la parte superior del conector deben reemplazarse • sólo utilice los cables Siemens PA correctos. La impedancia de los conectores coincide con un cable Siemens determinado. El diámetro del cable también es importante, así que asegúrese de hacer coincidir la conexión con el cable correcto. NOTA: las cajas de empalmes son generalmente la mejor opción.

Conectar las líneas auxiliares a los dispositivos de campo Cableado directo: en la mayoría de los casos se conecta un cable PROFIBUS PA directamente al borne en los dispositivos de campo. Sistema de conexión rápida: los dos sistemas de conexión rápida usados son M12 y 7 8 " El M12 es métrico y pequeño, y el 7 8 " es imperial y un poco más grande que el M12. Ambos tienen un conector macho que se encastra en la parte exterior del instrumento de campo y el conector hembra del cable se atornilla en él. Este mismo método también se puede usar en la caja de empalme. Los sistemas de conexión rápida son fáciles de usar y cuando se instalan de antemano, aceleran las etapas finales de la puesta en marcha. No obstante, esta ventaja agrega costos y se debe instalar con cuidado. Los diseñadores principiantes deben evitar estos conectores y usar el cableado directo ya que es bastante sencillo instalarlos incorrectamente. Los instaladores deben prestar atención a lo siguiente: • si no continúa el blindaje, la red es vulnerable a ruidos eléctricos • si no los sella bien, puede entrarles agua • si no los ajusta bien, puede haber interrupciones intermitentes en la comunicación.

Esquema de instalación Al diseñar una red, un plano de distribución, donde se identifique la ubicación de cada dispositivo de campo y caja de empalme, es un componente crucial. El plano confirma que la red cumpla con todas las reglas de diseño, y luego comunica la información relevante al instalador. Un plano de distribución adecuado debería incluir: • ubicación de todos los dispositivos • nombre y etiqueta del dispositivo • nombres de dispositivos esclavo • todas las direcciones

¡Los planos valen su peso en oro!

• ubicación de las cajas de empalme • etiquetas de cables • largo estimado en cada dispositivo

93


Línea #1 PA que viene del panel PLC (no olvidar el cable de puesta a tierra) El resistor final es un accesorio

TORRE DE REFRIGERACIÓN

CALDERA

Los conectores en T en el exterior deben estar en cajas plásticas

SISTEMA DE VACÍO

2 cables negros blindados #20 al panel de interruptores de nivel intrínsecamente seguro

FS-TS3

FS-TS2

BIO TS5

BIO TS4

MISC-TS6

GLY-TS10

LEYENDA Caja de distribución estrella PA. Esta caja recibe una línea PA y luego genera 8 ramas PA, cada rama acepta un instrumento. El instalador debe hallar la mejor ubicación para instalar la caja. Esta caja debe ser de fácil acceso para los técnicos. T para una sola rama en línea PA. Se recomienda usar una herramienta especial para pelar el cable.

Interruptor de nivel: intrínsicamente seguro: conectar a un panel de interruptores de nivel único con 2 cables blindados #20 + puesta a tierra. Un instrumento electrónico con PROFIBUS PA. Necesita un cable azul de dos alambres PROFIBUS PA para PA y 314 cables verdeamarillo para tierra. Largos estimados

94


Plano de distribución Este plano debe ser un documento vivo ya que el diseñador necesita tener la información actual y registrar cualquier cambio en el diseño durante la instalación. Los largos estimados se convierten en largos instalados, y las ubicaciones pueden variar para reflejar una implementación práctica ya que las ubicaciones e incluso los procesos pueden cambiar. Los cálculos de red del diseñador son parte de este documento, que a su vez debe confirmar que todas las reglas de diseño PROFIBUS se hayan implementado.

Separación de cables Los cables PROFIBUS DP y PA son ambos cables de comunicación de baja tensión. Cada región tiene sus códigos eléctricos específicos donde se establece cuán separados entre sí deben estar los cables de diferente clase. Es muy importante respetar el código eléctrico local. Las distancias y los detalles específicos varían de región en región; pero todos coinciden en que el cable de comunicación y el de energía no deben tenderse juntos. Además, en caso de tener que cruzarse, debe ser en ángulo recto. Cable comunicación (PROFIBUS)

[> 200mm a]

Cable energía > 300V

(> 600mm b)

[> 200mm a] (> 50mm b)

Cable energía <= 300V

[a Recomendación de PI] (b Recomendación del Código de Seguridad Eléctrica de Ontario)

PROFIBUS International PI ha publicado lineamientos3 sobre la separación de cables. Estas recomendaciones pueden diferir de las normas locales. Por ejemplo, en el diagrama anterior se comparan la recomendación de PI con la del Código de Seguridad Eléctrica de Ontario4 para dos cables de energía de dos niveles diferentes, y la diferencia es visible.

PROFIBUS Recommendation for Cabling and Assembly, PI N° de pedido: 8.022. Código de Seguridad Eléctrica de Ontario, 23º edición/2002, Departamento de Seguridad Eléctrica, sección mencionada 60-308 Separation from Other Conductors. 3 4

95


Como ambos establecen valores mínimos, lo mejor es utilizar la calificación más severa entre las recomendaciones PI y las normas locales.

Estuve reparando diferentes redes industriales por casi 20 años y la queja más habitual con las instalaciones de campo siempre es la separación de cables. He perdido la cuenta de la cantidad de veces que vi cables de comunicación sujetados con un cable de alimentación. Yo comencé mi carrera como ingeniero de diseño de motores de inducción. Ahora como ingeniero de controles/redes, pude demostrar muchas veces cómo la inducción, la capacidad de un campo electromagnético para "inducir" tensión en un cable cercano, aún funciona. La moraleja aquí es que debe asegurarse de que sus cables de alimentación y de comunicación estén separados. Esto tendrá un gran impacto en la cantidad de ruido de sus cables de comunicación.

Método de instalación Seguir estos pasos lo ayudará a crear una red efectiva y de calidad "Si cree que la educación es costosa, pruebe con la ignorancia". Derek Bok, profesor americano y ex presidente de la Universidad de Harvard.

• Capacite adecuadamente a los instaladores. • Haga y mantenga actualizada una lista de verificación. • Verifique cuidadosamente la instalación.

Capacite a los instaladores Todos los contratistas eléctricos saben instalar sistemas de cableado convencionales (es decir, sistemas 4-20 mA). Sin embargo, en general, la mayoría no sabe instalar una red PROFIBUS. Contratar a un instalador PROFIBUS certificado es una opción, pero si no puede conseguir ninguno o si no hay disponibles, necesita capacitación. Los instaladores PROFIBUS calificados han realizado el curso de instalación PROFIBUS disponible en muchos centros de capacitación y competencia PROFIBUS. Como precaución, por favor verifique su certificado y las referencias de otros sitios PROFIBUS donde haya trabajado.

96


Capacitar instaladores es otra opción y dicha capacitación debería incluir ejercicios prácticos para unificar la teoría con la práctica. Las primeras conexiones que hará no serán las mejores. Al hacerlos practicar, las conexiones dudosas acabarán en la basura ¡y no en la red! Dos documentos clave publicados por PI sobre el montaje y la puesta en marcha recomendados5: • • • • •

pelado de cables códigos de color ajuste de conectores separación de cables cómo manejar un cable de comunicación.

Pelado de cables: DP y PA tienen herramientas para ayudarlo a pelar el cable para diferentes conectores. Aprender a usar esta útil herramienta requiere algo de práctica. El largo del cable que se pone en la herramienta depende del conector que usará. La cantidad de vueltas necesarias dependerá de la herramienta. Códigos de color: la mayoría de los conectores DB-9 para PROFIBUS DP tienen un código de color: • A es verde • B es rojo Verifique que los conectores posean códigos de color y asegúrese de que todos los instaladores conozcan la importancia de respetarlos. Código de color PROFIBUS PA: • PA + es verde • PA - es rojo NOTA: Algunos conectores pueden no tener código. Ajuste de conectores: aunque todos los instaladores saben que las conexiones por borne deben estar ajustadas, hay excepciones, y las conexiones desajustadas siguen siendo el problema más común de red. Separación de cables: es muy importante tener esto en cuenta porque los cables de comunicación no pueden colocarse en la misma bandeja que los cables de alimentación.

5

PROFIBUS Recommendation for Cabling and Assembly, PI N° de pedido: 8.022. PROFIBUS Recommendation for Commissioning, PI N° de pedido: 8.032.

97


Manejo de cables de comunicación: los cables de comunicación no son cables de alimentación y están diseñados con una resistencia, capacitancia e inductancia particular por metro de cable. Jalar fuerte o doblar demasiado un cable modificará estos valores y afectará la señal.

Creación de una lista de verificación El documento PROFIBUS Recommended Commissioning6 tiene ejemplos de listas de verificación, es decir, listas de las cosas que debe verificar durante y después de la instalación. La lista de verificación lo ayuda a asegurarse de que la red se haya instalado y diseñado correctamente. Estas son algunas preguntas sugeridas para la lista: • ¿Se tendieron los cables según los planos? • ¿Se registró el largo instalado y se verificó que el diseño aún sea válido? • ¿Se ha tratado bien al cable y se ha respetado el radio del ángulo? • ¿Se han colocado las terminaciones según los planos? • ¿Se realizó la puesta a tierra según los planos? • ¿Están bien ajustadas todas las conexiones?

Verifique la instalación Esta actividad lleva tiempo, y verificar la lista con la instalación implica que una persona vaya a cada conector y cada dispositivo y determine si la instalación es correcta. Aunque la tentación de saltearse este paso es fuerte, a largo plazo es muy importante.

6

98

PROFIBUS Recommendation for Commissioning, PI N° de pedido: 8.032


El Centro de Enseñanza Milltronics de Siemens tiene una red PROFIBUS completa que yo tuve el placer de diseñar. También ayudé con la instalación y a resolver los problemas. Seguimos las reglas de diseño, hicimos un plano de red, capacitamos a todos, pero aún así no arrancó del todo bien. Al terminar la verificación del cableado, comenzamos a levantar la red una estación por vez y empezaron a aparecer los problemas con errores y estaciones que faltaban. En este punto detuve el trabajo, hice una lista de verificación y encontré lo siguiente: • la línea A va a la línea B • conectores desajustados • error en el conector DB-9. Lo importante aquí es que aunque se niegue a verificar toda la red de forma manual una vez que está instalada, los beneficios de hacerlo están a la vista. Es muy fácil cometer errores.

Las mejores instalaciones Para lograr la mejor instalación posible, asegúrese de: • respetar el método de instalación recomendado • comprar tecnología de interconexión de calidad. En este capítulo vimos diferentes opciones de tecnología de interconexión. Muchos estudios7 han demostrado que los costos de instalación son mucho menores en las instalaciones para bus de campo que para 7 Litz, Dr. Lothar. Ed. “The Value Proposition of PROFIBUS in the Process Industries,” FuRIOS 2 (Fieldbus is Ready for Practical use). Technical University Kaiserslautern, marzo 2005 y Notas Técnicas ARC, abril 2005.

99


los sistemas convencionales 4-20 mA. Sin embargo, la cantidad real depende de la filosofía del diseño; muchos métodos de conexión de características avanzadas aumentan los costos de instalación (reduciendo los ahorros totales en comparación con 4-20 mA), pero también aumentan la robustez del sistema, tanto en la puesta en marcha como en la producción Por ejemplo, si usa una caja de bornes simple para conectar las líneas auxiliares PA, los costos de instalación son bajos. Pero, si cuando se instala o reemplaza un instrumento, las líneas A y B hacen cortocircuito, entonces todo el segmento se apaga hasta que se encuentra el cortocircuito ¡nada fácil de hallar! Los costos de instalación serán considerablemente mayores cuando se hace la misma instalación con las nuevas cajas de empalmes Active Field Distributor de Siemens (AFD) en vez de cajas de bornes. Pero, si una línea hace cortocircuito cuando se instala o reemplaza un instrumento, entonces sólo esa única línea auxiliar se verá afectada, no todo el segmento. Además, las luces de la caja de empalmes le indicarán dónde está el cortocircuito, reduciendo notablemente el tiempo de reparación. NOTA: lo mejor es no escatimar con el hardware de conexión en la instalación.

Próxima parada del BUS: Puesta en marcha Ahora que la red está instalada, ¡es hora de ponerla en funcionamiento! ¡La próxima parada de nuestro Profi-viaje es la puesta en marcha!

100

Capítulo Seis

Puesta en marcha Los pensamientos sin contenido están vacíos, la intuición sin conceptos es ciega.1 Este capítulo analiza cómo configurar y poner en marcha una red cableada con los siguientes pasos: 2 1. 2. 3. 4.

Establecer la configuración de la red. Conectar los dispositivos de campo en línea. Configurar los dispositivos de campo. Verificar la red para asegurarse de que los dispositivos de campo funcionen correctamente.

Poner en marcha una red de forma eficiente requiere que se cumplan estos pasos en el orden estipulado. NOTA: en una red PROFIBUS, un dispositivo de campo es más que una pieza de hardware, es una combinación de estos elementos: • dispositivo físico • dirección de red

• archivo GSD • un EDD o DTM

Además, el dispositivo de campo debe coincidir con la definición de red de estos elementos.

La ruta del BUS Este bus hace las siguientes paradas: • • • • • • •

Configuración de red Software de configuración de red Configuración/parametrización de dispositivos de campo Ajuste de dispositivos de campo Uso de software de configuración: los mejores casos Velocidad de carga y descarga Verificar el funcionamiento correcto de los dispositivos de campo y la red.

1 Kant, Immanuel. Crítica de la Razón Pura [1781], trans. Norman Kemp Smith (N.Y.: St. Martins, 1965), A 51/B 75. 2 Una máquina de movimiento continuo diseñada por Robert Fludd (1574-1637), físico e inventor inglés a quien se le acredita ser el primero en plantear de forma precisa la circulación de la sangre en el cuerpo a través de las venas.

101


Configuración de red Archivo de Datos Generales del Sistema El archivo Datos Generales del Sistema (GSD3) contiene información general sobre los dispositivos esclavos y toda la información de los datos cíclicos y los de diagnóstico cíclicos. El software de configuración de red necesita que este archivo configure el dispositivo esclavo en la red. Este archivo es muy estático porque usualmente permanece sin cambios durante largos períodos de tiempo. La extensión o archivo GSD puede variar y diferentes proveedores ofrecen muchas versiones de este archivo para diferentes lenguajes. Todas funcionan igual. La única diferencia es el lenguaje en el que se escriben los mensajes de error y los comentarios. Este es el formato convencional: • • • •

abreviación del nombre de la empresa seguido del número de identificación PROFIBUS en hexadecimal un punto de separación (.) GS más una sola letra que indica el idioma del archivo (D = predeterminado [independientemente del idioma], G = Alemán, E= Inglés, F= Francés, etc.).

EJEMPLO: un archivo para un dispositivo Siemens Milltronics con número de identificación PROFIBUS hexadecimal 8123 es SIEM8123.GSD. Hexadecimal se refiere al sistema de conteo basado en 16. Normalmente trabajamos en base a 10, números de 1 al 10. En base 16, son los números del 1 al 9 más A, B, C, D, E, F. F=16. Un número hexadecimal llamado número hex precedido de una x. x80 = hex 80.

Modo perfil: cuando se ajusta un dispositivo de campo, el dispositivo se puede identificar por cualquiera de los dos números: • Número de identificación PROFIBUS específico del proveedor: da acceso a todos los parámetros específicos de ese proveedor para configuración avanzada y recuperación de datos. • Número de identificación de perfil PROFIBUS (seleccionable en el dispositivo de campo): permite el intercambio de dispositivos similares de diferentes proveedores sin reconfigurar el controlador y usar el perfil EDD o DTM para ajustar el dispositivo de campo. La capacidad para instalar un dispositivo con un EDD o DTM genérico es un beneficio si el proveedor no soporta el tipo software de configuración del dispositivo que usa la red. NOTA: para usar un dispositivo de campo en modo perfil, instale el archivo GSD de perfil. Está disponible en el sitio Web PROFIBUS. Vaya a www.profibus.com y busque "profile GSD".

