Fundación Fieldbus
Fundation Fieldbus es un sistema de comunicación digital, serial, bidireccional el cual interconecta los equipos de campo tales como sensores, actuadores y controladores.
Fieldbus es una red de área local para instrumentos usado en automatización de procesos con capacidad para distribuir la aplicación de control a través de la red, en la figura PC17 se puede observar este tipo de red.
Figura PC17. Red Fieldbus
Beneficios del Fieldbus
Fieldbus ofrece una serie de beneficios en cuanto a su instalación, reducción de hardware, interoperatibilidad y mantenimiento.
Instalación:
Fieldbus permite a muchos dispositivos ser conectados a un simple par alámbrico, esto resulta en menos cableado, barreras de seguridad menos intrínsecas y menos hosts, en la figura PC18 se muestra la ventaja en la instalación de la red fielbus.
Figura PC18. Ventaja de la red Fieldbus
Reducción de hardware
Fieldbus usa los bloques de funciones (funciones de automatización estandarizados) para implementar una estrategia de control. Muchas funciones de sistemas de control tales como PID (con entradas analógicas AI y salidas analógicas AO) pueden ser desempeñados por el dispositivo de campo a través del uso de bloque de funciones, es decir, estos bloques de funciones permiten la distribución de funciones en los dispositivos de campo, esta se utiliza para reducir la cantidad de I/O y equipos de control necesarios incluyendo tarjetas, cabinas y fuentes de poder, este aspecto de Fieldbus se muestra en la figura PC19.
Figura PC19. Distribución de funciones por bloques de Fieldbus
Mantenimiento:
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Herramientas de diagnóstico: existen una serie de herramientas que permiten observar las condiciones en las que se encuentra cada uno de los dispositivos conectados a los segmentos y también se puede monitorear el estado en que se encuentra cada uno de los segmentos.
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Mantenimiento Preventivo, Predictivo: El hecho de contar con una mayor cantidad de información desde los instrumentos involucrados, permite determinar la salud de los mismos y poder establecer con antelación las posibles fallas, para así prever los pasos necesarios antes de que la falla ocurra, evitando los problemas en la planta.
Interoperabilidad:
Garantiza que los dispositivos de distintos Fabricantes operan satisfactoriamente juntos en la red Fieldbus. Esta prueba la realiza Foundation a cada instrumento, una vez aprobado, queda registrado y autoriza el uso del logo en el equipo. Los sistemas se prueban pero no quedan registrados ni usan el logo Foundation. Interoperabilidad no significa intercambiabilidad ya que la funcionalidad puede ser distinta.
El modelo de comunicaciones
El modelo de las comunicaciones de Foundation Fielbus tiene tres partes, como se ilustra en la figura PC20:
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Capa Física.
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Las capas de enlace de datos y aplicación.
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La capa de usuario
Figura PC20. Partes del modelo de comunicaciones de Fieldbus
La capa física y las capas de enlace de datos y aplicación componen el stack de comunicaciones. La capa de usuario se asienta en la cima del stack y le permite al usuario interactuar con las otras capas y con otras aplicaciones en su sistema.
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Capa física:
La primera capa funcional del modelo de comunicaciones Foundation Fieldbus es la capa física, que tiene que ver con la traducción de mensajes en señales físicas sobre el hilo y viceversa.
La capa física proporciona la interfaz eléctrica común para todos los dispositivos Foundation Fieldbus. Los segmentos requieren alimentacion de 9-31 voltios DC y aproximadamente 12-20 mA de corriente por dispositivo. Operan en una velocidad de comunicación de 31.25 Kbaudios.
La capa física Foundation Fieldbus está definida por los estandares aprobados IEC 1158-2 y ANSI/ISA 50.05, parte 2. Puede correr en el cableado de campo existente sobre grandes distancias, soporta dispositivos de 2 hilos, y ofrece seguridad intrínseca como una opción.
