UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURAFACULTAD DE INGENIERA INDUSTRIALESCUELA DE INGENIERA INDUSTRIAL

REDES DE CAMPO MS IMPORTANTESHART PROFIBUS

Curso:Instrumentacin Industrial.

Profesor: Huacchillo Calle M.

Alumno:Seminario Beltrn Edwin.-2014-

DEDICATORIA

A Dios nuestro Seor por regalarnos la dicha de vivir y la fuerza para enfrentar diversos problemas de la vida.A nuestros padres quienes a lo largo de toda nuestras vidas nos han apoyado y motivado en nuestra formacin acadmica, creyeron en nosotros en todo momento y no dudaron de nuestras habilidades. A nuestros profesores a quienes les debemos gran parte de nuestros conocimientos, gracias a su paciencia y enseanza, finalmente un eterno agradecimiento. A esta prestigiosa universidad la cual abre sus puertas a jvenes como nosotros, preparndonos para un futuro competitivo y formndonos como profesionales con sentido de seriedad, responsabilidad y rigor acadmico.

AGRADECIMIENTO

Agradecemos en este trabajo principalmente a Dios, por iluminarnos y estar a nuestro lado en todo momento.

A nuestros padres, amigos incondicionales por la ayuda desinteresada brindada en cada obstculo que en nuestra vida se presenta, gracias a sus ejemplos hoy hemos llegado a cumplir una de nuestras metas.

A nuestros hermanos, que con sus consejos nos han sabido orientar por el sendero de la superacin.

A nuestros amigos de aula, por su apoyo en todo momento.

Y a todas las personas que de una u otra manera siempre nos han apoyado.

NDICE

DEDICATORIA2AGRADECIMIENTO3NDICE4INTRODUCCIN5CAPITULO I6CONCEPTOS BSICOS.6A.BUS DE CAMPO6B.PROTOCOLO INDUSTRIAL DE COMUNICACIN6C.HOST6CAPITULO II7HART7A)DEFINICION7B)VENTAJAS8C)DESVENTAJAS9D)MODOS DE COMUNICACIN10E)CAPA DE ENLACE DE DATOS: MENSAJES11CAPITULO III16PROFIBUS16A)CARACTERISTICAS PRINCIPALES16B. FORMA DE TRAMAS16CONCLUSIONES19

INTRODUCCIN

El presente trabajo es un resumen de detalles tcnicos de los protocolos industriales de comunicacin comnmente usados. Un protocolo industrial es aquel que es insertado dentro de los dispositivos electrnicos, que participan en el control de procesos o de la manufactura para darles capacidad de comunicar datos del proceso u otros de manera optima. Aunque muchos son propietarios, tienden con el tiempo a convertirse en protocolos de su uso generalizado por su aceptacin en el mercado.El desarrollo del control distribuido en la industria va paralelo al de las comunicaciones. Cada vez es ms necesario disponer de dispositivos inteligentes para realizar el control o la supervisin remota, tanto de procesos de fabricacin, como de almacenamiento o distribucin.los sistemas o redes de comunicacin empleados en entornos industriales se encuentran sometidos a una problemtica especfica que condiciona enormemente su diseo y los diferencia de las redes de datos.Indudablemente en este trabajo, no se pretende exponer la totalidad de protocolos existentes, se revisara lo fundamentos de los protocolos ms importantes, tales como el HART y PROFIBUS.

CAPITULO I1. CONCEPTOS BSICOS.

A. BUS DE CAMPO:Los buses de campo conectan actuadores, controladores, sensores y dispositivos similares en el nivel inferior de la estructura jerrquica de la automatizacin industrial.El objetivo es reemplazar los sistemas de control centralizados por redes para control distribuido con las que mejora la calidad del producto, reduce costos y mejorar la eficiencia. Para ello se basa en que la informacin que envan y reciben los dispositivos de campo es digital, lo que resulta mucho ms preciso que si se recurre a mtodos analgicos. Adems, cada dispositivo de campo es un dispositivo inteligente y puede llevar a cabo funciones propias de control, mantenimiento y diagnostico. Esta monitorizacin permite aumentar la eficiencia del sistema y reducir la cantidad de horas de mantenimiento necesarias