3 GSD es el acrónimo en alemán de Gerätestammdaten, traducido en inglés general systems data y en español datos generales de sistema.

102


Software de configuración de red Los proveedores poseen diferentes tipos de software de configuración que usan los mismos archivos GSD, y realizan búsquedas y trabajan de la misma forma, con un diseño similar de tres ventanas: • ventana de catálogo de hardware • ventana de distribución de red • ventana de información del módulo. Lo que tienen en común es: • diseño gráfico de la red • biblioteca GSD (dispositivo): a la derecha o a la izquierda (por lo general se mueve hacia ambos lados) • información adicional de cada dispositivo, por lo general, abajo. El archivo GSD también es similar en los diferentes paquetes de software. 1. Verifique que el archivo GSD ya esté en la biblioteca de dispositivos. Si no, impórtelo. 2. En algunos paquetes de software, la biblioteca de dispositivos quizás deba regenerarse. 3. Agregue el dispositivo haciendo clic sobre él y arrástrelo a la red. 4. Si es necesario, configure el modulo en el dispositivo de campo (más sobre esto a continuación). La mayoría de los proveedores tienen una copia de sus archivos GSD en sus sitios Web. El catálogo de dispositivos de PROFIBUS International también tiene copias de la mayoría de estos archivos.

103


Configurar un dispositivo PA con software de configuración de red Un dispositivo PROFIBUS PA estándar estará definido en el rack virtual 4 donde se pueden insertar diferentes módulos. Estos módulos corresponden a diferentes bloques de EA/ SA, ED/SD en el dispositivo. Casi todo software de configuración le permite arrastrar y soltar el rack virtual en la red, y después arrastrar y soltar estos módulos en el rack virtual. En muchos dispositivos PA, los módulos estándar se colocan automáticamente en el rack virtual cuando el rack se arrastra. Por ejemplo, cuando el dispositivo de radar de nivel SITRANS LR250 se trae a la red, el rack virtual LR250 viene con un bloque de entrada analógica y un espacio libre. Este bloque de entrada analógica corresponde al bloque de entrada analógica descrito en el Capítulo Dos. La configuración predeterminada es fácil de cambiar. Para agregar un segundo bloque de entrada analógica, ilumine el espacio libre del módulo en la ventana de la izquierda y presione el botón "delete". Luego ilumine el bloque de entrada analógica en LR250, en la ventana de la derecha, y arrástrelo a la Ranura 2 en la ventana izquierda inferior.

Conectar los dispositivos de campo Una vez que todos los dispositivos están configurados en el software de red, la configuración de la red se debe convertir a un código de máquina (compilado) y cargarlo al controlador. Cuando el controlador se coloca en modo ejecutar, los dispositivos de campo harán un intercambio de datos. La dirección de los dispositivos PROFIBUS DP o PA es un problema frecuente que evita el inicio del intercambio de datos. Las direcciones se podrán configurar a través de la red o vía interruptores o interruptores dip en los dispositivos. La mayoría de los dispositivos PA se configuran a través de la red y se entregan con la dirección 126. Entonces, cuando los dispositivos PA se enciendan, la mayoría tendrá la dirección 126 y no habrá comunicación. Dave Bignell, CEO de Siemens Milltronics

Una forma de describir esto sería imaginar una habitación llena de personas cuyo primer nombre sea Dave. Cuando usted diga "Hola, 4 ‘ Virtual’ en este contexto significa no real o imaginario. No hay ningún rack físico. Nos estamos imaginando que hay un rack para poder colocarle supuestos módulos para configurar lo que se está enviando a través del bus. La terminología es histórica y viene de los PLC y los DCS que se usaban con racks E/S remotos.

104


Dave", obtendrá muchas respuestas, todas en tiempos levemente diferentes, sin poder entenderlas de forma clara. Esto es lo que ocurriría con el controlador que intenta hablar con la dirección 126. En las instalaciones exitosas, los dispositivos PROFIBUS son una combinación de: • • • •

dispositivo físico dirección de red archivo GSD EDD o DTM.

Si sigue esta línea de razonamiento, más allá de su proceso de arranque, será un éxito asegurado. Los problemas ocurren cuando la gente trata a los dispositivos PROFIBUS como 4-20 mA. Asistí en un proyecto en las arenas petroleras de Canadá, en Alberta, donde aprendieron por las malas cómo hacer coincidir el GSD y EDD con el dispositivo físico. 6 Cuando empezaron el proyecto ignoraban esto y salió a la luz en un dispositivo. Había un dispositivo que tenía dos versiones con dos archivos GSD diferentes. Ellos tenían el equivocado, entonces el dispositivo no iniciaba el intercambio de datos. Enseguida se dieron cuenta de que habrían evitado el problema si lo hubieran descubierto durante la realización del proyecto.

Para resolver este problema de múltiples dispositivos con la misma dirección, puede elegir entre las siguientes opciones: 1. Configurar el dispositivo en el banco y ajustar la dirección antes de instalarlo. 2. Encender los dispositivos de a uno por vez, y ajustar la dirección de red a través de la red. 3. Muchas empresas ajustan la dirección y el nombre de la etiqueta antes de entregar el dispositivo. La dirección y el nombre de la etiqueta deben estar definidos en el momento del pedido y, por lo general, se cobra un pequeño monto adicional por ello.

Dutton, Don. Powell, James. PROFIBUS–A Successful Oil Sands Application. ISA Calgary transactions 2007. Both HART y Foundation Fieldbus tienen problemas similares.

5

6

105


Se sugiere la primera opción. Cuando encienda los dispositivos, muchos tendrán una interfaz de usuario local para establecer las direcciones. Otros requieren software de configuración para definir la dirección. Cuando se conectan los dispositivos en línea, el dispositivo de campo debe estar configurado. No se preocupe por las luces de error en los módulos DP/PA Link o en los controladores durante el proceso. Es habitual que un instrumento de campo no configurado se queje de que no puede procesar las variable de proceso principal. Los únicos errores de comunicación a los que debe estar atento son aquellos generados por el software de configuración del dispositivo. (Vea Capítulo Ocho: Resolución de problemas.)

Configuración/ Parametrización de los instrumentos de campo Software de configuración de dispositivos Actualmente hay dos tecnologías competidoras para configurar instrumentos de campo:7 • Software basado en Lenguaje de Descripción de Dispositivos Electrónicos (EDDL) • Software de Herramienta de dispositivo de campo/Administrador de Tipo de Dispositivo (FDT/DTM) Desde el punto de vista práctico, tanto la solución EDDL como la FDT/DTM hacen lo mismo: ofrecen una forma de leer y escribir los parámetros de configuración para los dispositivos de campo y visualización de diagnósticos avanzados. EDD y DTM describen cómo leer y escribir los parámetros de configuración vía canal de comunicación acíclico en PROFIBUS. El archivo GSD describe toda la información del protocolo de base y toda la información disponible en el canal de comunicación cíclico. Según el software, necesita alguno de los siguientes para ajustar un dispositivo de campo: • un archivo GSD y un EDD • un archivo GSD y un DTM. NOTAS: • SIMATIC PDM (un software basado en EDDL) configura un dispositivo de campo utilizando la Descripción de Dispositivo Electrónico (EDD) para ese dispositivo. • PACTware y Fieldcare (software basado en FDT) usan DTM para ese dispositivo de campo.. 7 Al momento de la publicación se está trabajando en una tercera tecnología llamada Field Device Integration (FDI).

106


Descripción de Dispositivo Electrónico (EDD) Los EDD son archivos basados en texto que describen: • • • • •

todos los parámetros en un dispositivo de campo cómo leer y escribir esos parámetros todas las interacciones de los parámetros cómo visualizar esos parámetros procedimientos simples para ajuste y reparaciones.

Los EDD están escritos en Lenguaje de Descripción de Dispositivo Electrónico (EDDL) que es un estándar internacional (IEC 61804-3). El estándar se lanzó en el 2006 y lo utilizan PROFIBUS, HART y Foundation Fieldbus. EDDL Cooperation Team (ECT) es el responsable de controlar este estándar, y está compuesto por representantes de PROFIBUS International, HART Communication Foundation, Fieldbus Foundation, OPC Foundation, y (recientemente) FDT Group (ver a continuación Herramienta de Dispositivo de Campo [FDT] y Administrador de Tipo de Dispositivo [DTM]).

Los intérpretes leen un programa y luego lo traducen a un código de máquina de forma dinámica, y los compiladores hacen la traducción toda junta. Los compiladores generan un código que es más rápido, pero los intérpretes son más versátiles.

Recién ahora se está implementando la certificación de los archivos EDD. PROFIBUS International comenzó a certificar EDD a comienzos de 2008. La certificación asegura de que los EDD respeten las especificaciones. Los intérpretes de EDD también se están inclinando hacia el cumplimiento de IEC 61804-3. Siemens SIMATIC PDM y Emerson AMS han declarado que cumplirán con el estándar IEC. EDDL y FDT en sus campañas de marketing recientes afirman tener la respuesta a sus necesidades de configuración. Lo cierto es que ambos tienen sus defectos y están en aprietos. EDDL es quien soporta más dispositivos actualmente y creo que es la mejor solución, pero queda en manos del usuario final investigarlo en el momento de armar el sistema. Según el tipo de instrumentos que quiera usar, quizás aún se vea forzado a usar ambos durante un tiempo. Lo bueno es que el software de EDDL y FDT que yo he utilizado es bastante similar como para que usar cualquiera de ellos no sea un problema. Para la instalación básica, PROFIBUS ofrece una solución provisoria para el problema del soporte de EDD y DTM entre proveedores. Si usted tiene un dispositivo que sólo soporta uno de estos y tiene otro tipo de software, puede definir su dis107


positivo como dispositivo perfil y usar un Profile EDD o DTM. Esto le permitirá instalar el dispositivo en aplicaciones simples. Para aplicaciones más complejas o para resolver problemas avanzados, debe usar otro tipo de software. Sin embargo, en el modo Profile al menos puede lidiar con lo básico.

Descripción de Dispositivo Electrónico Mejorada (EDD mejorado) Para crear EDDL (un estándar internacional), EDDL Cooperation Team estandarizó el lenguaje de los tres protocolos y de los tres intérpretes principales (SIMATIC PDM, Emerson AMS, Emerson HART hand-held 375). Esto se realizó en IEC 61804-2. Luego de observar el lenguaje, descubrieron que era necesario hacer mejoras para cumplir con los requisitos. Estas mejoras se desarrollaron e incorporaron a IEC 61804-3.

Para el usuario final, estas mejoras significan que los fabricantes ahora pueden proveer funciones adicionales como asistentes gráficos de inicio rápido que antes no era posible. Estos nuevos EDD (llamados Enhanced EDD) utilizan las mejoras descritas en IEC 61804-3.

Herramienta de Dispositivo de Campo (FDT) y Administrador de Tipo de Dispositivo (DTM) Las limitaciones iniciales en el lenguaje de programación EDD central se eliminaron con estas nuevas mejoras. Antes de resolver por completo estas limitaciones, se desarrolló un nuevo estándar para ofrecer un software de configuración básico para los dispositivos de campo. Esto lo inició el grupo de trabajo de PROFIBUS International y luego lo continuó el grupo Field Device Tool (FDT). 108


El estándar FDT está relacionado con el software de configuración. Como es una aplicación de marco, ofrece plugs estándar que otro software puede adoptar para ofrecer comunicación a los dispositivos de campo. El software que accede a estos plugs estándar se llama Administrador de Tipo de Dispositivo (DTM) y se divide en dos tipos:

Sistema de ingeniería Windows Aplicación de marco Interfaz FDT DTM

Dispositivo de flujo Activex

DTM

Dispositivo de presión Activex

DTM

Dispositivo de nivel Activex

DTM

Profibus Comms. Activex

• software de dispositivo DTM: hace lo mismo que un EDD • comunicación DTM: ofrece la conexión con la/las interfaces de comunicación. La solución FDT/DTM es bastante exitosa, en gran parte como resultado de PACTware™, un paquete de software desarrollado por un consocio de empresas, basado en el estándar FDT, y que comparte el código fuente. Las soluciones funcionan bien en instalaciones pequeñas, pero tienen algunos problemas de estabilidad en las instalaciones grandes. Aunque que la solución FDT/DTM tiene buenas características, su dependencia del Windows® de Microsoft puede ser problemática. Como tanto el paquete de software DTM como el FDT usan componentes Windows, las mejoras se entorpecen cuando se actualiza el sistema operativo.

La mayoría de los DTM se generan de un EDD. Hay muchas herramientas que toman un EDD y lo convierten en un DTM básico. Una vez hecho, un programador lo mejora.

Otras áreas conflictivas: • problemas de interoperabilidad entre FDT • imposibilidad de conectarse con los dispositivos más antiguos • problemas de estabilidad cuando se instalan muchos DTM.

Field Device Integration (FDI) En la primavera de 2007, el grupo FDT se unió a EDDL Cooperation Team y anunciaron una nueva solución llamada Field Device Integration (FDI – Integración de Dispositivos de Campo) que combina lo mejor de FDT/DTM y EDDL. Al momento de esta publicación, los detalles de FDI aún se estaban determinando. Basados en el contenido de una investigación de ITM llamada Future Device Integration,8 FDI toma la arquitectura clienteservidor de OPC UA y usa EDDL para separar la parametrización básica y la visualización. Parece una evolución de ambos EDDL y FDT/

8 Bender, Dr. Klaus. Grossmann, Daniel. Danzer, Benjamin. Instituto para Tecnología Informática e Ingeniería Mecánica (ITM) del Technische Universitat Munchen. 26.02.2007.

109


DTM; pero está en una etapa de desarrollo muy temprana como para saberlo con claridad. La especificación se espera para el 2009.

Instalación de un dispositivo de campo En este diagrama se describen todas las operaciones de los transmisores PROFIBUS PA. Aunque se utiliza sólo un bloque de entrada analógica, aún se deben instalar dos bloques:

Sensor Temperatura electrónicos

Sensor

Bloque transductor

Bloque de función de entrada analógica 1 Bloque de función de entrada analógica 2

PROFIBUS PA

• bloque transductor • bloque de función de entrada analógica.

Instrumentation users familiar with HART instruments will use the conLos usuarios de instrumentación familiarizados con los instrumentos HART utilizarán el software de configuración e ingresarán la escala en el bloque transductor, pero notarán que el valor que regresa al HMI no es correcto porque con los dispositivos PA se deben instalar dos bloques. En este diagrama se describen todas las operaciones de los actuadores PROFIBUS PA. De modo similar al transmisor, el usuario debe instalar dos bloques: • bloque transductor • bloque de función de salida analógica. El personal de instrumentación familiarizado con los instrumentos HART olvidará instalar el segundo bloque. En este caso, es un bloque de salida analógica. Además, cuando se envía un valor al bloque de salida analógica del actuador, un error muy común es olvidar incluir el byte de estado que deberá ser un valor hexadecimal 80 (bueno) para que el actuador funcione.

