Profibus
Profibus es un estándar de bus de campo abierto independiente de fabricantes de origen alemán, cumple con el estándar europeo EN 50 170, a partir de la norma alemana DIN 19 245 9. Se emplea para la interconexión de dispositivos de campo de entrada/salida simples con PLCs y PCs además posee un amplio rango de aplicaciones en automatización de procesos, en la figura PC34 se muestra un ejemplo de comunicación industrial con profibus.
Figura PC34. Comunicación industrial Profibus
Objetivo de Profibus
Interconexión de dispositivos digitales de campo o sistemas de bajas o medias prestaciones, entre estos tenemos sensores, actuadores, transmisores, PLCs, controladores numéricos, PCs, interfaces hombre-máquina, entre otros.
Características generales:
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Transmite pequeñas cantidades de datos.
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Cubre necesidades de tiempo real.
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Tiene gran compatibilidad electromagnética.
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Número reducido de estaciones.
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Fácil configuración.
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Ampliación o reducción de elementos Plug & Play.
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Bajos costos de conexión y cableado.
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Pseudoconsistente con OSI.
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Permite integrar los dispositivos menos inteligentes.
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Protocolos simples y limitados.
Existen dos tipos de estaciones:
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Maestras (activas): pueden controlar el bus y transferir mensajes sin una petición remota, si está en posesión del testigo.
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Esclavas (pasivas): sólo pueden reconocer mensajes recibidos o transferir datos después de una petición remota.
La configuración mínima es una de las siguientes:
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Dos maestras.
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Una estación maestra y una esclava
En la figura PC35 se muestran las estaciones disponibles en el protocolo Profibus.
Figura PC35. Estaciones Profibus
Características técnicas
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Redundancia: un segundo medio de transmisión es opcional.
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Transmisión: halfduplex, asíncrona, sincronización por start/stop, sin bit stuffing.
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Acceso al bus: híbrido.
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paso de testigo entre las estaciones maestras.
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maestro/esclavo entre maestra y esclavas.
Direccionamiento
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7 bits (rango de dirección: de 0 a 127).
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127: dirección global para broadcast y multicast.
Extensión de las direcciones para direcciones regionales, direcciones de segmento y direcciones puntos de acceso a servicios (LSAP).
Integridad de los datos:
Mensajes con distancia Hamming (HD) = 4, detección de deslizamiento de sincronismo, secuencia especial para evitar pérdida y multiplicación de los datos.
Número de estaciones:
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32 por segmento.
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hasta 127 usando repetidores.
Velocidad de transmisión:
Depende del medio. En la tabla PC5 se muestra la longitud permitida de cable dependiendo de la velocidad de transmisión, según la norma RS 485, cable tipo A de par trenzado apantallado:
Tabla PC5. Longitud del segmento dependiendo de la velocidad de transmisión de datos.
La arquitectura del Profibus se divide en tres tipos principales, Profibus DP, Profibus PA y Profibus FMS.
Profibus DP:
Profibus-DP está diseñado para la comunicación de datos a alta velocidad a nivel de dispositivo. Los controladores centrales (PLCs/PCs) se comunican con los dispositivos de campo distribuidos por medio de un enlace serie de alta velocidad. La mayoría de las comunicaciones de datos con estos dispositivos periféricos es realizada de una forma cíclica según la norma EN 50 170. Además de las funciones cíclicas, se requieren otras de tipo acíclico para dispositivos de campo inteligentes para permitir la configuración, diagnóstico y manejo de alarmas, en la figura PC36 se muestra la implementación de una red Profibus DP.
Figura PC36. Ejemplo de red Profibus DP
El controlador central (maestro) lee de forma cíclica la información procedente de los esclavos y escribe la información de salida en los esclavos. El tiempo de ciclo del bus debe ser más pequeño que el tiempo de ciclo del programa del PLC central (para la mayoría de aplicaciones es de 10 mseg.). Además Profibus DP proporciona funciones poderosas para diagnósticos y configuración en las transmisiones de datos de usuario cíclicas. La comunicación de datos es monitorizada.
Profibus DP permite sistemas monoamo y multiamo. Esto proporciona un alto grado de flexibilidad durante la configuración del sistema, pudiendo conectar hasta 126 dispositivos (maestros o esclavos) en un bus. La descripción de la configuración del sistema consiste en el número de estaciones, la asignación entre la dirección de la estación y las direcciones de las entradas/salidas, el formato de los datos de entrada/salida, el formato de los mensajes de diagnóstico y los parámetros del bus usados. Cada sistema Profibus DP puede contener 3 tipos diferentes de dispositivos:
DP maestro clase 1 (DPM1): Controlador central que intercambia información con las estaciones descentralizadas (DP esclavos) con un ciclo de mensaje específico. Dispositivos típicos son los controladores programables (PLCs), los PCs y los sistemas VME.
DP maestro clase 2 (DPM2): Son programadores, dispositivos de configuración y operadores. Se usan para la identificación de la configuración del sistema DP o para el funcionamiento y supervisión de operaciones.
DP esclavo: Es un dispositivo periférico (entradas/salidas, válvulas, etc.) que recoge información de entrada y/o manda información de salida.
En los sistemas mono-maestro (ver figura PC37) sólo se encuentra activo un maestro en el bus durante la fase de operación, siendo el controlador programable el componente de control central. Los DP esclavos distribuidos son enlazados mediante el bus. Estos sistemas presentan el tiempo de ciclo más corto.