B. PROTOCOLO INDUSTRIAL DE COMUNICACINEn la industria en la actualidad se ha escuchado muchas veces sobre los protocolo de comunicacin, llevan ese nombre debido a que se encuentran instaladas en manufacturas, laboratorio, bodegas, etc., en primera instancia el protocolo de comunicacin industrial permite el intercambio de informacin entre diferentes elementos que componen una red industrial, estos elementos pueden ser PLCS, variadores de frecuencia, interfaces electrnicas, sensores, actuadores , la cual ser la encargada de procesar la informacin para realizar algn proceso dentro de la industria.C. HOSTPor definicin, cualquier ordenador o la mquina est conectada a una red que tiene un nmero IP y el nombre del conjunto. Estas mquinas se encargan de proporcionar recursos, informacin y servicios a los usuarios o clientes. Para este alcance, la palabra se puede utilizar como una designacin para varios casos de una mquina y una red, de los ordenadores personales para el router.Un host es un equipo que est conectado a una red de mquinas y es responsable de la transmisin y almacenamiento de datos. CAPITULO II

HART(Highway Addressable Remote Transducer)

A) DEFINICIONHa sido el primer bus empleado en campo. Fue desarrollado por Rosemount a mediados de los aos 80, al tiempo que fueron apareciendo los llamados dispositivos inteligentes de campo (smart devices), los cuales estaban basados en sistemas con microprocesador. La especificacin de HART incluye los aspectos fsicos de la transmisin, los procedimientos de transaccin, los formatos de dato y un grupo de comandos.Este protocolo permite transmitir datos digitales, superpuestos a una seal convencional de 4 20 mA, sin perturbar a la seal analgica presente. Esto permite comunicarse digitalmente para fines de configuracin, diagnostico o planificacin. De esta manera HART presenta algunas caractersticas de un bus de campo, pero mantiene totalmente las caractersticas de las estrategias de control convencionales.El protocolo de comunicacin HART combina la comunicacin analgica con la digital entre sus dispositivos.En la comunicacin analgica, HART usa l estndar industrial 4-20mA, es decir los dispositivos HART pueden realizar funciones bsicas con cualquier sistema host que tiene capacidad de entrada/salida de 4-20 mA, la limitacin es que un solo parmetro puede ser comunicado sobre entrada o salida de 4-20 mA, tpicamente esta es una variable del proceso de un transmisor o una salida para un elemento final de control, en este modo la informacin viaja en un solo sentido, desde el dispositivo al hosts(entrada) o viceversa.En la comunicacin digital, este tipo de comunicacin transporta informacin adicional que no est comunicado por la seal anloga, la parte digital de HART esa veces usado para la configuracin de dispositivos, mantenimiento y diagnostico pero no en el tiempo real.

El principal atributo de la comunicacin digital HART es que la seal digital, es sobrepuesta en la seal anloga. Esto permite a la seal usada por un host para el control de procesos, y la seal digital a ser usado por el mismo o un host diferente para comunicar la informacin relacionada a la configuracin del dispositivo diagnostico en tiempo no real.

B) LAS VENTAJAS QUE APORTA LA COMUNICACIN DIGITAL RESPECTO A LA ANALGICA DE 4-20 MA SON: Mayor precisin y fiabilidad de los datos: Los microprocesadores de transmisores y controladores pueden dialogar directamente y sin que conversores D/A y A/D intermedien entre los interlocutores. Adems, las medidas y seales de control se pueden asociar a bits de estado que dan cuenta de la fiabilidad de sus valores. Con los datos digitales se pueden evitar distorsiones y ruidos de forma ms efectiva que con los analgicos. Acceso multivariable: Un transmisor no se limita a ofrecer la seal primaria, sino que tambin informa del valor de otras magnitudes para ajustar, totalizar y corregir el valor de aquella. Se puede acceder al valor de la referencia y la variable manipulada de un controlador simultneamente. La capacidad de gestionar grandes cantidades de informacin justifica su tratamiento informatizado e introduce nuevas herramientas como el control estadstico de procesos. Configuracin y diagnstico remoto: Aunque no se puede menospreciar la facilidad y estandarizacin de los mtodos basados en destornillador y polmetro con que se trabaja sobre la instrumentacin analgica, la complejidad de los mtodos digitales es transparente al usuario y no afecta a su aplicacin. Con estos mtodos se puede ejecutar fcilmente la calibracin en operacin sin necesidad de aplicar entradas y medir salidas, la aplicacin de autodiagnsticos y la notificacin instantnea de fallos incluso con carcter preventivo y antes de que ocurran. Reduccin del cableado: La conexin de mltiples dispositivos en un par de cables simples (multipunto) evita los cableados particulares con dos pares de cables por lazo (uno para el transmisor y otro para el actuador, algunos con longitudes muy grandes para acceder a un solo dispositivo alejado del resto). A veces los dispositivos estn cerca unos de otros, pero alejados de la sala de control, situacin que hara necesario tirar cables hasta all desde cada dispositivo. Al bajo coste del cableado multipunto se une la facilidad de sustitucin de dispositivos sobre la lnea nica y la facilidad de ampliacin.