110


PROFIBUS PA

Sensor

Bloque de función de salida analógica

Bloque transductor

Actuator

También es importante cambiar estos dispositivos de perfil lo menos posible en la instalación. Aunque el diseño de los dispositivos de perfil permita una flexibilidad considerable, la mayoría de las aplicaciones, no. Si se implementan muchos cambios, la configuración puede ser mucho más complicada de lo necesario. Por ejemplo, este bloque transductor del dispositivo de nivel muestra que puede haber cuatro unidades diferentes definidas para valor de sensor, nivel, valor primario y salida AIFB1. Para seguir el flujo de información, se deben rastrear cuatro unidades diferentes, que sería difícil de hacer (es decir, este parámetro está en pulgadas, este otro en pies, el otro en metros y la salida es en mm.) Valor de sensor

Sensor

Tecnología de sensor

Nivel

Nivel calibración

Valor primario [Nivel/volumen] (Unidades de nivel/ volumen)

Linealización (Entrada analógica)

Ajuste del sensor

Nivel tipo Punto de calibración alto Punto de nivel alto

Punto de calibración bajo

Valor secundario 1 (unidades de nivel)

(Entrada analógica)

Punto de nivel bajo

Tipo calibración Valor secundario 2 [Distancia 1] (Unidades de nivel)

Ejemplo: Configurar una sonda SITRANS LU (nivel ultrasónico) para una aplicación simple y los parámetros a cambiar.

111


Aplicación: • • • •

10 m

Tramo 9m (29,5 ft).

Bloque transductor

Calibración baja (10 m)

0-100%

Lo más simple es mantener las unidades predeterminadas y sólo cambiar las unidades en AIFB1. Ajuste lo siguiente:

Valor primario %

0% Bloque de entrada analógica

0-29,5 ft

• calibración alta en 1 m • calibración baja en 10 m Luego del bloque de calibración, el valor pasa al bloque de linealización que convierte el nivel en volumen. Este bloque está predeterminado en OFF. Como no se requiere volumen, los valores predeterminados quedan. Por lo tanto, los valores que van a AIFB1 estarán dentro del rango de 0 a 100% de toda la escala. Para medir esto y que el usuario vea el nivel en pies, ajuste lo siguiente: • • • •

29,5 ft

Valor del proceso en ft

112

Definir el rango de la aplicación en el bloque de calibración de nivel en el bloque transductor, usando la información del diagrama de bloques. • Los dos parámetros claves a calibrar son: calibración alta y calibración baja. • La unidad de medición predeterminada que va al bloque de calibración es metros. • La unidad predeterminada que sale del bloque de calibración se mide en %

100%

Calibración alta (1 m)

Tanque de 10 m de alto fondo plano el nivel varía de vacío a un máximo de 9 m el cliente quiere visualizar el nivel en pies.

0 ft

valor menor de la escala de salida en 0 valor superior de la escala de salida en 29,5 unidades de salida en pies función en Volumen/Nivel para que el AIFB1 recoja la PV y no uno de los otros valores que salen del bloque transductor.

El último paso es descargar los valores al instrumento de campo y verificar que el valor que muestra la red sea el esperado.


Uso de software de configuración: Los mejores casos En teoría, los parámetros predeterminados del software y del dispositivo coinciden. Entonces, los nuevos parámetros se pueden descargar a un dispositivo de campo, más allá del estado en que se encuentre. Sin embargo, la experiencia confirma que hay una interacción extraña entre el software y el dispositivo, según cómo hayan sido programados. Estas situaciones se pueden evitar si se siguen estas pautas: • Cuando instala un dispositivo nuevo por primera vez, siempre haga un reinicio de fábrica en el dispositivo. En una situación de arranque, la persona que hace la configuración generalmente no es la que primera abrió la caja. Por lo tanto, el dispositivo pudo haber sido alterado antes de llegar al campo. Al hacer un reinicio de fábrica, restaurará todos los parámetros predeterminados de fábrica, que deberían coincidir con los del software de configuración. De este modo, tanto el dispositivo como el software se inician en el mismo estado. • De ser posible, antes de configurar un dispositivo de campo, cargue todos sus parámetros predeterminados. Los valores predeterminados del software de configuración deberían coincidir con los parámetros predeterminados del dispositivo de campo. Este paso le asegura que así sea. • Luego de realizar una descarga en el dispositivo de campo, siempre realice una carga. Luego de la carga, verifique el dispositivo haya aceptado todos los cambios, es decir, que se vean reflejados en los parámetros cargados. Es una buena forma de verificar dos veces tanto del software como el ingreso de datos.

Velocidad de carga y descarga Como se analizó en el Capítulo Dos, PROFIBUS se optimizó para lograr un intercambio de datos cíclico muy rápido. La parte más importante de PROFIBUS es controlar el proceso, mientras que comunicar los datos de configuración y de diagnóstico es una tarea secundaria. Sin embargo, este esquema de prioridades puede generar largos tiempos de espera para cargas y descargas, pero que generalmente no resulta un problema cuando sólo se realizan algunas transacciones. Pero, durante la puesta en marcha, estos tiempos de espera pueden ser un problema ya que dejan al equipo en suspenso.

113


Hay tres modos efectivos de lidiar con esta situación: 1. Aceptar que las cargas y descargas tomarán un tiempo y planificar hacer otras cosas mientras espera. Los clientes habitualmente entienden que este proceso es aún más rápido que ir al instrumento e ingresar los valores a mano. 2. Utilice una laptop con el software de configuración incluido y vaya al módulo de enlace, desenchúfelo de la red y luego, directamente en la interfaz PROFIBUS, conecte la laptop. Esto apaga toda comunicación cíclica y reduce una descarga de tres minutos a una de 30 segundos. Esta solución temporal es efectiva cuando se tiene mucha comunicación acíclica. 3. Preconfigure/ ponga en marcha cada instrumento antes de instalarlo en la red. Este enfoque rápido y dinámico es efectivo para reducir los tiempos de espera. Aunque no todos los instrumentos se pueden configurar de antemano, lo que resta sólo requerirá ajustes menores en la red. NOTA: Profile 3.02 lanzado en el 2009 posee un método para agrupar los parámetros que aumenta las cargas y descargas en un factor de seis, mejorando notablemente esta situación.

Verificar que los dispositivos de campo y la red funcionen correctamente

Un monitor de bus es la mejor forma para verificar si la red está funcionando bien (ver Capítulo Ocho).

Cuando el dispositivo de campo esté configurado y encuentre el valor deseado, vaya a diagnóstico avanzado en el software de configuración del dispositivo y verifique que el instrumento no tenga errores. Este paso es importante porque un error en el dispositivo relacionado con el procesamiento de la variable de proceso principal generará una solicitud de diagnóstico en el bus que podría parecer un error de bus. En el Capítulo Ocho analizamos en detalle cómo resolver los problemas de red, comenzando con la verificación, que es el primer paso crucial del proceso.

Próxima parada del BUS: Operación de la red Ahora ya tiene una red PROFIBUS totalmente funcional. La próxima parada de nuestro Profi-viaje es ver cómo lograr un uso óptimo de una red PROFIBUS.

114

Capítulo Siete

Gestión de activos de planta, mantenimiento y operaciones "Auch" es una palabra que no debería decirse en algunas profesiones, los que primero se me ocurren son los pilotos de avión, de autos de carreras y coloristas de cabello, pero los dentistas también deberían están entre los cinco primeros.1 Para mantener un bus en funcionamiento en una instalación nueva, se deben reconsiderar las prácticas de mantenimiento y operativas existentes. Mantener una planta con una red PROFIBUS requiere personal capacitado en diagnósticos de red y una actitud operativa que incluya acciones preventivas. Usted necesita lo siguiente para obtener los máximos beneficios de una red PROFIBUS: • personal bien capacitado • una oficina de mantenimiento bien equipada • voluntad para cambiar procesos y adoptar nuevos diagnósticos. El beneficio clave de tener personal de mantenimiento y de operaciones bien capacitado en PROFIBUS es la reducción total de los costos operativos. Como hay más información de diagnóstico disponible, resolver problemas y hacer reparaciones más rápido llevan a una reducción de los tiempos de parada. Además, puede implementar mejoras en el proceso ya que el personal de operaciones tendrá información más detallada sobre el proceso y puede hacer cambios positivos. Esta alineación del mantenimiento y las operaciones con el nuevo paradigma de bus de campo es el pilar de la gestión de activos.

1

Stubbs, Richard. Still Life. Thoughts of a Man Hurriedly Going Nowhere. Pan 1998.

115

Capítulo 7: Gestión de activos de planta, mantenimiento y operaciones

La ruta del BUS Este bus hace las siguientes paradas: • • • • •

Gestión de activos de planta Activos humanos Activos virtuales Activos físicos (incluyendo nuevos diagnósticos) Impactos y beneficios para el usuario final.

Gestión de activos de planta Activos humanos

Activos virtuales

Activos físicos

El objetivo de la gestión de activos de la planta es obtener los mayores beneficios de la inversión. Hay varias formas de tomar la gestión de activos y ARC presenta un modelo particularmente bueno llamado Design, Operate, Maintain Model for Asset Lifecycle Management.2 Divide la gestión de activos en tres elementos: • Activos humanos: los empleados de una empresa y sus conocimientos básicos. • Activos virtuales: los procesos y la información para manejar los activos físicos. Esto incluye documentación y procedimientos por escrito sobre cómo manejar activos físicos. • Activos físicos: los dispositivos y objetos reales de una planta. Uno de los beneficios de este modelo es el reconocimiento de las interacciones y las interdependencias entre estos tres elementos.

El retorno sobre activos es la ganancia generada menos los costos operativos y dividido por los costos capitales.

Si estos tres elementos están dispuestos de forma correcta, el retorno sobre sus activos aumentará significativamente. PROFIBUS tiene un impacto notable en cada uno de estos elementos: • aumenta los ingresos al reducir los deshechos gracias a un mejor monitoreo del proceso y una minimización de los tiempos de parada. • reduce los costos operativos dejando atrás un mantenimiento reactivo, y apuntando a reducir el tiempo de resolución de problemas y los posibles accidentes. • reduce los costos capitales al acelerar los tiempos de puesta en marcha y de diseño.

2 Snitkin, Sid. Asset Lifecycle Management – A New Perspective on the Challenges and Opportunities. Notas Técnicas ARC, julio 2008.

116


Activos humanos Los empleados son valiosos para una empresa por su conocimiento y por lo que se hace con él. Cuando se trabaja con PROFIBUS, el conocimiento del sistema y de la red es crucial para el éxito de la instalación y de las operaciones del proceso. Lo mismo se aplica a las operaciones y al personal de mantenimiento. Una vez fui a un sitio donde el personal de mantenimiento no tenía capacitación sobre la red o las herramientas, y seguía tratando los instrumentos como instrumentos 4-20 mA. Fue impactante ver cómo influyó un poco de capacitación sobre PROFIBUS y SIMATIC PDM en su eficiencia y en su estado de ánimo. Lo que antes hacían en varias horas, ahora lo hacían en minutos. El personal pasó de sentirse derrotado por el sistema a tener el control sobre él. ¡Fue conmovedor ver el cambio!

Formación El personal operativo necesita un conocimiento básico del sistema, en especial si las alarmas de mantenimiento y de proceso van a la estación de operadores central. La capacidad para diferenciar ambos tipos de alarma permite que el personal operativo llame a los ingenieros de proceso o al equipo de mantenimiento. Tanto el grupo de mantenimiento como los ingenieros de proceso necesitan: • un conocimiento rudimentario del sistema: el lugar donde todo es y donde encaja en conjunto. • un conocimiento detallado de la importancia de la nueva información que hay disponible de la red PROFIBUS • cómo acceder a esta nueva información rápidamente.

"Detesté cada minuto de mi entrenamiento, pero dije, «No abandones. Sufre ahora y vive el resto de tu vida como un campeón»". -Muhammad Ali

Se descubren oportunidades de mejoras en el mantenimiento y en el proceso al tener un conocimiento abarcador de la nueva información disponible a través de la red PROFIBUS. Desde lo más simple (temperatura electrónica mínima y máxima de un instrumento) hasta lo más complejo (información sobre el uso de una válvula).

117


Estos datos se pueden utilizar en el mantenimiento y en la ingeniería de procesos, aunque con diferentes fines. Ejemplo: la cantidad de veces que una válvula se abrió y se cerró. • El personal de mantenimiento determina cuándo se debe reemplazar la válvula. • Los ingenieros de procesos determinan si el lazo PID de la válvula se ha ajustado correctamente porque se mueve demasiado. Lo ideal sería que el personal reciba una formación detallada especializada antes de que la red entre en operaciones para que el arranque sea más sencillo. Además, los cursos de actualización periódicos son un beneficio real porque hay mucho que aprender. A la gente le lleva tiempo asimilar la información y refrescar la memoria, disuelta entre los lapsos de tiempo entre la capacitación y la implementación.

Activos virtuales Los activos virtuales son los procesos, procedimientos y la información que mantienen a la empresa en actividad. Para obtener los beneficios óptimos de PROFIBUS, una empresa debe tener diferentes procesos y procedimientos. En las siguientes secciones examinaremos este tema desde la perspectiva de los departamentos de mantenimiento y de ingeniería de procesos.

Departamento de mantenimiento Con 4-20 mA, las herramientas de mantenimiento y los procesos son completamente diferentes que para los ingenieros de proceso. La persona de mantenimiento tendrá su multímetro y el ingeniero de proceso tendrá su terminal DCS. Cada uno hará su trabajo de forma totalmente diferente. Con PROFIBUS, las herramientas y los procesos van juntos. El mantenimiento ahora requiere una estación de trabajo DCS donde: • ver los bytes de estado entrantes • ejecutar el software de configuración/ diagnóstico del dispositivo a través de la red.

Sugerencias de instalación • Configurar pantallas a medida en la Interfaz Hombre-Máquina (HMI) para el departamento de mantenimiento. Todos los dispositivos de perfil PROFIBUS con bytes de estado de entrada deben estar especialmente enlazados con sus colores de identificación en una pantalla de visualización, y en otra pantalla se deben enumerar todos los instrumentos que muestran su byte de estado. Estas pantallas de visualización identifican los problemas, y las pantallas de bytes de estado ofrecen detalles. Los cambios en el byte de esta do que pasan de OK a

118


no-OK, también deben asentarse en el registro de datos HMI para que el personal de mantenimiento vea los problemas temporales también. • Tener una computadora en red con el software de configuración/ diagnóstico para visualizar todos los dispositivos en las diferentes redes PA desde una ubicación remota. El software de configuración/ diagnóstico de dispositivos por lo general se conecta de forma remota con el dispositivo de campo a través de Ethernet. Esta función es costosa pero tiene mucho potencial de ahorro. Brinda al personal de mantenimiento datos para resolver los problemas, evitando así el tiempo que lleva ir a los diferentes lugares de la planta. • Establecer una configuración de banco de prueba independiente con una copia individual (versión de sola una etiqueta) del software de configuración/ diagnóstico. De esta forma, los instrumentos se instalan de a uno por vez antes de entrar al campo. Se puede utilizar una computadora en red, pero no se recomienda. El paso de una configuración de red a una local a menudo genera confusiones y errores, puede confundir una con otra. Dado el bajo costo de las computadoras y del software de una sola etiqueta, es mucho más conveniente tener dos estaciones separadas. Procedimientos de mantenimiento completo El sistema le avisa al mantenimiento que hay un problema con uno de los instrumentos.

1. Ejecutar el software de configuración/ diagnóstico para obtener más detalles. 2. Determinar el tipo de mantenimiento necesario. 3. Si se necesita un instrumento nuevo, se puede instalar con la dirección y la configuración correcta antes de entrar al campo. Reemplace el instrumento y después enchúfelo y úselo.

Departamento de ingeniería de procesos Tradicionalmente, los ingenieros de procesos dejaban los instrumentos para los técnicos y se concentraban sólo en la variable de proceso. Ahora que tiene el software de configuración/ diagnóstico del instrumento, el personal debería aprovecharlo y usar la nueva información disponible en el instrumento a través de PROFIBUS. En vez de tener que examinar una sola variable, PROFIBUS ofrece muchas otras para ayudar al ingeniero a analizar el proceso: • temperatura electrónica interna del instrumento • conocimiento de la confiabilidad de la variable del proceso • diagnóstico específico del dispositivo.

