ACPI
Dise帽o Asistido por Computadora
Un protocolo de comunicaci贸n digital para redes industriales
FOUNDATION FIELDBUS
Abril 2015
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Editorial
Somos una revista informativa que se ha puesto como misión dar a conocer temas específicos referentes a diversas áreas de la Automatización y Control de Procesos Industriales, de aquí se deriva el nombre de la misma. Por esta razón, la Universidad de Oriente (UDO), Núcleo Monagas, se complace en presentar un producto hecho en casa que lleva por nombre:
ACPI Una revista académica realizada por el equipo CAD, conformado por Estefanía Jáuregui y María Virginia Marcano, que tiene su origen en la 3era Cohorte del Curso Especial de Grado de la especialidad de Ingeniería de Sistemas, específicamente en el área de Automatización y Control de Procesos Industriales. En esta edición especial les traeremos un tema sumamente interesante cuando de Control, Supervisión y Monitorización en los procesos Industriales se trata, tomando en cuenta los protocolos de comunicación para redes industriales como lo es FOUNDATION FIELDBUS.
Portada: María Virginia Marcano Diseño: Natacha Jáuregui / Edición: Estefanía Jáuregui Fotografía: Rafael Franceschi
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{Contenido}
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Editorial
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¿Quién es FieldbusFoundation?
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Resumen de características de FieldbusFoundation
La ventaja del bus digital
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Introducción
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Tecnología Fieldbus Foundation
Configuración del Sistema
Referencias
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Conclusión
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Introdución
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ablando de la historia de los buses de campo, podríamos remontarnos quizá a los
años 40, cuando para la instrumentación de procesos empezó a emplear señales de presión neumática de entre 3 y 15psi para la monitorización y control de dispositivos. A pesar de la existencia de este “estándar”, a menudo era necesario emplear varios niveles de señal para adaptarse a los numerosos instrumentos que no estaban diseñados para seguir esas especificaciones. La situación fue evolucionando progresivamente, hasta que el desarrollo de los procesadores digitales en los años 70 introdujo el uso de computadores para monitorizar y controlar los sistemas de instrumentación desde un punto central. La naturaleza específica de las tareas a controlar exigió que se diseñasen un gran número de instrumentos y métodos de control a medida para las diferentes aplicaciones. Poco tardó en producirse un auténtico boom, cuando comenzó a utilizarse el sistema de 4 a 20mA que comenzaría una auténtica estandarización sobre la interconexión de los dispositivos de campo, y que más tarde acabaría siendo reemplazado por los buses de campo. Haciendo un gran salto en la historia ya para Septiembre de 1994, tras varios años de luchas, WorldFIP (fundación creada alrededor de FIP), y la ISP (Interoperable Systems Project) se unieron para convertirse en la Fieldbus Foundation. El objetivo de la Fieldbus Foundation era crear un único bus de campo internacional para entornos peligrosos. Profibus PA (la organización de usuarios de Profibus) siguió persiguiendo el mismo objetivo por su cuenta. Mientras Profibus PA tiene sus raíces y su mayor comunidad de usuarios en Europa, los fabricantes y usuarios de Foundation Fieldbus están concentrados en América y Asia
¿Q
uién es Fieldbus Foundation?
L
a Fieldbus Foundation fue creada como una organización independiente y sin ánimo de
lucro para desarrollar un único bus de campo internacional, abierto e interoperable. La organización se basa en los siguientes principios: La tecnología de FF ha de ser abierta y cualquier compañía ha de poder disponer de ella. La tecnología de FF ha de estar basada en el trabajo del IEC (International Electrotechnical Commission) y de ISA (International Standarization Association). Los miembros de la Fieldbus Foundation apoyan a los comités de estandarizaciones nacionales e internacionales y trabajan con ellos. Ya en 1996, la FF contaba con 185 campañas asociadas de entre las más importantes a nivel global (representaban el 90% de la fabricación mundial de productos de instrumentación y control). Uno de los principales métodos de organización y decisión son los consejos de usuarios finales, que repartidos por todo el mundo, revisan las actividades de la fundación y se aseguran de que las especificaciones cumplan las necesidades del mercado. El Foundation Fieldbus1 es una arquitectura abierta para la integración total de la información. Se trata de un sistema de comunicaciones completamente digital, serie y bidireccional. Actualmente están definidas dos versiones: H1 (31.25Kbps) interconecta equipamiento de campo, como sensores, actuadores y I/O. En el mercado ocupa un nicho similar al de Profibus PA: mientras que PA está mucho más extendido en Europa, H1 tiene su origen y su área de mayor distribución en América y Asia. HSE (100Mbps/1Gbps) provee integración de controladores de alta velocidad (como PLCs), redes H1, servidores de datos, y estaciones de trabajo. Está diseñado para aplicaciones críticas, donde la transferencia correcta de los datos es esencial. Además, al ser abierto, no es propiedad de ninguna compañía ni está controlado por el cuerpo regulador de ninguna nación, si no que depende directamente de las decisiones tomadas por sus propios usuarios a través de los End User Councils, repartidos alrededor del mundo.
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Resumen de características de 7
Foundation Fieldbus Apropiado
para su uso en zonas de
seguridad intrínseca (IS).
Dispositivos de campo alimentados a través del bus.
Topología en bus o en árbol. Permite comunicación multi-master.
Comportamiento determinista. Transmisión de datos distribuida. La transmisión de datos distribuida se refiere a que los sensores y actuadores no sólo actúan como tales, sino que pueden realizar funciones adicionales de comunicación o control.