Figura PC37. Sistema monomaestro Profibus
En la configuración multi-maestro se conectan varios maestros al bus. Estos maestros son subsistemas independientes consistentes cada uno en un DPM1 maestro y sus correspondientes DP esclavos (o dispositivos adicionales). Las imágenes de las entradas y las salidas de los esclavos pueden ser leídas por todos los DP maestros. Sin embargo, sólo un DP maestro (el asignado durante la configuración) puede tener acceso de escritura en las salidas. Los sistemas multi-maestro presentan un tiempo de ciclo mayor que los sistemas mono-maestro, en la
En la Figura PC38 se muestra un ejemplo de la configuración multimaestro.
Figura PC38. Sistema multimaestro
Profibus PA:
Las redes Profibus PA permiten la conexión de transmisores de presión, nivel, caudal, temperatura, PH, posicionadores entre otros, en un bus, incluso en zona con riesgo de explosión, con la capacidad de llevar la energía de alimentación de los instrumentos a través del mismo par de cables encargado de la transmisión de datos. De este modo, es posible disponer de soluciones de instrumentación, monitoreo y accionamientos en un solo cable con una sola herramienta de configuración y diagnóstico, ya que toda red Profibus PA implica la existencia de un maestro clase I único de Profibus DP, que también puede ser redundante al cual se conecta a través de una interfaz o acoplador, en la figura 39 se muestra la red Profibus PA.
Figura PC39. Red Profibus PA
Características:
El bus PA utiliza únicamente lazos de corriente y es apto para trabajo en zonas “Ex”. Las funciones acíclicas que soporta el protocolo PA permiten la parametrización de los instrumentos a través de un Maestro clase II. De este modo, el usuario puede modificar el span, las alarmas, la unidad de medición del instrumento, la constante de filtro y otros parámetros, sin necesidad de retirarlo del bus y sin interferir en la comunicación del sistema.
Un esclavo PA puede ser visto como un esclavo DP (conectado al bus DP a través del conversor), es decir, puede ser uno de los 126 participantes que la norma DP admite, o puede estar conectado a un link DP/PA, al cual hasta 31 instrumentos PA pueden vincularse. Cada Link DP/PA es a su vez un esclavo DP, con lo cual la cantidad de instrumentos PA comunicados a un solo maestro DP puede llegar a ser mayor a 3000 en una sola red.
Profibus FMS
Profibus-FMS (Fieldbus Message Specification), es un perfil de comunicación capaz de manejar todas las tareas intensivas de transferencia de datos muy comunes en las comunicaciones industriales, por lo que se le considera la solución universal para la transferencia de información en el nivel superior y de campo del modelo jerárquico de automatización. Es la solución general para tareas de comunicación a nivel de control. Los potentes servicios FMS abren un amplio rango de aplicaciones y proveen de gran flexibilidad. También puede ser empleado para tareas de comunicaciones extensas y complejas.
Está concebido para comunicar elementos de campo complejos que dispongan de interface FMS. Se pueden alcanzar velocidades de transmisión de hasta 1,5 Mb/sg en función del medio utilizado, usa el sistema multimaestro.
Una de sus grandes ventajas es que permite la comunicación de datos de sistemas de automatización de distintos fabricantes. Permite solucionar también, de forma descentralizada y precisa, tareas generales de regulación y medición, además de las tareas de control de movimiento, en la figura PC40 se muestra la red Profibus utilizando el estándar FMS.
Figura PC40. Red Profibus utilizando el estándar FMS
Opciones de conectividad: El mercado ofrece una amplia gama de componentes de red Profibus para tecnología de transmisión eléctrica (de cobre), óptica e inalámbrica.
Redes de cobre
La red eléctrica o de cobre utiliza un cable bifilar trenzado y apantallado. El puerto RS485 trabaja con diferencias de tensión. Por tanto, es más inmune a perturbaciones que una interfaz que trabaja con niveles de tensión o corriente. En Profibus, las estaciones se conectan al bus a través de un terminal o un conector de bus (máx. 32 estaciones por segmento). La red de cobre puede configurarse con estructura de bus, los diferentes segmentos se unen entre sí mediante repetidores.
En la figura PC41 se muestra el cable Profibus.
Figura PC41. Cable Profibus
Características de la red de cobre
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Método de transmisión para la automatización universal (Profibus FMS/DP) según IEC 61158/EN 50170 y para zonas de seguridad intrínseca (Profibus PA) según IEC 61158-2.
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La velocidad de transferencia puede ajustarse escalonadamente de 9,6 kbits/s a 12 Mbits/s según IEC 61158/EN 50170.
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La longitud máxima de los segmentos depende de la velocidad de transferencia.
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Cable de bus de alta calidad.
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Método de transmisión: RS485 (según EIA).
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Topología de bus con terminales y conectores para conectar las estaciones Profibus.
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Red inmune a perturbaciones con cables de pantalla doble y sistema de montaje y puesta a tierra simple y homogéneo.
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Montaje sencillo y rápido de conectores gracias a FastConnect.
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La tecnología de transmisión DP de RS485 (codificación por bits mediante señales de diferencia de tensión) según IEC 61158-2 (codificación por bits mediante señales de corriente) se implementa mediante los componentes de red (acoplador DP/PA o DP/PA-Link).
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Amplias posibilidades de uso con cables de bus especiales.
Redes de fibra óptica
La red óptica utiliza cables de fibra óptica como medio de transmisión. La fibra óptica está provista de un revestimiento de protección (coating), muchas veces se denota con el término "fibra". Las redes ópticas son especialmente adecuadas para grandes distancias y pueden utilizarse cables de plástico, PCF o vidrio. En la figura PC42 se muestra el cable de fibra óptica utilizado en la red Profibus.
Figura PC42. Cable de fibra óptica