C) SIN EMBARGO, LA COMUNICACIN DIGITAL GENRICA TAMBIN PRESENTA ALGUNA DESVENTAJA QUE NO PUEDE SER OBVIADA: El tiempo empleado en el envo del mensaje supone un retraso respecto a la medida analgica, y puede afectar al control de lazos rpidos. La mayor velocidad de Fieldbus viene a solventar esta limitacin. Nula o pobre interoperabilidad entre dispositivos de diferentes tipos y fabricantes debida a la explosin de estndares y a la dispersin de estrategias comerciales Los dispositivos deben ser encuestados para conocer su estado. La comunicacin digital hace posible aadir informacin adicional a los mensajes, bien sea informacin relativa al proceso tal como la descripcin o el tag de la medida, el rango de calibracin, unidades, informacin sobre el dispositivo, etc. Adems, puede incorporar informacin relativa al mantenimiento, como la fecha de la ltima calibracin.HART cumple los requisitos de seguridad intrnseca y ha alcanzado un grado de interoperabilidad muy grande con dispositivos de un nmero muy grande de fabricantes.El protocolo HART proporciona acceso a la gran variedad de informacin adicional (variables, diagnostico, calibracin) proporcionados por los dispositivos de campo inteligentes que emplean esta tecnologa. HART permite a los fabricantes de instrumentos de campo incorporar potentes caractersticas en sus productos como algoritmos de control, de diagnsticos y medidas adicionales del proceso.

HART es una solucin sin riesgo para comunicaciones de campo de altas prestaciones. Es relativamente de fcil mantenimiento y operacin especialmente en comunicaciones punto a punto. Permite reducir costos de cableado mediante el sistema multidrop que conecta varios dispositivos mediante el mismo cable.

ESPECIFICACIONES TCNICAS DE HART

D) MODOS DE COMUNICACIN

1. Modo peticin/respuesta:

HART usa el modelo de comunicacin peticin/respuesta, esto significa que, en general, los dispositivos HART no transmitirn a menos que una peticin sea enviada desde el host al dispositivo, por ejemplo, si u dispositivo HART detecto una condicin de falla en si mismo o en el proceso, el dispositivo HART no puede comunicar esta informacin hacia el host a menos que el host solicite especficamente esta informacin del dispositivo.

2. Modo de Comunicacin BurstLos dispositivos HART pueden enviar una simple variable de informacin continua de un dispositivo, sin necesidad de peticiones y repartidas a los host. Este modo es usualmente empleado para enviar una simple variable tal como una variable de proceso.