119


Si la temperatura interna del instrumento está aumentando, es o un problema de mantenimiento debido al cual el dispositivo está por fallar, o algo anda mal con el proceso y se está generando más calor de lo normal. Esto representa información nueva para el ingeniero de procesos y posee un potencial muy valioso. Conocer la confiabilidad de la variable de proceso también es información nueva para el ingeniero y puede indicar cambios en el proceso.

Para las pruebas de campo3 de las sondas SITRANS LU (Nivel Ultrasónico) en PROFIBUS PA, instalamos varias de ellas en diferentes lugares de una planta de tratamiento de aguas residuales. Yo configuré un código en el PLC para registrar cualquier cambio en el byte de estado. Cuando apareció un estado de no-OK, el programa utilizó comunicación acíclica para registrar todos los mensajes de diagnóstico. Un viernes, revisaba los datos y vi que una de las sondas LU había perdido su eco durante diez minutos el jueves a las 3:15 pm. En las otras variables de proceso de otras unidades vi que los niveles habían comenzado a elevarse justo antes del problema de procesamiento del eco. La unidad con el problema salió a la luz en un enlace de desbordamiento. Por la información meteorológica supe que el jueves a las 3 pm hubo una tormenta fuerte. Esto causó un gran influjo de agua en el enlace de desbordamiento que generó turbulencias y evitó que la sonda LU mantuviera el eco correcto y por ende lo perdió. No hubiéramos podido ver esto con un instrumento 4-20 mA, pero la unidad PROFIBUS nos dio información extra. En este caso, el hecho de un desbordamiento durante una tormenta y la turbulencia resultante no le agregan mucho valor al operador de la planta de tratamiento de aguas. Pero es simple ver que este tipo de información es útil en otras aplicaciones y ciertamente ofrece una visión diferente del proceso.

3 Powell, James. “Examining Field Instruments under the Fieldbus Microscope.” Control Engineering Europe, septiembre 2007.

120


En general, el instrumento ofrece al ingeniero de proceso mucha información adicional no disponible en 4-20 mA. El desafío del ingeniero de procesos y del empleado es cambiar los procedimientos para usar esta información nueva.

Hacer que los ingenieros de procesos evalúen información adicional y diagnósticos en los instrumentos para tener un mejor panorama del proceso es un territorio desconocido para la mayoría de las empresas. Sin embargo, las mejoras en el proceso y la reducción de costos son increíbles. Capacitar de antemano es una inversión valiosa. Usar PROFIBUS es como tener un par de anteojos nuevos que le ayudan a ver cosas que no sabía que existían, ¡inténtelo y sorpréndase!

Activos físicos Los activos físicos son los dispositivos reales que se pueden tocar. A pesar de que la gestión de activos siempre se ha basado en los dispositivos de campo, PROFIBUS y Siemens ampliaron su visión e incluyeron: • centros de control de motores • accionamientos • controladores

• dispositivos de campo • computadoras • componentes de red

121


Gestión de activos físicos Para administrar estos activos, PROFIBUS ha definido identificaciones estándar como: • • • • • • • •

nombre de etiqueta número de serie número de repuesto tipo de dispositivo fabricante versión de software versión de hardware fecha de instalación.

Con PROFIBUS, esta información valiosa es parte del software de configuración/ diagnóstico del sistema a la que puede acceder fácilmente en cualquier momento, beneficiando su mantenimiento y administración general. Cada tipo de dispositivo también tiene su propio diagnóstico, cuya complejidad dependerá de su tipo. PROFIBUS permite que el dispositivo de campo comunique estos diagnósticos nuevamente al usuario en pasos graduales. Profile 3.01 define cuatro estados para el diagnóstico: • • • •

bueno mantenimiento requerido mantenimiento obligatorio alarma de mantenimiento

Desgaste

Alarma 1

Alarma 2

100%

Límite 2 ajustable Límite 1 ajustable

0%

Bueno

Solicitud de Mantenimantenimiento miento obligatorio

Crítica Tiempo para planificar tareas de mantenimiento

Ajustable

122

Ajustable

Alarma de mantenimiento

Tiempo


Bueno: todo está bien. Solicitud de mantenimiento: un problema está surgiendo, el personal de mantenimiento debería revisarlo dentro de un período de tiempo definido. Mantenimiento obligatorio: el problema está empeorando, el personal de mantenimiento debe atenderlo de inmediato antes de que el dispositivo falle. Alarma de mantenimiento: requiere una acción inmediata. El problema ha causado que el dispositivo ya no funcione correctamente. La variable del proceso ya no es válida. Si todos los diagnósticos en un dispositivo de campo están en estado bueno, entonces el byte de estado condensado afirma Bueno. Sino, se informa del estado peor vía byte de estado condensado. Algunos diagnósticos usan los cuatro estados. Por ejemplo, se puede configurar una alarma de derrame en un posicionador de válvula para avisarle al usuario que requiere mantenimiento cuando el derrame calculado alcance cierto valor. Se exige mantenimiento en otro valor y suena la alarma de mantenimiento en un tercer valor. Definir estos valores depende del usuario (aunque tiene valores predeterminados). Otro tipo de diagnóstico utiliza dos estados. Por ejemplo, una alarma de falla tiene dos estados posibles:

1. dispositivo ok. 2. alarma de mantenimiento.

Nuevo diagnóstico para instrumentos de campo PROFIBUS es un facilitador de diagnóstico avanzado porque permite la comunicación con el usuario en caso de un diagnóstico crítico en los dispositivos de procesos.

Diagnóstico de dispositivos: transmisores de nivel, temperatura, flujo y presión Los transmisores de nivel, temperatura, flujo y presión ofrecen la siguiente información: • monitoreo continuo de la confiabilidad de la variable del proceso (PV) • información detallada sobre por qué no puede procesar la PV • temperatura electrónica interna. El byte de estado indica que la PV es confiable, y si el instrumento tiene dificultades para determinar el valor, puede ser o un problema de confi123


guración o del proceso. En ambos casos, el software de configuración/ diagnóstico le da información detallada sobre lo que está pasando y le ofrece una guía sobre cómo arreglarlo >>Alarma de mantenimiento<< –Pérdida de eco El dispositivo no pudo obtener una medición dentro del período del Failsafe Timer. Causas posibles:instalación defectuosa, acumulación de material y/o presencia de espuma. ➡Asegúrese de que los detalles de instalación sean los correctos. Asegúrese de que no haya acumulación de material. Ajuste las condiciones del proceso para minimizar la espuma. Si el problema persiste, contáctese con su representante Siemens local.

La capacidad de monitorear la temperatura electrónica interna es una herramienta de diagnóstico valiosa, cuyo objetivo principal es dar una alerta de falla del instrumento. No obstante, también ofrece información adicional del proceso y el efecto que tiene en los instrumentos. La observación periódica de esta variable le permite evaluar el calentamiento del instrumento, y si hay cambios o tendencias, ofreciéndole alertas tempranas de un problema en el proceso si la temperatura varía de su nivel normal. También le advertirá a mantenimiento si la temperatura excede la especificada en el instrumento. La vida útil de los instrumentos se puede extender al instalar escudos de calor o ventiladores que reducirán la temperatura operativa.

Diagnóstico de dispositivos y posicionadores de válvula Los posicionadores5 de válvula ofrecen la misma información que el nivel, la temperatura, el flujo y la presión, y agregan lo siguiente: • • • • •

prueba de carrera parcial • desviación del punto de ajuste • pérdidas en el actuador • adherencia • banda muerta

desgaste del asiento de la válvula cantidad de carreras cantidad de cambios de dirección posición promedio de la válvula

Contar con esta información de diagnóstico implica datos valiosos sobre las válvulas y el proceso para el personal de mantenimiento y los ingenieros. El mantenimiento puede determinar el esfuerzo y el desgaste de la válvula: cuanto más se mueva, más se desgasta. Los ingenieros llegan entonces a sus propias conclusiones sobre el proceso: si la válvula no se mueve mucho o permanece dentro de un valor más tiempo del que debería, quizás dicha válvula no sea del tamaño adecuado allí. Sin embargo, si una válvula tiene una gran cantidad de ciclos o cambia de dirección, el lazo de control quizás requiera ajuste.

5 La cantidad de información varía según el proveedor. En los últimos años, Siemens ha hecho grandes inversiones para mejorar y esclarecer los mensajes de diagnóstico en la mayoría de los instrumentos.

124


Las alarmas por pérdidas alertan al departamento de mantenimiento de una pérdida de aire en el actuador que afecta al rendimiento de la válvula, sin mencionar el costo que genera esa pérdida de aire. Tomar conciencia del problema y su alcance es el primer paso para solucionar el problema. Los datos sobre pegado o adhesión que muestran la resistencia al movimiento de una válvula/actuador ayudarán a decidir cuándo se necesita mantenimiento, y le indican al ingeniero de proceso una posible causa de pérdida de calidad. El posicionador determina los valores de adhesión y de banda muerta en relación a la auto-calibración. La prueba de carrera parcial se puede utilizar para medir el rendimiento de la válvula. La válvula se mueve dentro de un valor definido por el usuario y se mide la respuesta. Al comparar esta respuesta con una respuesta básica, el rendimiento de la válvula se rastrea en el tiempo y se mide el deterioro. El usuario define cuán a menudo realizar esta prueba y cuándo recibir una notificación. NOTA: en aplicaciones de seguridad donde la válvula sólo se cierra en caso de emergencia, los posicionadores de válvula también se pueden utilizar en las de tipo ON/OFF. Como medida preventiva para los sistemas de seguridad, las válvulas se mueven ocasionalmente sólo un poco con estos beneficios: • reafirmación de que la válvula operará en una emergencia y que se cerrará • alerta avanzada de un válvula fallida.

Los diagnósticos de válvula diseñados para mantenimiento preventivo son los instrumentos más maravillosos hoy en día. Un consultor con el que trabajaba tenía un proyecto cuyo sistema de control costaba 100.000 libras, pero las válvulas del proyecto costarían más de 400.000. Estas válvulas se desgastan y se deben reemplazar, aunque algunas durarán muchos años, otras no durarán ni un año. Cuanto más se anticipe la vida útil y se optimice su uso antes de reemplazarlas, más dinero se ahorra. Dado el costo capital, ¡la oportunidad para ahorrar dinero es más que significativa!

125


Impactos y beneficios para el usuario final Con PROFIBUS es mucho más simple alinear los activos humanos, virtuales y físicos de la empresa para maximizar su retorno. ARC llama a este nuevo entorno la planta digital6 y lo considera una estrategia para la excelencia en la gestión de activos. Los beneficios de los procesos nuevos se esclarecen cuando se evalúa el impacto en: • la puesta en marcha • el mantenimiento • las operaciones.

Impacto en la puesta en marcha El primer paso que el ingeniero debe dar en la puesta en marcha de un dispositivo de campo nuevo es determinar en qué lugar de la red colocarlo. Se modifican los planos y luego, cuando llega el dispositivo, se tiende el cable. El dispositivo primero se enciende en el banco de pruebas y luego se conecta al software de configuración/ diagnóstico. Aquí, el técnico de mantenimiento establece el nombre de la etiqueta y la dirección de bus, y hasta puede configurar el dispositivo según la aplicación. Después se realiza la instalación del dispositivo de campo y se conecta al bus. Luego de ello, todo se hace a través de la red ya que el dispositivo se configura y el sistema de control se verifica vía función de simulación del dispositivo. Cuando se configura un dispositivo de campo, el personal de mantenimiento sabe que debe configurar el bloque de entrada analógica y el bloque transductor para un transmisor, y un bloque de salida analógica y un bloque transductor para un actuador. El bloque entrada analógica es el mismo para todos los transmisores (nivel, presión, temperatura, flujo). El bloque de salida analógica es el mismo para todos los actuadores. El escalamiento se hace en un sólo lugar, el dispositivo, y no se necesita verificar que el escalamiento del controlador y del HMI coincidan. Los bloques transductor serán los mismos para el mismo tipo de dispositivo. Esto hace que pasar de dispositivo a dispositivo sea más sencillo, ya que ahorra tiempo en leer manuales y comete menos errores. Luego de instalar el dispositivo de campo, el último paso es cargar todos los parámetros en el software de configuración/ diagnóstico para crear un registro permanente.

6 Snitkin, Sid. Asset Lifecycle Management – A New Perspective on the Challenges and Opportunities. julio 2008. p. 23.

126


En este registro habrá información importante del dispositivo como: • número de repuesto • versión de software • versión de hardware

• número de serie • fecha de puesta en marcha

Esta información ahora es parte del sistema y no se debe registrar por separado. La experiencia ha demostrado que este proceso es muy rápido y elimina o reduce muchos de los pasos que demoraban a los 4-20 mA. • Se reduce la cantidad de cambios necesarios en los planos porque los cables no regresan a la sala de control. • Se requiere menos cables porque el nuevo tendido sólo debe regresar a la caja de empalme, reduciendo los costos de instalación. • Se requiere menos electricistas y menos tiempo. • No hay que lidiar con diferencias grandes entre los dispositivos. • No hay que ir hasta el dispositivo para ponerlo en marcha. • No hay que ir hasta el dispositivo para hacer una simulación en el sistema de control. • No hay que verificar que el escalamiento del dispositivo coincida con el del controlador y el HMI. • No hay que registrar a mano la información del dispositivo. Al eliminar todos estos pasos de la puesta en marcha del instrumento, se reducen los costos significativamente. Este estudio de ARC7 cita una reducción del 14,8% en los costos de ingeniería y del 23,5% en cableado. Un estudio de FuRIOS8 con ejemplos reales, identifica un ahorro de 338 Euros por punto para bus de campo en comparación con E/S remotas.

Impacto en el mantenimiento El personal de mantenimiento ahora tiene más control que nunca, comienza el día mirando la pantalla de mantenimiento del HMI y determina: • qué dispositivo, si es que lo hay, requiere atención inmediata • los dispositivos que se pueden examinar más tarde • determinar el tiempo de mantenimiento óptimo de los instrumentos que sólo necesitan una evaluación periódica.

Humphrey, David. The Value Proposition of PROFIBUS in the Hybrid Industries. ARC, mayo 2004. Litz, Dr. Lothar, Ed. FuRIOS 2 (Fieldbus is Ready for Practical use). Universidad Técnica Kaiserslautern, marzo2005. 7

8

127


El tiempo de mantenimiento luego se divide en estas tres actividades con sólo el problema de una emergencia reactiva ocasional. Además, cuando hay que investigar un instrumento, el primer paso no es ir hasta él, simplemente se conecta con el instrumento a través de la red y el instrumento indica el problema e incluso, una solución posible. Es más, desde que el estándar PROFIBUS ofrece uniformidad entre diferentes dispositivos y diferentes fabricantes, es más fácil pasar de un dispositivo a otro. PROFIBUS contribuye a un cambio significativo del mantenimiento reactivo, donde se espera a que algo se rompa para arreglarlo. Hay tres tipos de mantenimiento:

El mantenimiento predictivo reduce el costo total de mantenimiento en un 10%, en comparación con el mantenimiento reactivo.