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Capa de enlace y datos de aplicación:
La segunda parte del modelo de comunicaciones combina varias tecnologías que juntas controlan la transmisión de datos en Fieldbus.
Las capas de enlaces de datos y aplicación proporcionan una manera estándar de “empaquetar” los datos, así como de manejar el programa para la comunicación y ejecución del bloque de funciones. Estas capas permiten el control del proceso mientras proporcionan estandarización e interoperabilidad.
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Capa de usuario:
La capa de usuario se asienta encima del stack de comunicaciones, donde le permite al usuario interactuar con otras capas y otras aplicaciones.
La capa de usuario contiene bloques de recursos, bloques transductores y bloques de funciones que describen y ejecutan las capacidades del dispositivo tales como control y diagnósticos.
Configuración del sistema
La configuración del sistema Fieldbus consta de dos fases:
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Diseño del sistema: el diseño del sistema basado en Fieldbus es muy similar al diseño de los sistemas de control distribuido, con las siguientes diferencias:
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Muchos dispositivos pueden ser conectados a un mismo cable.
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Cada dispositivo sobre el bus de campo puede tener un único tag de dispositivo físico y una dirección de red correspondiente.
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Facilidad para distribuir algunos de los controles y funciones del sistema entrada/salida (I/O) hacia los dispositivos Fieldbus, así se puede reducir el número de racks montados en los controladores.
En la figura PC21 se muestra el diseño de un sistema Fieldbus.
Figura PC21. Diseño del sistema Fieldbus
2. Configuración de los dispositivos: después que el diseño del sistema es completado y los instrumentos han sido seleccionados, la configuración del dispositivo es desarrollada conectando los bloques de función de entrada y salida juntos en cada dispositivo como es requerido por la estrategia de control. Luego de que todas las conexiones de los bloques de funciones y otras configuraciones (nombre de los dispositivos, tags, números, direcciones) han sido ingresadas, la configuración de los dispositivos genera la información para poder realizar los lazos de control desde la consola central.
Tipos de cable y longitudes de segmento
La longitud de un segmento Fieldbus total depende del tipo de cable que se esté usando.
Por ejemplo: la máxima longitud de cable es de 1900 metros, si se usa cable de instrumentos típicos, pares torcidos blindados individualmente. La longitud del segmento se reduce a 200 metros si se usan solo dos hilos no trenzados y sin blindar, en la tabla PC2 se muestra la longitud del segmento permitido según el tipo de cable.
Tabla PC2. Longitud de segmento permitido según el tipo de cable.
En la figura PC22 se muestran los cables utilizados por la fundación Fieldbus:
Figura PC23. Cálculo de la longitud del segmento
La longitud total del segmento es la suma de las longitudes de todas las derivaciones (S1 a S7) mas la longitud de los cables principales o trunks (T1 y T2), para el cable tipo A la longitud debe ser menor que 1900 metros.
Consideraciones para la implementación de Foundation Fieldbus.
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Pre-ingeniería: Definición precisa de la ubicación de lazos de control. Se debe tener con precisión la distribución geografica de los lazos de control para establecer la ubicación más adecuada de los Linking Device y de los instrumentos conectados a cada segmento.
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Limitación de elementos por segmento: Es importante tener en cuenta diferentes aspectos del proyecto, conocer las áreas clasificadas y los tiempos de respuesta en que se espera deben responder los lazos, ya que estos limitarán el número de dispositivos que se podrán conectar a en cada uno de los segmentos.
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Redundancia: Es posible configurar sistemas redundantes para aquellos casos donde el grado de criticidad lo requiera, esta puede ser redundancia a nivel de alimentación y/o de comunicación.
Figura PC22. Cables utilizados por Foundation Fieldbus.
Longitud total del segmento
La longitud total del segmento se determina sumando la longitud de todas las secciones del segmento. La longitud del segmento debe estar dentro del valor máximo permitido para los tipos de cable utilizados, en la figura PC23 se muestra como calcular la longitud del segmento.