3. Modo de Comunicacin MultidropEl protocolo HART soporta mltiples dispositivos en simple par de cable, cuando este modo multidrop es usado, la comunicacin anloga no est disponible.La tasa tpica usando la comunicacin digital peticin/respuesta es menos que dos mensajes en un segundo para todos los dispositivos sobre el cable.La limitacin principal del cableado multidrop, en las comunicaciones HART es la reducida velocidad de comunicacin, estos lmites pacticos son usados en comunicacin digital multidrop para aplicaciones de adquisicin lenta de datos.4. Uso de MultiplexoresMuchos hosts no estn diseados para aceptar la informacin digital de los dispositivos, una solucin a este problema es emplear multiplexores extremos para leer y extraer la informacin digital de los dispositivos.En este caso, el dispositivo HART es adherido al host de control y el multiplexor puede ser conectado al cable a travs del panel de terminales de los hosts. Aunque esta solucin incrementa el costo de la instalacin, la reduccin en el costo de mantenimiento generalmente retorna la inversin en un tiempo muy corto.5. Usando Pass Through

Algunos hosts son capaces de capturar y pasar la informacin digital a otras aplicacin, usando un mecanismo comnmente llamado pass through , HART es capturado por la entrada del host o tarjeta de salida y pasarlo sin leer a travs de la arquitectura del host para la plataforma y aplicaciones que usan la informacin digital, funcionalmente reducen costos de adquirir multiplexores.

E) CAPA DE ENLACE DE DATOS: MENSAJES

La estructura del protocolo HART est constituida por mensajes conformados tpicamente por 20 o 30 bytes. El mensaje HART (Figura 7) est compuesto por elementos o campos, iniciando por el prembulo y finalizando en la suma de comprobacin o chequeo.

Cada uno de estos campos tiene una funcin especfica en la implementacin del protocolo. Los campos de prembulo, inicio, conteo de bytes y suma de chequeo, se usan para sincronizar los mensajes y detectar posibles errores en la transmisin. Por otra parte los campos de direccin y comando indican, a que dispositivo de campo se enva el mensaje, y que tipo de funcin se desea implementar respectivamente.Para aumentar la velocidad de transmisin y la implementacin de las condiciones de muestreo peridico, se dispone de un modo rfaga (burst), de modo que una vez seleccionado y tras una peticin inicial nica por parte del maestro, el esclavo enva repetidamente los mensajes de datos del mismo modo que si hubiera recibido peticiones especificas para cada respuesta.En particular el campo direccin est constituido por 5 bytes y contiene la direccin nica de cada dispositivo, e indica a que esclavo se est enviando el mensaje, de donde proviene y si est implementado el modo rfaga (el maestro instruye al dispositivo esclavo la transmisin continua de la respuesta a la peticin). El nico mensaje que tendr respuesta exitosa al ser enviado sin la direccin nica del dispositivo es el que implementa el comando 0, en este caso el campo de direccin consta de un solo byte, el cual contiene la direccin de encuesta del dispositivo (generalmente 0 aunque puede tomar cualquier valor entre 0 y 15). Por otro lado, el campo comando indica al esclavo la peticin del maestro.

Los caracteres de ocho bits son transmitidos en serie y en modo asncrono utilizando una funcin UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) convencional como la de RS-232, de modo que un bit de inicio al principio y otros dos de paridad y parada al final acompaan a los ocho bits de datos. La UART que recibe el mensaje puede de esta forma identificar el principio el mensaje y detectar los errores por ruido o interferencias. Los caracteres sucesivos son separados por perodos de inactividad en el nivel 1. Este mtodo est en la base del carcter asncrono de la comunicacin, al ser definido el tiempo por los bits de inicio y parada. El tiempo para cada bit es definido por la velocidad en baudios acornada por los interlocutores o detectada automticamente. Cada mensaje es autosuficiente a efectos temporales, y puede haber cantidades variables de tiempo entre mensajes. En contraposicin con este mecanismo, la transmisin sncrona se caracteriza porque la informacin temporal se transmite en una lnea independiente o incluida en el mensaje de forma explcita, de modo que debe ser extrada en destino para configurar con ella la recepcin.