• Reactivo: esperar a que algo se rompa antes de arreglarlo. • Preventivo: usar un análisis estadístico para determinar cuando algo quizás falle, y luego arreglarlo antes de que ocurra. Así, si el patrón estadístico indica que una válvula necesita mantenimiento cada seis meses, se puede programar una reparación preventiva cada cinco meses, evitando tiempos de parada no programados. • Predictivo: utiliza la inteligencia del dispositivo de campo para estimar cuándo algo fallará y hacer que el dispositivo envíe una notificación9. El mantenimiento predictivo requiere comunicación de dos vías para que se le pueda decir al dispositivo qué buscar y que luego este responda cuando lo ha encontrado. Entonces, un posicionador de válvula monitorea su propia firma de válvula y luego avisa al usuario que la válvula debe remplazarse. El mantenimiento predictivo genera mucho interés en la industria ya que reduce los costos significativamente. Los instrumentos hoy en día tienen la inteligencia necesaria para predecir cuándo se necesita mantenimiento. Sin embargo, saber que algo ocurrirá no es útil a menos que se lo pueda comunicar al sistema de control. Aquí es donde aparece PROFIBUS. Los instrumentos de campo tienen la capacidad para avisarle al sistema de control que algo anda mal, y además el estándar PROFIBUS tiene incorporado tres niveles de alarma que soportan un mantenimiento predictivo completo: • mantenimiento requerido • mantenimiento obligatorio • alarma de mantenimiento. Con los instrumentos 4-20 mA, si hay algún problema con un instrumento, sólo se indica cuando pasa algo más: el tanque rebalsa o el producto final no pasa el control de calidad, por ejemplo. Cuando esto 9 Las estimaciones dicen que el mantenimiento predictivo reduce el costo total de mantenimiento en un 10%, en comparación con el mantenimiento reactivo. The Value proposition of PROFIBUS in the Process Industries. Investigación ARC, abril 2005, p.12.

128


ocurre, la urgencia del problema es muy grande y está el problema adicional de la limpieza. En el mundo PROFIBUS, el conocimiento de antemano da tiempo a reaccionar para evitar: • accidentes • malos productos • tiempos de parada (pérdidas de producción) Calcular los costos es difícil ya que variará según la aplicación e incluso de año en año, pero los costos se consideran altos. Al usar una solución PROFIBUS en vez de 4-20 mA, el usuario notará una reducción en: • el costo total de mantenimiento porque evitará el mantenimiento reactivo • los posibles accidentes, productos malos y pérdidas de producción • el tiempo de resolución de los problemas porque ahora el personal de mantenimiento: • se conecta con el instrumento a través de la red • obtiene un diagnóstico detallado del dispositivo de campo • no tiene tantos problemas cuando trabaja con instrumentos de muchos proveedores.

Trabajé en una planta de procesos durante su puesta en marcha. Tuve que verificar que el escalamiento de los dispositivos de campo coincidiera con el de los controladores y el de las HMI. Fue un trabajo enorme que llevó mucho tiempo. A los seis meses de iniciada la producción, aún hallábamos problemas de escalamiento. Es más, apuesto a que aún hay errores en algunas de las variables. En un sistema grande, es difícil lograr que todo el escalamiento coincida y virtualmente imposible mantenerlo así, sólo necesita que una persona haga una corrección mínima en un instrumento y se olvide de hacer la misma corrección en el controlador y el HMI. En un sistema PROFIBUS, el escalamiento se hace en el dispositivo de campo y luego se transfiere, por lo que no hay posibilidades de cometer errores en los valores de escalamiento. Esto significa que los operadores verán los valores correctos.

129


Impacto en las operaciones Las operaciones son las primeras que se beneficiarán de las mejoras en el mantenimiento y de la información adicional. Cuando un operador comienza a trabajar con un sistema PROFIBUS, lo primero que debe notar es que hay datos más precisos. Esta mayor precisión es gracias a que la señal digital del dispositivo de campo no se traduce a 4-20 mA y después nuevamente a señal digital, sólo permanece como señal digital, sin conversiones. Además, evita la posibilidad de cometer un error de escalamiento, garantizándole al operador los valores correctos. Tradicionalmente, los operadores monitorean los valores en las pantallas, hacen las cuentas en su cabeza y verifican que todo tenga sentido. Esto se hace todo el tiempo en las plantas 4-20 mA, y es como se hallan los problemas más a menudo. La frase más común es "el valor X no tiene sentido, algo anda mal ahí..." Con PROFIBUS, el valor de estado le dice al operador si el valor es confiable, acelerando el proceso de pensar si algo anda mal. El operador no espera a ver si los otros valores no coinciden con el problema uno. Un sistema PROFIBUS elimina la necesidad de tener un operador con este nivel de experiencia al ya darle la información del error. Al usar PROFIBUS en vez de 4-20 mA, el usuario tendrá: • mayor precisión • menor dependencia en la experiencia del operador para detectar problemas • detección de problemas más rápida. Además, el ingeniero de proceso tiene información nueva para trabajar, y cómo usar esta información para mejorar el proceso es un área nueva por explotar en todo su potencial.

Próxima parada del BUS: Resolución de problemas. La próxima parada será verificar el estado de la red y determinar cómo solucionar sus problemas.

130

Capítulo Ocho

Verificación del funcionamiento de la red y resolución de problemas Las perspectivas del participante están opacadas, mientras que las del espectador están muy claras.1 La tarea principal de este capítulo es asegurarnos de que la red opere según su diseño y cubra las necesidades del cliente, así que bajémonos del bus en esta última parada para verificar el estado de la red y resolver los problemas. Las verificaciones de estado de la red nos aseguran de que esté funcionando y sin errores, y nos indican los problemas que afectan a la comunicación.2 Muchas de las redes del mercado como Modbus RTU o DeviceNet son delicadas, por decirlo de alguna forma, y si falla una sola cosa, simplemente no funcionan. PROFIBUS es muy diferente en este aspecto. Es una red muy robusta, entonces muchas cosas pueden andar mal y aún así funcionar. Sin embargo, es un arma de doble filo ya que los problemas no siempre son del todo visibles. Resolver los problemas exitosamente requiere dar un paso atrás y hacer un análisis holístico de la red para definir las causas individuales del problema.

La ruta del BUS Este bus hace las siguientes paradas: • Problemas de red • Herramientas • Procedimientos para resolver problemas • Un ejemplo práctico.

Proverbio chino. Partes de este capítulo también se pueden encontrar en estos artículos: Powell, James. A Guide to Troubleshooting PROFIBUS PA Networks. Nota Técnica PTO (www.us.profibus.com), 2005. James Powell. Troubleshooting PROFIBUS PA – A Practical example. PROFIBUS UK Conference proceedings, 2008. 1 2

131

Capítulo 8: Verificación de estado y resolución de problemas de la red

Problemas de red La mayoría de las veces que me contrataron para resolver problemas de redes PROFIBUS, las redes estaban en funcionamiento. Es decir, había comunicación, había errores, pero el sistema seguía intercambiando datos y, en términos generales, funcionaba. ¡IMPORTANTE! El hecho de que una red esté funcionando no implica que no haya problemas.

Orígenes comunes • Defectos de diseño y de instalación. • Configuración/ instalación inadecuada de los dispositivos de campo. • Problemas en la aplicación. A primera vista, todos estos problemas tienen un efecto similar en la red. Entonces si la luz roja parpadea en un módulo PROFIBUS DP/A Link en el panel de una planta de procesos, puede ser por varios motivos: • los problemas de diseño e instalación hacen que un esclavo se desconecte de la red • la configuración inadecuada de un dispositivo de campo devuelve un byte de estado defectuoso • la situación de la aplicación está afectando al dispositivo de campo y no puede procesar la variable primaria correctamente, entonces devuelve un byte de estado defectuoso • dispositivo en mal estado/defectuoso. Además, el problema a menudo es intermitente, entonces la luz roja en los enlaces y los controladores no será constante. Por ende, según en qué momento el usuario vea el panel, el problema hasta quizás ni se visualice. Pregunta: ¿Cuáles son las tres causas más comunes de los problemas de red? Respuestas:

1. Cableado 2. Cableado 3. Cableado

132


He investigado varias redes no porque el cliente se quejaba de ella, sino porque se quejaba de algún tipo de problema en un proceso o en un dispositivo. También he oído este tipo de afirmaciones: "El sistema está funcionando bien, pero debe haber algún problema de ajuste con el proceso porque bastante seguido dos de las bombas se apagan sin motivo aparente". Luego de examinar la tabla de fallas del controlador era evidente que las bombas se apagaban porque el dispositivo se había desconectado de la red y se había reconectado unos minutos después.

Más del 90% de los problemas de red se pueden rastrear en la capa física.

La capa física, el cableado, es el origen más común de los problemas. Una red es como el cableado de un hogar, si no se hace correctamente, los electrodomésticos no funcionan, o peor, ocurren inundaciones, incendios o accidentes. El origen de las dificultades de una red PROFIBUS se puede dividir en dos grandes áreas:

1. Problemas en la capa física: • • • • • •

terminación en mal estado o inexistente demasiadas terminaciones malas conexiones mala puesta a tierra no hay suficiente energía la red es demasiado larga.

2. Problemas en los dispositivos: • configuración incorrecta, problemas en la aplicación, un sensor mal utilizado o mal instalado • dispositivo en mal estado • implementación deficiente de PROFIBUS PA en el firmware y en el hardware del dispositivo.

Problemas en la capa física Terminaciones en mal estado o inexistentes: una terminación en mal estado significa que hay algo eléctricamente erróneo en los terminadores de red: o un componente que falla o un cortocircuito. A pesar de que los terminadores para PROFIBUS PA y DP

133


son componentes bastante simples y pocas veces algo falla con ellos, a veces puede ocurrir. Los terminadores en mal estado o inexistentes causan errores y para PROFIBUS DP, el efecto posterior dependerá de la velocidad de transmisión y de la distancia. Cuando la velocidad de transmisión y la distancia son cortas, la red sigue funcionando aún si hay errores. Con velocidades de transmisión y/o distancias mayores, la red quizás no funcione. Para PROFIBUS PA, es un estado obligatorio: sin terminadores no hay comunicación. En los casos donde hay un sólo terminador y una red pequeña, seguramente funcione, aunque quizás haya errores de bit. Demasiadas terminaciones: al igual que en la vida, tener demasiadas cosas buenas no es bueno, lo mismo ocurre con los terminadores para DP y PA. • PROFIBUS DP: demasiados terminadores por lo general desconectarán parte de la red porque la fuente común de terminación adicional es el conector DB-9 con un pequeño interruptor de terminación. Cuando el interruptor se enciende, corta la línea de salida, sacándola de la red. Este es un problema bastante común para las redes PROFIBUS DP. • PROFIBUS PA: demasiados terminadores simularán una red más larga al reducir su forma de onda a una similar a la de una red mucho más larga. En redes cortas, el sistema seguirá funcionando. Sin embargo, en redes de comunicación largas, el resultado natural son los problemas.

¡Una conexión desajustada es un problema sorprendentemente común!

134

Malas conexiones: normalmente, una conexión mala es una conexión desajustada, y este problema común tiene una solución simple: ajustar el conector. En ocasiones, el conector puede tener una falla mecánica, pero es muy poco habitual. Mala puesta a tierra: una mala puesta a tierra puede generar ruidos eléctricos inducidos en los buses de comunicación y en los dispositivos de campo, generando un mal funcionamiento de los dispositivos y del bus. La puesta a tierra eléctrica se aplica a toda la planta, e incluye tanto la red de comunicación como todos los dispositivos conectados o no al bus. Por ejemplo, si los instrumentos de campo y PROFIBUS poseen una buena puesta a tierra, pero el accionamiento de frecuencia variable no, la red tendrá problemas. Los problemas de puesta a tierra son a menudo frustrantes porque son intermitentes, por ende, difíciles de identificar, y resolverlos requiere mucha persistencia. Vea en el Capítulo Cuatro las prácticas recomendadas de puesta a tierra para PROFIBUS.


No hay suficiente energía: este problema ocurre siempre en PROFIBUS PA cuando un dispositivo requiere un mínimo de 9 V CC para encenderse. Aunque el dispositivo se puede encender con una tensión menor, finalmente se apagará, si es que se enciende en un primer momento. La baja tensión ocurre porque: • la red es muy larga • hay demasiados dispositivos • se eligió el cable erróneo. La red es muy larga: este problema de diseño viola los límites físicos de la red, tanto de ROFIBUS DP como PA, generando un alto índice de errores y pérdida de mensajes.

Problemas en los dispositivos Aunque no son tan comunes como los problemas en la capa física, las dificultades en el rendimiento del dispositivo también perturban. Generalmente, los problemas en los dispositivos de red son el resultado de cómo se diseñaron y se configuraron. NOTA: los problemas en los dispositivos y en la capa física pueden generar solicitudes de diagnóstico que en apariencia son iguales. Cada una presenta un problema de diagnóstico para ser resuelto. Configuración incorrecta, problemas en la aplicación, un sensor mal utilizado o mal instalado: si un dispositivo de campo no está configurado correctamente para la aplicación o si hay algún otro problema, tendrá dificultades para determinar la variable del proceso. El byte de estado para el esclavo PROFIBUS PA será no-OK, haciendo parpadear las luces rojas del módulo PROFIBUS DP/PA Link. El esclavo también le avisará al maestro que lea el diagnóstico extendido. A primera vista, lo que se ve en el controlador es el registro de una solicitud de diagnóstico y las omnipresentes luces rojas. Hasta que se decodifica el mensaje de diagnóstico, parece un problema de la capa física; un conector malo que genera errores de bit intermitentes puede generar una secuencia de eventos similar. Dispositivo en mal estado: es un dispositivo que ha fallado total o parcialmente. Si un dispositivo ha fallado totalmente, no aparecerá en la red. Un dispositivo en mal estado quizás arrastre a toda la red con él, según el tipo de falla. Los dispositivos PROFIBUS DP y PA están diseñados para que esto no ocurra. Sin embargo, dadas las limitaciones de la electrónica, una falla es siempre posible.

135


Mala implementación de PROFIBUS PA en dispositivos: es cuando los diseñadores de dispositivos no han hecho un buen trabajo y simplemente no funciona bien. Pero, utilizar dispositivos y maestros con certificación PROFIBUS elimina el problema. Los nuevos usuarios de PROFIBUS PA presentan a menudo esta queja al servicio técnico la primera vez que instalan el instrumento. Ellos afirman que luego de agregar el dispositivo, parpadean las luces rojas en el módulo de enlace cuando la dirección está bien configurada. Primero pregunto por el byte de estado, y la respuesta más común es "¿Qué byte de estado?" Luego les pregunto por la configuración del dispositivo de campo y por lo general responden que no lo han configurado. Estos llamados al soporte técnico reflejan simplemente la falta de formación técnica. Cuando el usuario sabe que los instrumentos se deben configurar, todo sale bien. Las luces se encienden para que la luz roja se apague.

Herramientas Esto es lo que se necesita para resolver los problemas PROFIBUS eficientemente o para verificar que la red esté funcionando bien: • destornillador • multímetro • documentación PROFIBUS (además de este libro, en la sección de referencias hay una lista de documentos muy útiles) • software de configuración/resolución de problemas del dispositivo de campo (por ej. SIMATIC PDM o similar) • monitor de bus PROFIBUS • tester de bus PROFIBUS DP y PROFIBUS PA • osciloscopio (10 MHz o mayor para PA, 200 MHz o mayor para DP). Destornillador: para verificar que todas las conexiones estén ajustadas. Multímetro: para verificaciones de continuidad de los cables, también para ver que los dispositivos PROFIBUS PA tengan más de 9 V. Documentación PROFIBUS: la información correcta es la clave de una red exitosa y PROFIBUS no es la excepción, use los últimos lineamientos y respételos.