Modelo
de bloques estandarizado para una
interfaz uniforme a los dispositivos.
Opciones de extensión flexibles basadas en la descripción de los dispositivos.
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{La ventaja del bus digital} Cableado Multipunto
Instrumentos Multivariables.
Comunicaci贸n de dos v铆as.
Nuevos tipos de informaci贸n
Control en campo
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TecnologíaFoundation Fieldbus Consiste en 3 componentes: Capa Física: Sólo reconoce bits individuales. La norma define los tipos de medios y señales, velocidad de transmisión y topología, incluyendo el número de nodos, y la potencia del dispositivo. Fieldbus utiliza una velocidad de comunicación moderadamente alta, debido a que tiene que dar servicio a sistemas por ejemplo de control de lazo cerrado o variadores de velocidad. El sistema fue diseñado para tener un mínimo de gastos generales de comunicación para satisfacer las necesidades de control. Hay varias combinaciones para la capa física, cada uno con sus relativas ventajas. Todos los dispositivos de un bus deben usar las mismas opciones para la comunicación, conexión y velocidad de transmisión. Sin embargo, dispositivos en el bus o no en el bus se pueden mezclar, así como los de seguridad intrínseca o de no seguridad intrínseca. Capa de enlace de datos: (niveles 2 y 7 del modelo OSI) establece el enlace lógico (DLL), el control de acceso al medio (FAS) y la especificación de mensajes (FMS) incluyendo el control de flujo y de errores. Su función es la de controlar la transmisión de mensajes hacia y desde el Nivel Físico. El acceso al bus se realiza mediante el programa LAS (Link Active Scheduler) que actúa como un centralizador y arbitrador de uso del bus, permitiendo una comunicación determinista realizando una distribución del tiempo para que todo dispositivo conectado sea censado. Además permite que todos los datos publicados en el bus están disponibles para todos los dispositivos conectados que los reciben simultáneamente. Capa de aplicación: Contiene los servicios y regula la transferencia de mensajes entre las aplicaciones del usuario y los diferentes instrumentos. Utiliza un conjunto de comandos que se envían al transmisor para obtener información de los datos y cambiar la configuración de los parámetros a distancia. Algunos de estos comandos son: - Leer y escribir el mensaje - Leer el fabricante, tipo de equipo, rango, unidades, variable prima, señal de salida, % del rango, número de serie, etc.
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Configuración del Sistema La configuración del sistema Fieldbus consta de dos fases:
1. Diseño
del sistema: Ésta etapa es muy similar al diseño de un Sistema de Control Distribuido (DCS) aunque con algunas diferencias. La primera diferencia está en el cableado físico, debito al cambio de cableado punto a punto de 4-20 mA análogo a un bus digital donde muchos dispositivos pueden ser conectados a un cable. Cada dispositivo en Fieldbus debe tener una única identificación física del mismo y una dirección de red correspondiente. La segunda diferencia es la capacidad de distribuir el control y las funciones de subsistemas de entradas y salidas entre un sistema de control y un dispositivo Fieldbus. Ésta característica permite reducir el número de controladores dispuestos en racks y equipos remotos de entradas y salidas necesarios para el diseño del sistema
2. Configuración de los dispositivos: Después de que el diseño del sistema ha sido realizado y
los dispositivos han sido seleccionados, la configuración de los dispositivos es realizada por la conexión de los Bloques de Función de entradas y salidas en cada dispositivo, según se requieran en la estrategia de control. Después de que todos los bloques de conexión y otros elementos de configuración tales como los nombres de dispositivos, identificación y ejecución de lazos han sido ingresados, la configuración genera información para cada dispositivo que pertenece al sistema Fieldbus. Un lazo único puede ser configurado si hay un dispositivo de campo que actúe como enlace maestro. Ésta configuración permitirá la operación continúa del lazo sin un dispositivo de configuración o una consola central. Una vez los dispositivos han recibido sus respectivas configuraciones, el sistema se convierte en operacional.
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Conclusión El protocolo Fieldbus Foundation es uno de los más utilizados en la industria actualmente, debido a que posee mayor capacidad de control, generada por sus comunicaciones totalmente digitales, además, de una reducción considerable de cableado y del número de terminaciones de cable, esto gracias a la existencia de múltiples dispositivos conectados a un simple par alámbrico. Los dispositivos pueden ser agrupados en redes y configurados de acuerdo a las necesidades del usuario por lo que Fieldbus Foundation es capaz de comunicar grandes cantidades de información, y es idóneo para el control en tiempo real en un bus, permitiendo realizar acciones correctivas de forma rápida y segura.
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Referencias Comunicaciones Industriales [Documento en Línea] Disponible en: http://www.serbi.ula.ve/serbiula/libroselectronicos/Libros/trasmisiondedatos/pdf/CAPITULO%20V.pdf.(Consultado el 12 de Abril de 2015).
Foundation Fieldbus y su adaptación a la alta velocidad [Documento en Línea] Disponible en: http://www.peirao.com/data/comun/documentos/jj/foundation_hse.pdf (Consultado el 11 de Abril de 2015).
Tutorial de comunicaciones industriales. [Documento en Línea] Disponible en: http://sisbib.unmsm.edu.pe/bibvirtualdata/publicaciones/electronica/N10_2002/4_tutorial .pdf (Consultado el 11 de Abril de 2015).
Protocolos Industriales. [Documento en Línea] Disponible en: http://www.aie.cl/files/file/comites/ca/articulos/agosto-06.pdf. (Consultado el 12 de Abril de 2015).