Prembulo: Consiste en 3 o ms caracteres hexadecimales FF (todos 1) para que el mdem receptor sincronice sus circuitos de deteccin de frecuencia tras una situacin de pausa en la transmisin.Start Character: Puede tener varios valores dependiendo del tipo de formato de trama usado, la fuente del mensaje y la posibilidad de que el dispositivo de campo est en modo rfaga.Direccin: Contiene tanto la direccin del maestro como la del esclavo involucrados, bien en un solo byte (formato corto) o en cinco bytes (formato largo) segn las diferencias indicadas entre longitudes de formatos. En ambos, el msb es la direccin del maestro que enva un comando o espera la respuesta contenida en el mensaje que se recibe. De las dos nicas posibilidades de maestro en el sistema, la direccin 1, se utiliza para el maestro primario (sistema de control), mientras que la 0 se reserva para el maestro secundario (HHT). Como excepcin, los mensajes de respuesta de un esclavo en modo rfaga alternan los valores 0 y 1 para permitir la intervencin de ambos maestros para interrumpir dicho modo de operacin. Tambin en ambos formatos, el next-msb est reservado para que los dispositivos de campo indiquen precisamente que se trata de un mensaje en modo rfaga ponindolo a 1. En el formato corto, los dispositivos esclavo pueden tener direcciones en el rango 0 a 15 segn los cuatro bits de la mitad menos significativa del byte nico de Direccin. Los dos bits intermedios restantes quedan reservados para especificaciones futuras en materia de subdirecciones.En el formato largo, los 38 bits restantes de la Direccin de 5 bytes se utilizan para la identificacin nica presentada en la definicin de dicho formato. Tambin se pueden poner los 38 bits a 0 para indicar un broadcast desde el maestro que debe ser interpretado como una interpelacin genrica a todos los dispositivos esclavos presentes.Comando: Es un byte que representa los diferentes tipos de comandos HART, ampliables con el cdigo de uno de ellos con un byte adicional. El comando recibido por el dispositivo de campo es devuelto como parte del mensaje de respuesta.Contador de bytes: Es un byte que contiene el nmero de bytes que restan en el mensaje (incluidas las secciones de estado y datos, y excluido el checksum. El dispositivo que recibe el mensaje usa este campo para localizar el byte de ckecksum y el final del mensaje.Estado: Este campo slo aparece en los mensajes de respuesta generados por los dispositivos esclavo, y est formado por dos bytes. El primero de ellos indica los errores de comunicacin, en caso de haberlos, o en caso contrario el estado relacionado con el comando que se est respondiendo (o si no se reconoce el comando). El segundo byte indica el estado operativo del propio dispositivo esclavo.Datos: Aunque no todos los comandos incluyen datos en su respuesta, los que lo hacen disponen de hasta 24 bytes para incorporarlos. El formato para los datos puede ser de enteros sin signo (8, 16 o 24 bits), real de punto flotante (formato IEEE 754), cadenas de caracteres ASCII (4 caracteres empaquetados en cada 3 bytes) o tems de una lista (codificados como enteros de 8 bits). El nmero de datos y su formato son especificados por cada comando al que acompaan.Checksum: Contiene el exclusive-or de todos los bytes del mensaje y provee una comprobacin de la integridad del mensaje en su totalidad mas all de la asegurada por el bit de paridad para cada byte individual. La naturaleza de la comprobacin asegura la deteccin de fallos de hasta tres bits en el mensaje, y muchas posibilidades de detectar fallos mayores o mltiples.F. COMANDO HART

CAPITULO IIIPROFIBUS(Process Field Bus)

A) CARACTERISTICAS PRINCIPALES

Naci como un proyecto conjunto financiado por el ministerio federal de investigacin y tecnologa de Alemania, en el que participaron 18 empresas alemanas para desarrollar y probar un nuevo bus digital para instrumentos y dispositivos de control en el nivel ms bajo de la jerarqua de automatizacin. El trabajo realizado entre 1987 y 1991 qued registrado en el estndar alemn DIN19245, en el que se especifica el juego de protocolos Profibus.