136


Software de configuración/ parametrización de dispositivos de campo: aunque un problema en un dispositivo puede parecerse uno de red, las herramientas de software para configuración/ diagnóstico como SIMATIC PDM esclarecen la situación rápida y fácilmente. El software de configuración/ diagnóstico da acceso a cada uno de los dispositivos de campo, así el usuario puede verificar la operación y descubrir los problemas. Monitor de bus PROFIBUS: es esencial tener un buen monitor de bus PROFIBUS para verificar que todo esté funcionando correctamente. Osciloscopio y tester de bus PROFIBUS DP y PA: un osciloscopio se usa para DP y PA para descubrir muchas cosas sobre la capa física. Hasta ahora, los tester de bus para PROFIBUS vienen en dos versiones: una para DP y otra para PA. Los tester de bus evalúan las características de la red, arrojando un mensaje claro sobre ellas. Los osciloscopios y los tester de bus hacen lo mismo. Los tester son magníficos para un primer vistazo a la red y para principiantes e intermedios, dando mensajes de OK en una red buena, y mensajes MALOS en una red mala. Sin embargo, una red que está entre buena y mala puede representar un problema para el tester porque puede arrojar una mala lectura. Pero los osciloscopios ofrecen una imagen de la forma de onda. Un usuario experimentado obtiene mucha información y determina no sólo si la red está bien o mal, sino también si hay un problema intermedio.

Procedimientos para resolver problemas Lista de verificación:

1. Verificar que la red no tenga errores. a. Confirmar que todas las estaciones configuradas estén intercambiando datos. b. Verificar los bytes de estado. c. Verificar el búfer de diagnóstico del controlador. d. Usar un monitor de bus para verificar que no haya errores. 2. Verificar la capa física. a. Usar un tester de bus y/o un osciloscopio. b. Revisar la instalación física (todos los cables y conexiones)

A menudo es posible hacer más de un paso por vez. A veces un monitor de bus y un osciloscopio se pueden conectar simultáneamente.

Verificar que la red no tenga errores. La forma rápida para determinar que la red no tenga errores es conectar un buen monitor de bus. Sin embargo, en los párrafos siguientes describiremos varias tareas que se hacen antes que le indicarán el estado de la red. Estas verificaciones adicionales también son muy útiles cuando no hay un monitor de bus.

137


Confirmar que todas las estaciones configuradas estén intercambiando datos: este proceso depende en gran medida del tipo de sistema que se utiliza. Si usa Step 7 o un sistema PCS7 de Siemens, al conectarse con el programa Hardware Config obtendrá una lista de todos los dispositivos que están intercambiando datos y cuáles tienen errores. Otros sistemas poseen programas similares. Si falta un dispositivo... • Verifique si el dispositivo se ha instalado. • Verifique que tenga energía (para PROFIBUS PA, asegúrese de que la tensión sea mayor a 9 V). • ¿La dirección configurada es la correcta? • Use un programa de configuración para verificar el dispositivo de campo y si le puede hablar. Si el maestro tiene el archivo GDS incorrecto, entonces el dispositivo de campo no intercambiará datos con el maestro. Sin embargo, el programa de configuración le hablará al dispositivo y la sección de diagnóstico determinará por qué no está intercambiando datos. Verificar el byte de estado: en los dispositivos de perfil estándar PROFIBUS PA, el quinto byte del valor de retorno es el byte de estado que indica la veracidad de la variable del proceso. Si el valor es hex 8x (donde x es cualquier valor) entonces la variable del proceso está OK. Si el byte de estado es un valor hex 00, entonces no hay comunicación con ese dispositivo3, o estamos mirando en la ubicación de memoria incorrecta. Si el dispositivo da error, utilice un programa de configuración/diagnóstico como SIMATIC PDM para resolver el problema a partir de la información de diagnóstico del dispositivo. Es muy importante que todos los dispositivos posean un estado OK, ya que el estado no-OK genera una solicitud de lectura de diagnóstico para el maestro. Esta solicitud se confunde fácilmente con problemas en la capa física. Verificar el búfer de diagnóstico del controlador: utilice el búfer de diagnóstico para ver los errores de protocolo (paquetes perdidos, errores de paridad, estaciones reiteradas) o solicitudes de diagnóstico de esclavos. Los paquetes perdidos, los errores de paridad o las estaciones reiteradas indican un problema en la capa física. Los problemas en la capa física o en los dispositivos pueden generar solicitudes de diagnóstico. Tenga en cuenta que el búfer de diagnóstico puede no mostrar un panorama 3 Tenga cuidado con el software que usa para leer el byte de estado. Algunos llevan a cero automáticamente el byte de estado cuando se pierde la comunicación, otros no. Por ejemplo, SFC 14 en S7-300 o 400 lleva a cero el byte de estado; pero en un softPLC de Siemens, SFC14 no lo llevará a cero si se pierde la comunicación.

138


Haciendo soporte para PROFIBUS, muchas veces trabajé por teléfono solucionando problemas de red a distancia. El programa SIMATIC PDM LifeList es muy útil en estas situaciones. Le pido al cliente que ejecute el programa y me diga si algún dispositivo de campo indica problemas. Si un dispositivo indica problemas, el cliente hace doble clic sobre él para ejecutar el PDM y activar la pantalla de Diagnóstico del Dispositivo. Ahí podemos descubrir fácilmente el problema del dispositivo de campo. Es un proceso muy directo que me permite guiar a la persona para solucionarlo, incluso a un usuario nuevo.

completo debido a los diferentes parámetros de configuración disponibles en los maestros PROFIBUS. Un parámetro de configuración PROFIBUS especialmente significativo maneja la cantidad de reintentos y posee diferentes valores de ajuste para diferentes velocidades de transmisión y maestros. Para altas velocidades de transmisión, está ajustado en 3, lo que implica que el maestro no reportará un error hasta que no haya podido comunicarse con el esclavo tres veces seguidas. Si habla con el esclavo en el segundo intento, no habrá mensaje de error. Esta situación puede generar confusión y malas interpretaciones de la ubicación de la falla.

139


Por ejemplo, supongamos que la red tiene uno o dos reintentos en cada escaneo del bus, pero no se muestran errores porque no llegó al límite de tres. Luego se agrega un dispositivo más y el índice de reintentos llega a tres, generando un error. La conclusión inmediata, aunque incorrecta, es que el nuevo dispositivo falla, cuando, de hecho, el problema pre-existente permanece oculto. Con un monitor de bus PROFIBUS esta situación se evita porque obtiene una visión independiente de la red con todos los reintentos.

Monitor de bus PROFIBUScheck

Uso de un monitor de bus PROFIBUS: hay muchos monitores de bus PROFIBUS fáciles de usar en el mercado (por ej. ProfiTrace de Procentec y bus✓check de Softing). PROFIBUS ya tiene una antigüedad suficiente con la cual los monitores de bus pasaron de ser bastante difíciles a relativamente fáciles de usar, como ProfiTrace o bus✓check. Para los principiantes, un monitor de bus se puede utilizar para determinar: • • • • • • •

140

la velocidad de transmisión de la red quién está en el bus la cantidad de reintentos de cada estación la cantidad de respuestas malas los mensajes de diagnóstico la velocidad de intercambio de datos un método para registrar y exportar el registro de mensajes.


NOTA: un buen indicador del estado de la red es la cantidad total de reintentos. Lo ideal sería que la cantidad sea cero. Registrar y exportar mensajes es crucial para obtener un soporte técnico avanzado. La red global de soporte PROFIBUS está disponible en www.profibus.com, que también ofrece contactos regionales. Entonces, le puede enviar un archivo con un rastreo de mensajes al ingeniero de red PROFIBUS quien lo leerá para entender la situación.

Verificar la capa física La capa física es el origen más común de los errores de red, y hay dos enfoques para verificarla, cada uno con sus ventajas. Lo mejor sería usar ambos. • Utilice los diferentes equipos de diagnóstico diseñados para verificar la capa física, incluyendo acopladores de diagnóstico y tester de bus. Este enfoque es el más nuevo, y por lo general, el más fácil de usar. • El común y confiable osciloscopio. El osciloscopio es una herramienta de diagnóstico establecida, y más allá de que no tiene el enfoque de diagnóstico más moderno, le brinda al usuario experimentado mucha información valiosa. El osciloscopio funciona para PROFIBUS DP y PA.

Equipos de diagnóstico Para PROFIBUS DP: • Los repetidores de diagnóstico se usan en un sistema en funcionamiento y ofrecen información de la capa física. Algunos de los tipos de información que ofrece son: • corte de algún cable PROFIBUS • cortocircuito de uno de los conductores al blindaje • contactores desajustados • demasiados nodos en un segmento • mensajes de falla PROFIBUS. • Los tester de cable se utilizan para verificar el cable durante la puesta en marcha y, según el tipo de tester, también se pueden usar durante la fase de mantenimiento. Hay varios fabricantes que hacen este tipo de dispositivo, cada uno con diferentes características. El tipo de información que brindan es: • cortes en los cables y en el blindaje, cortocircuitos • muchos o pocos terminadores • escaneo de topología • distancias entre los nodos y el largo total del cable.

141


Para PROFIBUS PA: • Los acopladores de diagnóstico se usan en un sistema en funcionamiento y ofrecen información sobre la capa física. Hay varios fabricantes que hacen este tipo de dispositivos. Cada uno tiene diferentes características. Algunos de los tipos de información que ofrecen son: • nivel de tensión • consumo total de corriente • LifeList local • ruido en los segmentos • nivel de señal de comunicación en el dispositivo • fluctuación de señal • contador de errores, Comprobación de Redundancia Cíclica (CRC) • cantidad de errores enmarcados recibidos • lecturas del osciloscopio. • Los tester de cable y de bus verifican los cables durante la puesta en marcha y durante la fase de mantenimiento también. En el momento de la publicación, tanto Softing como MTL están haciendo un tester para cables PROFIBUS PA fácil de usar, que le ofrece lo siguiente: • nivel de señal de los dispositivos • escaneo de topología • cantidad de mensajes retransmitidos • nivel de tensión • aprobación o desaprobación general.

Osciloscopio y PROFIBUS DP Para ver la señal: • use un osciloscopio con estos requisitos mínimos: • 200 MHz • digital • dos canales • capacidad para separar los dos canales • acoplamiento CC • canal uno: Línea A a tierra • canal dos: Línea B a tierra • monitor 2-1.

142


Pequeña red PROFIBUS DP funcionando a 1,5 meg con terminadores activos encendidos y funcionado correctamente.

Tensión

Señal diferencial B-A

Tiempo

Forma de onda ideal para RS-485

Tensión

Pequeña red PROFIBUS DP funcionando a 1,5 meg con terminadores activos apagados y funcionado correctamente.

143


Pequeña red PROFIBUS DP funcionando a 1,5 meg sin terminadores y con algo de comunicación

Tensión

Tensión

La forma de onda debe tener:4 • valores positivos y negativos casi iguales (dentro de 0,5 V) • una diferencia de tensión entre 4 V y 7 V • extremos superior e inferior cuadrados. Estos son algunos de los problemas más comunes y sus efectos en la forma de onda: • red muy larga: el extremo superior e inferior de la forma de onda será redondeado El documento PROFIBUS, 'Installation Recommendation for Commissioning’ No. de pedido: 8.032, tiene una muy buena sección sobre resolución de problemas en PROFIBUS DP y usando un osciloscopio. .

4

144


• falta de terminador: habrá reflejos que distorsionarán la forma de onda y/o la cancelarán según la onda estacionaria. Por lo general, la onda cuadrada se convierte en una escalera. Los ejemplos de forma de onda anteriores son de una red real. La red era muy corta, y sólo tenía dos dispositivos. Estaba configurada en 1,5 meg, y la primera forma de onda es bastante buena. Muestra algunas distorsiones, pero en general es bastante cuadrada y muy cercana a una forma de onda ideal. La segunda forma de onda muestra lo que ocurre cuando un terminador se apaga. Note cómo aumentan considerablemente las distorsiones. Como la red es corta y la carga es baja, aún hay comunicación. La tercera forma de onda muestra lo que ocurre cuando ambos terminadores se apagan. Las distorsiones aumentan aún más y la tensión entre picos también aumenta.

Osciloscopio y PROFIBUS DP Para ver la señal: • use un osciloscopio con estos requisitos mínimos: • 10 MHz o superior • digital • acoplamiento CA • 20 micro segundos/div. • 200 mili-voltios/div. • conexión de los contactos al positivo (+) y (–) negativo. NOTA: la tensión entre picos debería ser de aproximadamente 800 mV. Cuanto más larga es la red PA, más baja es la tensión entre picos. Tensión

Forma de onda ideal cuando los dispositivos se comunican (tensión entre picos aproximada 800 mV).

145


Una forma de onda con un terminador menos es muy diferente, en especial con el aumento de los niveles de tensión. Si faltaran ambos terminadores, la tensión entre picos sería aún mayor y no podría establecerse la comunicación. Forma de onda con un terminador menos.

Tensión

Las distorsiones en la parte superior e inferior de la forma de onda son producto de los reflejos. La mezcla de cables de diferentes fabricantes también puede causar este tipo de distorsión y aumentar levemente la tensión entre picos. Usar diferentes cables también genera otro problema porque el estándar IEC 61158-2 establece un rango de valores para los cables clase A. Cada fabricante elegirá un rango de valores dentro de los establecidos que no coincidirán. El estándar IEC 61158-2 permite mezclar los cables, pero no se recomienda por la generación de reflejos. Si la forma de onda está totalmente distorsionada, con tensiones entre picos considerablemente menores a 800 mV, el problema es la baja energía o mucha cantidad de dispositivos. Además, los picos extraños indican un problema o mucho ruido en el sistema. La forma de onda también indica si la capa física está funcionado bien. Si la forma de onda está bien, el problema se relaciona o con los dispositivos o con las conexiones que van a los dispositivos. Tenga en cuenta que los problemas de puesta a tierra o de ruidos pueden ser intermitentes. Por lo tanto, la forma de onda se debe controlar por un tiempo y medir en más de un punto de la red para identificar los problemas.

146


Revisión de la instalación física (DP y PA) Revisar la capa física requiere algo de labor manual, comenzando con un diagrama de red que identifique la ubicación de los dispositivos, sus direcciones y cómo están conectados. Luego viene la parte divertida, comenzando en un extremo de la red y rastreando los cables de comunicación, sección por sección, segmento por segmento, hasta el final. Verifique lo siguiente: • Conexiones mal hechas: use un destornillador para apretar todas las conexiones. (Incluso las redes que funcionan bien a menudo tienen conexiones desajustadas y este siempre debería ser el primer paso.) • Vea dónde están las terminaciones y verifique que estén ubicadas correctamente. Asegúrese de que no haya más de dos en ningún segmento. • Verifique dónde están tendidos los cables y asegúrese de que no estén cerca de los cables de energía. Este es otro problema muy común en el campo. Tender un cable de comunicación sobre un cable de energía o sujetarlos con la misma banda provocará ruidos en el cable de comunicación, por eso debe evitarse. • Vea las distancias aproximadas en el diagrama de red y verifique que coincidan con las normas de diseño.

Un ejemplo práctico. Este caso está basado en un evento real.

El sitio Esta empresa química provee productos a la industria petroquímica. Todos los instrumentos están colocados en entornos peligrosos y utilizan la característica intrínsecamente segura de PROFIBUS PA. El sitio posee un DCS APACS de Siemens con dos redes PROFIBUS DP que usan módems inalámbricos Satelline-3Asd para conectarse con 15 módulos PROFIBUS DP/PA Link, ubicados en armarios por toda la planta.

Los detalles Los módems inalámbricos usan una frecuencia habilitada para la transmisión, con capacidad de transmisión a larga distancia. Sin embargo, el entorno, con sus obstáculos y su ruido electromagnético, no favorece a la tecnología inalámbrica.

147


Cada modulo de enlace está configurado para 20 o 25 instrumentos, con unos seis a ocho instrumentos por segmento PROFIBUS PA, usando acopladores Ex PROFIBUS DP/PA. Ambas redes PROFIBUS DP están configuradas para funcionar a 9.600 baudios con parámetros de bus PROFIBUS DP especiales para los módems de radio. El límite de reintentos está configurado en cinco, un valor que el cliente había recibido de fábrica. Esta cifra es muy alta, en especial para 9.600 baudios.

La distribución de ambas redes Sala del servidor (2º piso) SIMATIC PDM

APACS + DCS PROFIBUS DP red 2

PROFIBUS DP red 1

Sala de control (1º piso)

Segmentos PA

Segmentos PA

Segmentos PA

Segmentos PA

Los problemas5 • No se puede comunicar con algunos dispositivos de campo. • Errores PROFIBUS en el DCS. • PDM a veces pierde la conexión. NOTA: el sitio seguía funcionando y todos los datos clave llegaban en segundos, cumpliendo con los requisitos del sitio.

5 Tenga en cuenta que aunque es un ejemplo real, no posee el método de cableado recomendado. Como puede ver en la foto del panel, el cableado no es muy prolijo.

148


La resolución de problemas El proceso establecido para este sitio era una variante de la descrita al comienzo de este capítulo. La resolución de problemas comenzó del lado PROFIBUS DP de la red y después continuamos con el lado PROFIBUS PA. El primer paso fue la inspección visual de ambas redes PROFIBUS DP, junto con algunos nodos PA. La inspección visual ofrece una familiarización con el sitio e información sobre las ubicaciones y las condiciones. Segmentos PROFIBUS DP: el próximo paso fue conectar el monitor de bus PROFIBUS para ambas redes DP muchas veces, haciendo rastreos y controlando el rendimiento.

Lo que ocurrió aquí fue que la inspección visual ofreció la información más significativa para ambas redes PROFIBUS DP. En la instalación, muchas de las pautas de cableado para PROFIBUS DP habían sido violadas: los tipos de cables estaban mezclados y no se utilizaban terminadores potenciados. Pero, como la red estaba funcionando a 9.600 baudios y los alambres de cobre tenían menos de 100 metros, estas violaciones tenían un impacto leve o nulo en el índice de errores. El otro problema de instalación era varias antenas mal montadas. En el momento de la instalación, seguramente no se ajustaron lo suficiente y se habían deslizado. Luego de consultar el monitor de bus PROFIBUS y de 149


evaluar los índices de reintentos en todas las estaciones, era evidente que los índices más altos eran los relacionados con las antenas desplazadas. Arreglar las antenas mejoró el rendimiento a tal punto que el DCS ya no recibió más mensaje de error PROFIBUS. Aún había reintentos, pero dado el gran ruido eléctrico y la cantidad de obstáculos en la planta química, había límites para mejorar el rendimiento de la red inalámbrica. Segmentos PROFIBUS PA: los segmentos PROFIBUS PA fueron mucho más interesantes y desafiantes. La primera fase de la investigación fue conectar un monitor de bus PROFIBUS y un osciloscopio a cada segmento PROFIBUS PA para tener un panorama de lo que estaba pasando. SIMATIC PDM verificó que cada dispositivo de campo tuviera un estado OK. Normalmente hubiéramos utilizado el DCS para verificar los bytes de estado, pero el DCS no tenía un acceso fácil en este sitio, así que era mucho más sencillo usar PDM. Como estos segmentos estaban ubicados en áreas intrínsecamente seguras, necesitábamos un permiso de trabajo en caliente antes de abrir cada armario6. Este proceso tomaba una hora por cada armario. NOTA: verificar una red grande en un área intrínsecamente segura lleva una cantidad de tiempo considerable.

Problemas descubiertos Problema uno Las formas de onda del segmento dos, con picos angulares y valles, indicaba un problema ya que no coincidía con la forma de onda ideal. La tensión entre picos era demasiado alta y los picos y valles estaban distorsionados. Aunque el monitor de bus indicaba cero reintentos y cero errores en este segmento, y todos los instrumentos funcionaban correctamente, el resultado total indicaba problemas. Que la mayoría de los segmentos tuvieran formas de onda similares, y que muchos de ellos tuvieran problemas de comunicación sugería que se requería un análisis mucho más exhaustivo. Una forma de onda ideal posee una tensión entre picos de unos 800 mV. Si falta un terminador, la tensión entre picos es de alrededor 1,5 V con distorsiones en la parte superior e inferior. Sin embargo, aumentar el tamaño de al red, reduce la tensión entre picos.

Una solicitud de trabajo en caliente implica la verificación de vapores químicos de cada área y que todo el personal involucrado sea notificado.

6

150


Tensión

La incógnita: la tensión entre picos del segmento es de más de 800 mV, dentro del rango aceptable: • la distorsión en la parte superior e inferior es similar a cuando falta un terminador en un segmento, pero requería dos terminadores • el tendido estaba 500 metros por debajo, no era lo suficiente como para causar una distorsión. Entonces, todos los requisitos para una instalación confiable aparentemente se cumplían, sin embargo, los problemas existían. La conclusión: luego de asegurarnos de que había dos terminadores en la red, pasamos a investigar el cableado. Siguiendo las especificaciones y varias pruebas en bancos de laboratorio, se determinó que el origen del problema estaba en los conectores en T y en la mezcla de los tipos de cable. En el sitio usaban conectores en T Siemens y cables PROFIBUS PA Belden. Los conectores en T Siemens son conectores vampiro diseñados para coincidir con la impedancia del cable PROFIBUS PA de Siemens. El estándar IEC 61158-2 no establece una especificación exacta para cables clase A, establece el rango. Cada proveedor fabrica dentro de ese rango, pero los cables de diferentes proveedores pueden no coincidir. Mezclar cables genera reflejos similares a los de la falta de terminador, pero en menor proporción. Este sitio tenía una innumerable cantidad de tipos de cables mezclados.

151


Pero, dado el largo modesto de su tendido de cables, mezclar los tipos no generó un problema para la comunicación. El monitor de bus confirmó esta conclusión. Si este no hubiera sido un entorno IS y si la red hubiera sido larga, el cableado habría sido un problema. La solución final habría sido desconectar los conectores en T para las cajas de empalme PROFIBUS PA.

Problema dos Esta forma de onda sugiere interferencias de los cables de alimentación o de los accionamientos de frecuencia variable en el segmento uno. La incógnita: tras rastrear los tendidos de los cables no identificamos ninguna fuente de ruidos eléctricos. La conclusión: durante el procedimiento de rastreo del cableado, los armarios que tenían los conectores en T con los conectores M12 estaban abiertos. Estos armarios no estaban correctamente sellados y goteaba agua de los conectores M12. Además, los M12 estaban conectados con sólo medio giro. Una conexión ajustada requiere un giro completo y estos conectores apenas si se tocaban. Luego de secar y ajustar los conectores, la forma de onda se limpió. Tensión

152


Problema tres El segmento uno también indicaba una dificultad de comunicación con un transmisor de nivel por radar Siemens (SITRANS LR250). El programa de monitor de bus PROFIBUS indicaba errores de enmarcado y mensajes ilegales. La primera conclusión fue que motivo era el ruido eléctrico de los conectores sueltos y mojados en la forma de onda.

La incógnita: una vez que se secaron y ajustaron los conectores, el problema de comunicación con SITRANS LR250 no se corrigió. La solución: los errores de enmarcado y los mensajes ilegales se pueden generar cuando dos dispositivos tienen la misma dirección. Se verificaron las direcciones de cada dispositivo de campo y descubrimos que dos de ellos tenían la misma dirección. Se cambió la dirección de uno de los dispositivos y los errores del bus desaparecieron.

Problema cuatro En el segmento diez parpadeaba la luz de alimentación del acoplador PROFIBUS DP/PA. Este parpadeo era extraño porque generalmente es verde constante. El manual del acoplador DP/PA indicaba que el segmento estaba consumiendo mucha energía, limitando la corriente y generando el parpadeo. Este segmento tenía muchos dispositivos de radar SITRANS LR250 y transmisores de temperatura SITRANS TH400, y aunque la comunicación cíclica con los dispositivos de radar funcionaba, algunos de los transmisores de temperatura habían perdido la comunicación. Los indicios sugerían que el segmento estaba sobrecargado con muchos dispositivos y que además quizás era muy largo.

153


La incógnita: el segmento no estaba sobrecargado con muchos dispositivos y no era demasiado largo. La solución: al abrir uno de los transmisores de temperatura se aclaró inmediatamente la situación: saltó agua de alrededor del sellado. La unidad tenía una instalación correcta, salvo que el extremo conductor no estaba sellado. El agua entraba por el conducto hasta llenar la carcasa del transmisor de temperatura. Muchos otros transmisores se habían instalado de la misma forma y también estaban empapados. Lo sorprendente era que aún había comunicación con todos los dispositivos de radar de este segmento y que había un total intercambio de datos. Al realizar descargas con SIMATIC PDM aparecían errores de comunicación en mensajes largos, pero considerando que varios de los instrumentos estaban bajo agua, cualquier tipo de comunicación era notable. Los instrumentos bajo agua eran los mismos que aparecían en el informe del cliente con pérdida de conexión, no era de sorprenderse. Una vez que se reemplazaron los instrumentos mojados y se sellaron correctamente los conductos, el problema desapareció.

Resumen La visita a este sitio confirma que PROFIBUS ofrece una red robusta. Los problemas de instalación debieron desconectar la red, sin embargo los operadores aún recibían los suficientes datos como para cumplir con sus requisitos de actualización.

154


La resolución de problemas sistemática es el enfoque más efectivo para los problemas de red. Pero, como lo demuestra este ejemplo, interpretar los datos requiere arte, porque el resultado de una prueba puede indicar más de un origen. • Los ruidos en la forma de onda, causados generalmente por ruidos eléctricos, también pueden tener su origen en malas conexiones e ingreso de agua. • Una forma de onda que sugiere la falta de un terminador, también puede ser causada por la mezcla de tipos de cable. • Los errores de bus o de enmarcado que usualmente se generan en una línea ruidosa, también pueden ocurrir cuando hay dos dispositivos con la misma dirección. • La sobrecarga en un segmento, a menudo como resultado de tener demasiados dispositivos, puede ser provocada por un dispositivo mojado. Al resolver problemas en una red, tenga en mente la siguiente guía del proceso y recuerde que las cosas no siempre son lo que parecen: • siempre realice una inspección física y verifique: • condiciones • conductos • conectores • dispositivos • conexiones • cables de alimentación • acopladores • puesta a tierra • siempre establezca una correlación entre direcciones y dispositivos • asegúrese de que cada segmento tenga su terminación adecuada • verifique la cantidad de dispositivos por segmento • verifique el largo del segmento y la ubicación de los repetidores • use programas de monitoreo de bus para verificar los mensajes de error • use software de configuración (por ej. SIMATIC PDM) y verifique y pruebe la respuesta de los dispositivos • use un osciloscopio para verificar que la capa física esté funcionando correctamente.

Destino final del BUS Esperamos que hayan disfrutado del viaje por este ramal del recorrido PROFIBUS. ¡Nos alegra anunciarles que su viaje por maravilloso mundo de PROFIBUS para la automatización de procesos acaba de comenzar! La próxima parada que les recomendamos es armar un pequeño sistema y adquirir algo de experiencia práctica. El mundo PROFIBUS está poblado de recursos que les recomendamos que exploren. En el Apéndice C verán una extensa lista, pero los recursos disponibles se multiplican a diario, ¡así que exploren y disfrútenlo! 155

Apéndice A: Acrónimos


156

Término

Significado

AIFB

Bloque de función de entrada analógica

AMS

Software para Gestión de Activos

DB-9

Conector de 9 pin usado para PROFIBUS DP DCS Sistema de Control Distribuido

DD

Descripción del Dispositivo (abreviación de EDD)

DP/PA Link

PROFIBUS DP a PROFIBUS PA Link

DP-V0

Primera versión de la especificación PROFIBUS

DP-V1

Primera adición a la especificación PROFIBUS: funciones agregadas para Automatización de Procesos

DP-V2

Tercera versión de la especificación PROFIBUS: funciones agregadas para Sistemas de Accionamientos

DTM

Administrador de Tipo de Dispositivo

EDD

Descripción de Dispositivo Electrónico

EDDL

Lenguaje de Descripción de Dispositivos Electrónicos

E/S

Entradas/ Salidas

FB

Bloque de Función

FDT

Herramienta de Dispositivo de Campo

FDI

Integración del Dispositivo de Campo

FF

Foundation Fieldbus

Fieldcare

Herramienta de Dispositivo de Campo Endress & Hauser

FISCO

Concepto de Bus de Campo Intrínsecamente Seguro

FNICO

Concepto de Bus de Campo No Incendiario

GSD

Datos de Sistema Generales

HART

Transductor Remoto Direccionable de Alta Velocidad

HCF

HART Communication Foundation

HMI

Interfaz Hombre-Máquina

HSE

Ethernet de Alta Velocidad

IE/PB Link

Industrial Ethernet a PROFIBUS Link

IEC

Congreso Eléctrico Internacional

IEC-61158-2

PROFIBUS PA y capa física FF


IS

Intrínsicamente Seguro

ISA

Sociedad de Instrumentación, Sistemas y Automatización

LAS

Planificador Activo de Enlace

M12

Conector atornillable para PROFIBUS PA MBP Manchester encoded, Bus Powered

MBP-IS

Manchester encoded Bus Powered, Intrínsecamente Seguro

OLM

Módulo de Enlace Óptico

OPC

OLE para Control de Procesos

OPC-UA

OLE para Control de Procesos Arquitectura Unificada

OS

Estación del Operador

PACTware

Herramienta de Dispositivo de Campo Abierta

PCS7

Sistema de Control de Procesos 7 (Sistema de Control Distribuido Siemens)

PDM

Administrador de Dispositivos del Proceso

PI

PROFIBUS International

PID

Proporcional Integral Derivativo

PLC

Controlador Lógico Programable

PROFIBUS

PROcess Field BUS

PROFIBUS DP

PROFIBUS Periféricos Descentralizados

PROFIBUS PA

PROFIBUS Automatización de Procesos

PV

Variable del Proceso

RIO

Entradas/ Salidas Remotas

RS-485

Estándar Recomendado

RS-485 IS

Forma del RS-485 Intrínsecamente Seguro

S7-300

Controlador Lógico Programable mediano Siemens

S7-400

Controlador Lógico Programable grande

SV

Variable Secundaria

TB

Bloque Transductor

TCO

Costo Total de Propiedad

157

Apéndice B: Definiciones:

Apéndice B: Definiciones Capa física: es el medio que se utiliza para lograr que los unos y los ceros vayan del punto A al punto B. Esta capa del protocolo es la que define todo sobre cables, y niveles de tensión y corriente. Datos acíclicos: datos que se leen en el canal de comunicación acíclica. Estos datos pueden requerir varios escaneos de bus para leerse. El tiempo total que lleva este proceso es aleatorio y por ende, acíclico. Datos cíclicos: los datos que se leen en cada escaneo del bus. Son los datos de entrada y de salida utilizados para control, con limitaciones de tiempo. Determinista: el conocimiento de que algo ocurrirá dentro de un período de tiempo fijo. Este es un requisito de los sistemas de control avanzados. EDD: la Descripción de los Dispositivos Electrónicos es una serie de archivos de texto que describen todos los datos acíclicos en un dispositivo de campo, y cómo leerlos y escribirlos. Los EDD los utiliza el software de configuración como SIMATIC PDM para configurar los instrumentos de campo. EDDL: el Lenguaje de Descripción de Dispositivos Electrónicos es el lenguaje en el que están escritos los EDD. EDDL es un estándar internacional definido en EC 61804-2 e IEC 61804-3. Esclavo: un tipo de dispositivo en PROFIBUS que habla con la red sólo luego de que un dispositivo maestro ha solicitado información. FDT: la Herramienta de Dispositivos de Campo es una interfaz de programa estándar (software) para configurar dispositivos de campo. La FDT utiliza el Administrador de Tipo de Dispositivo para programar los dispositivos de campo. El software FDT es una alternativa a EDD basada en software como SIMATIC DM. FDI: la Integración de Dispositivo de Campo es la evolución de las tecnologías FDT y EDD. Es para configurar dispositivos de campo y se basa en OPC-UA (OLE para Control de Procesos – Arquitectura Unificada) y tecnología EDD. Al momento de publicación, esta tecnología aún estaba en desarrollo.