B. FORMA DE TRAMASLa arquitectura de los dos protocolos PROFIBUS (DP y FMS) est basada en el modelo ISO 7498. Existen tres variaciones principales de PROFIBUS de acuerdo a la aplicacin deseada:PROFIBUS-FMS: sta es la solucin universal para la tarea de comunicacin en el nivel superior (nivel de clula) y en el nivel de campo de la jerarqua de la comunicacin industrial. Para cumplir con la extensa tarea de los sistemas de comunicacin a este nivel, con transferencias de datos cclicos o acclicos, la Especificacin del Mensaje de Bus de campo (FMS Fieldbus Message Specification) ofrece servicios con una gama amplia de funcionalidad y flexibilidad. PROFIBUS-FMS se incluye en el estndar europeo de bus de campo EN 50170.PROFIBUS-DP: Esta variacin es la versin optimizada de PROFIBUS especficamente especializada en comunicaciones de tiempo-crtico entre sistemas de automatizacin y perifricos distribuidos. ste es un reemplazo satisfactorio para las costosas instalaciones elctricas paralelas de 24 V y 4 (0) a 20 mA. PROFIBUS-DP se incluye en el estndar europeo de bus de campo EN 50170.PROFIBUS-PA: Esta variacin se presenta como solucin orientada a la automatizacin de procesos. PA conecta sistemas de automatizacin y aparatos de campo descentralizados. El perfil o variacin PA define los comportamientos de los elementos de campo y asegura la total interoperabilidad e intercambiabilidad de los dispositivos de campo de fabricantes diferentes.Ambas variaciones usan el mismo protocolo de acceso al medio (Capa 2) y la misma tcnica de transmisin (Capa 1).En PROFIBUS-FMS las Capas 3 a 6 no estn definidas. Las funciones de estas Capas,necesarias para la aplicacin especfica, se combinan en la Interfaz de las Capas Bajas (LLI Low Layer Interface), que forma parte de la Capa 7. La Especificacin del Mensaje de bus de campo (FMS Fieldbus Message Specification) contiene el protocolo de la aplicacin y ofrece una variedad de servicios de comunicacin. FMS proporciona la interfaz de usuario. Los servicios FMS se definen como un subconjunto de las funciones MMS (ISO 9506) del protocolo MAP. Las funciones complejas de MMS se optimizan dependiendo de los requisitos del bus de campo. Adicionalmente, se definen funciones especficas del bus de campo para la administracin de objetos de comunicacin y manejo de la red.En PROFIBUS-DP las capas de la 3 a la 7 no se utilizan. La Capa de Aplicacin (7) se omite para lograr las prestaciones requeridas. El Mapeador de Enlaces de Datos (DDLM Direct Data Link Mapper) proporciona las funciones de la capa 2 para la interfaz de Usuario.Ambas variantes de PROFIBUS definen en el nivel 2 el Enlace de Datos (FDL Fieldbus Data Link), que define la forma hbrida de acceso al medio .Esta forma de acceder al medio incluye el mtodo de paso de testigo para la comunicacin entre maestros y el mtodo maestro / esclavo para la comunicacin entre las estaciones maestras y sus perifricos.

El mtodo de paso de testigo asegura, por medio del testigo, la asignacin del derecho al acceso al bus dentro de un intervalo preciso de tiempo. Los dispositivos que acceden al bus se llaman estaciones activas. El mtodo maestro / esclavo, se emplea por las estaciones activas, cuando tienen el testigo, para comunicarse con sus elementos esclavos, llamados estaciones pasivas.

El primer tipo de trama no contiene datos y es de longitud fija, sirve para intercambiar seales de control entre los nodos. El segundo tipo con longitud fija de datos, es el utilizado para transmitir los mensajes con restricciones de tiempo. El tercer tipo es el utilizado para todos los servicios de mensajera sin restricciones y tiene longitud variable. Todas las tramas comienzan con un byte de inicio (SD) y terminan con un byte de verificacin (FCS) y uno de fin de trama (ED). Se incluye tambin las direcciones del nodo de origen (SA) y destino (DA) del mensaje, as como un byte para control de la trama (FC). Opcionalmente las tramas pueden contener un campo de datos, fijo a variable de acuerdo al tipo de mensaje.

CONCLUSIONESLas redes de comunicacin industrial, permiten conocer todo lo referente a un proceso industrial a travs de las variables fundamentales medidas por instrumentos instalados en campo, permitiendo a la gerencia saber cmo est funcionando su empresa.Adems otro aspecto fundamental es que permite controlar a grandes distancia la planta. Para realizar el control y poder integrar cada uno de los instrumentos de campo es necesario tener un estndar para que puedan ellos comunicarse.Profibus, basada en el estndar de la FielBus, permite acoplar diferentes equipos de marcas distintas. Puede formar diferente topologa (estrella, bus lineal o token) y siempre con arquitectura abierta.