158


FF: Foundation Fieldbus es un protocolo digital utilizado para configurar y resolver los problemas de los instrumentos de campo. FISCO: Concepto de Bus de Campo Intrínsecamente Seguro. Es un estándar que facilita la instalación de instrumentos con certificación FISCO en zona 0 y zonas superiores. FNICO: Concepto de Bus de Campo No Incendiario. Es un estándar similar a FISCO. Facilita la instalación de instrumentos con certificación FISCO en entornos de zona 2. GSD: los Datos Generales del Sistema (o Descripción de Esclavos Genérica) es un archivo de texto que define la información del protocolo y los datos cíclicos de un dispositivo de campo. Lo utiliza el software de configuración de red para identificar el esclavo y para configurar el intercambio de datos entre el maestro y el esclavo durante el intercambio de datos cíclicos. GSD es también el acrónimo original en alemán de Gerätestammdaten. HART: el Transductor Remoto Direccionable de Alta Velocidad es un protocolo industrial para configurar y resolver problemas de los instrumentos de campo. A menudo se lo considera la transición entre la tecnología 4-20 mA y la tecnología totalmente digital ya que utiliza ambas. IEC: el Congreso Eléctrico Internacional es una organización normativa internacional responsable de crear y mantener estándares abiertos e internacionales para su aplicación en la industria eléctrica. ISA: la Sociedad de Instrumentación, Sistemas y Automatización es una organización mundial que desarrolla estándares, certifica profesionales de la industria, ofrece educación y capacitación, publica libros y artículos técnicos y realiza conferencias y exposiciones. Intercambiabilidad: es la capacidad de pasar del dispositivo de un proveedor al dispositivo de otro proveedor de similares características. La intercambiabilidad es un beneficio clave del estándar PROFIBUS Profile. Intrínsecamente Seguro: un dispositivo intrínsecamente seguro mantiene la tensión y la corriente lo suficientemente bajas como para que no generen chispas con la energía suficientes para encender gas/partículas en la atmósfera, haciendo que su uso sea seguro. Interoperabiliodad: es la capacidad de conectar diferentes dispositivos de diferentes fabricantes en la misma red y hacer que funcionen correctamente. Es la cualidad central de PROFIBUS.

159


Maestro: un tipo de dispositivo en PROFIBUS que controla la comunicación con los dispositivos esclavo. Una red PROFIBUS puede tener varios maestros que comparten la comunicación utilizando un protocolo de red en anillo. Maestro Clase 1: un tipo de dispositivo en una red PROFIBUS y el maestro tradicional en los sistemas de control de procesos. Hace referencia al Sistema de Control Distribuido (DCS) o al Controlador Lógico Programable (PLC). Maestro Clase 2: un tipo de dispositivo en una red PROFIBUS y la estación de trabajo de ingeniería tradicional. Un ejemplo de maestro clase 2 es SIMATIC PDM MBP: Manchester encoded Bus Powered. Esta es la capa física definida en IEC 61158-2 que se usa para PROFIBUS PA. MBP-IS: es la misma capa física que MBP con el agregado de limitadores de energía en la alimentación para que el consumo de energía no exceda aquel definido para una operación intrínsecamente segura. Módem: es un dispositivo que traduce una señal de una tecnología de transmisión a otra. Por ejemplo, un módem óptico convierte una señal eléctrica en luz y luego la reconvierte. Perfil: un perfil es la estandarización de un dispositivo de campo desde el punto de vista del bus. Define la salida y los parámetros de los dispositivos centrales PROFIBUS: Process Fieldbus. Es un protocolo de comunicación de automatización diseñado para cubrir todas las necesidades de comunicación industrial y de procesos. PROFIBUS DP: DP significa Periférico Descentralizado y se diseñó para dispositivos de entrada/salida remota. Es el protocolo central de PROFIBUS. Si PROFIBUS fuera un libro, se llamaría PROFIBUS DP. PROFidrive: un capítulo del libro PROFIBUS que agrega funciones al protocolo central para aplicaciones de accionamientos de alta velocidad. PROFisafe: un capítulo del libro PROFIBUS que agrega funciones al protocolo central para aplicaciones de seguridad. PROFIBUS PA: un capítulo del libro PROFIBUS que agrega funciones al protocolo central para aplicaciones de control de procesos. PA significa Automatización de Procesos.

160


PROFINET: es un segundo libro de los mismos autores de PROFIBUS. PROFINET es un protocolo basado en Ethernet que usa muchas secciones del protocolo PROFIBUS y hace un uso óptimo de Ethernet. Protocolo: es un conjunto de normas. En la comunicación industrial, se refiere a un conjunto de normas que define cómo hacer algo. Por ejemplo, cómo llevar información del punto A al punto B. Como un conjunto de normas puede estar compuesto de muchos conjuntos de normas diferentes, un protocolo puede tener diferentes sub-protocolos. Red en anillo: es un tipo de protocolo que usa un testigo virtual que se pasa de maestro en maestro. El maestro sólo puede hablar en un bus cuando tiene el testigo. Cuando terminó de hablar en el bus, el maestro le pasa el testigo a otro maestro. TCO: el Costo Total de Propiedad es un término financiero en la gestión de activos que se refiere a todos los costos asociados a la propiedad. En la automatización de procesos, es la suma del costo del dispositivo más el costo de la puesta en marcha más el costo de mantenimiento del dispositivo. Velocidad de transmisión: la velocidad de la red en bits por segundo.

161

Apéndice C: Recursos Adicionales

Apéndice C: Recursos Adicionales Hay muchos recursos disponibles para aprender más sobre PROFIBUS. Estos son algunos de ellos:

Internet: El sitio clave para obtener información sobre PROFIBUS es www.profibus.com. Para los angloparlantes, www.us.profibus.com es también un sitio excelente. Por favor, tengan en cuenta que también hay una cantidad considerable de información errónea sobre PROFIBUS en Internet. Siempre es mejor elegir sitios conocidos como estos dos.

Formación PROFIBUS tiene una red de centros de capacitación certificados en todo el mundo. Todos estos cursos son excelentes. El sitio oficial (www.profibus.com) tiene los enlaces. Además, hay muchos cursos de capacitación no certificados. Estos usualmente los ofrecen empresas grandes como Siemens o empresas de formación independientes. Al averiguar sobre cursos no certificados, verifique las referencias y que los capacitadores sean ingenieros PROFIBUS Network certificados.

Material Impreso PROFIBUS International publica las siguientes dos guías a las que se hizo mención varias veces en este libro. Se pueden descargar de www.profibus.com o solicitarlas: Recommendation for Cabling and Assembly. PROFIBUS International, No. de pedido 8.022. Installation Recommendation for Commissioning. PROFIBUS International, No. de pedido 8.032. ISA publica el siguiente libro, que también es de nivel introductorio pero apunta a un nivel de capacitación técnica superior. Este es un excelente libro para leer después que este, porque ofrece mucha más información sobre los detalles del protocolo.

162

Apéndice C: Recursos Adicionales

Mitchell, Ronald W. PROFIBUS A pocket Guide. 2004 ISA, ISBN 1-55617862-X. Para aquellos que quieran aprender más sobre PROFIBUS y cómo funciona, los siguientes dos libros le ofrecen un conocimiento profundo: Popp, Manfred. The New Rapid Way to PROFIBUS DP from DP-V0 to DP-V2. PNO, No de pedido: 4.072. Diedrich, Ch. y Th. Bangemann. PROFIBUS PA Instrumentation Technology for the Process Industry. ISBN-13: 978-3-8356-3125-0.

163

Índice

Índice A abierto (open) 2, 8, 11, 13-14, 45, 50, 159 acíclico (ayclic) 22-26, 28, 31-32, 80- 81, 83-84, 106, 114, 120, 158 acoplador (coupler) 49-52, 55-57, 61, 63, 71, 73-76, 78, 80, 8485, 92, 153 activos físicos (physical assets) 116, 121 activos humanos (human assets) 116 activos virtuales (virtual assets) 116, 118 anillo (ring) 21-22, 24, 47, 60-62, 160 árbol (tree) 71 automatización de fábrica (factory automation) 2, 3, 10 automatización de procesos (process automation) 1- 3, 9-11, 20, 32, 34, 54, 59, 155, 161 auxiliar (spur) 51-52, 54-55, 66-67, 71-73, 75, 78, 85, 91-93, 100

B beneficios (benefits) 1, 3-5, 19, 33-34, 40-41, 70, 85, 99, 115-116, 118, 125-126 bloque (block) 3, 29-30, 33, 37-40, 156-157 bloques de entrada analógica (analog input blocks) 12, 39 bloque transductor (transducer block) 29, 38-40, 110- 112, 126 byte de estado condensado (condensed status byte) 29

C cable 73, 89, 95, 97, 141-142 cable de bajada (drop cable) 67 cableado directo (direct wire) 91, 93 164

cadena margarita (daisy chain) 67 campo (field) 1, 3, 5, 6, 10-13, 16, 22, 25- 27, 32-33, 37, 41, 49, 52, 54, 57-58, 61, 65-66, 69, 74, 76, 80-81, 84, 89, 91-93, 96, 101-104, 106-110, 112114, 119-123, 126, 128-130, 132, 134-139, 147-148, 150, 153,158-159, 161 caída de tensión (voltage drop) 74, 78 caja de empalme (junction boxes) 62, 92, 93, 100, 152 cíclico (cyclic) 22, 24, 28, 31-32, 84, 102, 106, 113-114, 153, 159 conectores (connectors) 89-94, 97, 99, 151-153, 155 conectores en T (T-connectors) 92, 151-152 controlador (controller) 1, 5, 6, 10, 12, 15, 22,26-27, 32, 39, 53, 69, 81, 83,87, 102, 104-105, 126-127, 129, 133, 135, 137138 cobre (copper) 46, 66, 149 conexión rápida (quick connect) 91-93 corriente máxima (maximum current) 51, 74

D DB-9 69, 89-91, 97, 99, 134, 156 destornillador (screwdriver) 136, 147 diagnóstico (diagnostics) 14, 16, 23, 27-28, 31,39, 59, 62, 106, 114-116, 119,121-125, 129, 141 diagnóstico acíclico (acyclic diagnostic) 28, 31 diagnóstico cíclico (cyclic diagnostics) 27 direccionamiento (addressing) 18-19, 26

Índice

distancia (distance) 35-36, 45-46, 51-53,134 distribución (lay out) 79 Distribuidor de Campo Activo (Active Field Distributor) 100 DTM 32, 101-102, 105-110 156

E EDD 32, 101-102, 105-109, 156, 158 enlace (link) 1, 10-11, 16, 43, 55-58, 61, 63, 76, 82-87, 114, 132, 135-136, 147-148 equipo de diagnóstico (diagnostic equipment) 141 escaneo del bus (bus scan) 21, 24-25, 83, 140, 158 esclavo (slave) 2, 17, 21-25, 27, 54, 56, 58-59, 61-62, 69, 71, 74, 80, 83, 92, 93, 102, 132, 135, 138-139, 159-161 esclavo-maestro (master- slave) 21, 54 estrella (star) 71-72, 94 exactitud (accuracy) 3, 5-6, 130 Excel 20, 79

F FDI 106, 109, 156, 158 fibra óptica (fiber optics) 10, 43, 46, 52, 65 Foundation Fieldbus 2, 7, 49, 105, 107, 156, 159

G gestión de activos de planta (plant asset management) 5, 7, 115116 GSD 35-36, 58-59, 101-103, 105106, 138, 156, 159

H HART 2, 13-14, 18, 105, 107-108, 110, 156, 159 HMI 5, 34, 37, 44, 110, 118-119, 126-127, 129, 156

I inalámbrico (wireless) 10, 43, 47-48, 52, 147-148, 150 infrarrojo (infrared) 47 instalación (installation) 5, 11, 34, 37, 44, 49, 70, 78, 87, 89, 91-92, 95-96, 98-100, 115, 117, 122, 124, 127, 132, 137, 147, 149, 151, 154 intercambiabilidad (interchangeability) 33, 159 interoperabilidad (interoperability) 10, 109 IP65/IP67 90

L largo total (total length) 54-55, 71, 73-74 LifeList (life list) 62, 142 línea auxiliar (spur line) 67 LR250 76-77, 104, 153

M M12 89-93, 152, 157 maestro clase uno (class one master) 22 maestro clase dos (class two master) 22 Manchester encoded Bus Powered 11, 48, 65, 160 mantenimiento (maintenance) 12, 29-31, 40, 62, 81, 115-120, 122-130, 141-142 mejores prácticas (best practice) 70, 73, 99 monitor de bus (bus monitor) 82, 114, 136-138, 140, 149-150, 152-153, 155, 165 Monitor de bus PROFIBUS (PROFIBUS bus monitor) 136138, 140, 149-150, 153 multímetro (multimeter) 136

O osciloscopio (oscilloscope) 44, 136-137, 141- 142, 145, 150, 155 165

Índice

P

S

pelado de cables (stripping wires) 97 perfiles (profiles) 11-12, 20, 22, 32-35, 37 PROFIdrive 1, 8-9, 16-17 PROFINET 1, 8, 17-20, 28, 160 PROFIsafe 1, 8-10, 14-17, 160 programar/configurar 4-20 mA (program/configure 4–20 mA) 6 protocolo (protocol) 2, 3, 7-11, 13-14, 16-17, 19-21, 27, 32-33, 45, 65, 106, 138, 159, 160-162 puesta a tierra (grounding) 46, 75, 134 puesta en marcha (commissioning) 5-6, 13, 58, 79,87, 92-93, 97, 100, 113, 116, 126-127, 129, 141-142, 161

segmento (segment) 45-46, 49, 52-53, 55-56, 58, 61-62, 66-71, 73-75, 77-79, 81, 85-86, 92, 100, 141-142, 147148, 150-155 seguridad (safety) 6, 8, 10, 12, 14-16, 18, 51, 95, 125, 160 separación de cables (cable separation) 89, 95, 97 SIMATIC PDM 14, 22, 31, 80-81, 84, 106-108, 117, 136-139, 150, 154-155, 158 simulación (simulate) 6, 127, 134 software de configuración (configuration software) 32, 36, 84, 101- 104, 106, 108-110, 113114, 155, 158-159

R radio 43, 47, 148 red en anillo (token ring) 21-22, 24, 160 redundancia (redundancy) 47, 59-61, 92, 142 reflejos (reflections) 54, 67, 72-73, 90, 144, 146, 151 regleta de bornes (terminal strips) 91-92 repetidor (repeater) 53-56, 63, 66, 69, 155 Resistencia de lazo (loop resistance) 74 RS-485 10, 12-13, 43-46, 49-50, 52-56, 60, 65-68, 143, 157

166

T tensión del acoplador (coupler voltage) 74 tester del bus (bus tester)136-137 TH400 76-77, 153 tiempo (time) 15, 21-22, 82-83, 122, 143 topologías (topologies) 16, 46, 55, 71-72 troncal (trunk) 71, 73, 75, 77, 91-92

V velocidad (speed) 2, 10, 16-17, 19, 40, 45, 49-50, 53, 55, 59, 66-67, 70, 84-87, 92-93, 101, 113, 158, 160 velocidad de actualización (update rates) 58-59, 66, 70, 80 virtual 104, 116, 118, 126, 161

Libro Profibus Int+Tapa

Recommend Documents