REDES DE CAMPO MÁS

IMPORTANTES

REDES DE CAMPO MÁS

IMPORTANTESHART – PROFIBUS

CONCEPTOS BÁSICOS

Los buses de campo conectan actuadores, controladores, sensores y dispositivos similares en el nivel inferior de la estructura jerárquica de la automatización 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. Esta monitorización permite aumentar la eficiencia del sistema y reducir la cantidad de horas de mantenimiento necesarias

En la industria en la actualidad se ha escuchado muchas veces sobre los protocolo de comunicación, llevan ese nombre debido a que se encuentran instaladas en manufacturas, laboratorio, bodegas, etc., en primera instancia el protocolo de comunicación industrial permite el intercambio de información entre diferentes elementos que componen una red industrial, estos elementos pueden ser PLCS, variadores de frecuencia, interfaces electrónicas, sensores, actuadores , la cual será la encargada de procesar la información para realizar algún proceso dentro de la industria.

PROTOCOLO INDUSTRIAL DE COMUNICACIÓN

Por definición, cualquier ordenador o la máquina está conectada a una red que tiene un número IP y el nombre del conjunto. Estas máquinas se encargan de proporcionar recursos, información y servicios a los usuarios o clientes.

Para este alcance, la palabra se puede utilizar como una designación para varios casos de una máquina y una red, y es responsable de la transmisión y almacenamiento de datos.

HOST

HARTHART

Highway Addressable Remote Transducer

• El protocolo HART (Transductor remoto direccionable en red) es un estándar ampliamente aceptado para comunicación con instrumentación mejorada digitalmente dentro de las industrias de procesos.

• Ha sido el primer bus empleado en campo. Fue desarrollado por Rosemount a mediados de los años 80, al tiempo que fueron apareciendo los llamados dispositivos inteligentes de campo (smart devices), los cuales estaban basados en sistemas con microprocesador.

• Este protocolo permite transmitir datos digitales, superpuestos a una señal convencional de 4 –20 mA, sin perturbar a la señal analógica presente. Esto permite comunicarse digitalmente para fines de configuración, diagnostico o planificación. De esta manera HART presenta algunas características de un bus de campo, pero mantiene totalmente las características de las estrategias de control convencionales.

• El protocolo de comunicación HART combina la comunicación analógica con la digital entre sus dispositivos.

Highway Addressable Remote Transducer

• En la comunicación analógica, HART usa la estándar industrial 4-20mA, es decir los dispositivos HART pueden realizar funciones básicas con cualquier sistema host que tiene capacidad de entrada/salida de 4-20 mA, la limitación es que un solo parámetro puede ser comunicado sobre entrada o salida de 4-20 mA, típicamente esta es una variable del proceso de un transmisor o una salida para un elemento final de control, en este modo la información viaja en un solo sentido, desde el dispositivo al hosts(entrada) o viceversa.

• En la comunicación digital, este tipo de comunicación transporta información adicional que no está comunicado por la señal análoga, la parte digital de HART esa veces usado para la configuración de dispositivos, mantenimiento y diagnostico pero no en el tiempo real.

 • El principal atributo de la comunicación digital HART es que la señal digital,

es sobrepuesta en la señal análoga. Esto permite a la señal usada por un host para el control de procesos, y la señal digital a ser usado por el mismo o un host diferente para comunicar la información relacionada a la configuración del dispositivo diagnostico en tiempo no real.

VENTAJASLa tecnología HART le puede ayudar a:

Aprovechar las capacidades de un juego completo de datos de dispositivos inteligentes para mejoras operativas.

Tener advertencia temprana de variaciones en el rendimiento de dispositivos, productos o procesos.

Acelerar el tiempo de identificación y corrección de problemas entre el diagnóstico y la solución.

Validar en forma continua la integridad de los circuitos y estrategias del sistema de control / automatización.

Aumentar la productividad del equipo y disponibilidad del sistema.

VENTAJASAumentar la disponibilidad de la planta

Integrar dispositivos y sistemas para detección de problemas previamente no detectables.

Detectar en tiempo real problemas de conexión de dispositivos y/o procesos.Minimizar el impacto de desviaciones al tener advertencias nuevas y oportunas.

Evitar el alto costo de paros o interrupción de procesos no programados.

Reducir los costos de mantenimiento

Verificación rápida y validación de circuitos de control y configuración de dispositivos.

Uso de diagnóstico remoto para reducir las pruebas de campo innecesarias.Captura de datos de tendencias de rendimiento para diagnóstico de mantenimiento predictivo.

Reducción del inventario de refacciones y costos de administración de dispositivos.

VENTAJASMejorar el cumplimiento reglamentario               Activar la documentación automatizada para datos de cumplimiento.

Facilitar la prueba de paros automáticos de seguridad.

Elevar el nivel de integridad de seguridad (SIL) con diagnósticos avanzados.

Tomar ventaja de dispositivos inteligentes multivariables para informes más precisos y completos.

Las características estándar de la tecnología Hart van desde la compatibilidad simple con las redes análogas de 4 a 20 mA  existentes a una amplia selección de productos:

• Compatibilidad con alambrado de 4 a 20 mA  estándar.• Reducción de riesgo a través de un protocolo robusto y preciso.• Amplia selección de productos, con dispositivos compatibles y aplicaciones de software de la mayoría de los proveedores de automatización de procesos

DESVENTAJAS

• El tiempo empleado en el envío del mensaje supone un retraso respecto a la medida analógica, y puede afectar al control de lazos rápidos.

• Nula o pobre interoperabilidad entre dispositivos de diferentes tipos y fabricantes debida a la explosión de estándares y a la dispersión de estrategias comerciales

• Los dispositivos deben ser encuestados para conocer su estado.

¿POR QUÉ UTILIZAR HART?

HART cumple los requisitos de seguridad intrínseca y ha alcanzado un grado de interoperabilidad muy grande con dispositivos de un número muy grande de fabricantes.

El protocolo HART proporciona acceso a la gran variedad de información adicional (variables, diagnostico, calibración) proporcionados por los dispositivos de campo inteligentes que emplean esta tecnología. HART permite a los fabricantes de instrumentos de campo incorporar potentes características en sus productos como algoritmos de control, de diagnósticos y medidas adicionales del proceso.

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

ESPECIFICACIONES

TÉCNICAS

MODOS DE COMUNICACIÓN HART

Modo petición/respuesta

HART usa el modelo de comunicación petición/respuesta, esto significa que, en general, los dispositivos HART no transmitirán a menos que una petición sea enviada desde el host al dispositivo, por ejemplo, si u dispositivo HART detecto una condición de falla en si mismo o en el proceso, el dispositivo HART no puede comunicar esta información hacia el host a menos que el host solicite específicamente esta información del dispositivo.

Modo de Comunicación Burst

Los dispositivos HART pueden enviar una simple variable de información 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.

Modo de Comunicación Multidrop

El protocolo HART soporta múltiples dispositivos en simple par de cable, cuando este modo multidrop es usado, la comunicación análoga no está disponible.

La tasa típica usando la comunicación digital petición/respuesta es menos que dos mensajes en un segundo para todos los dispositivos sobre el cable.

La limitación principal del cableado multidrop, en las comunicaciones HART es la reducida velocidad de comunicación, estos límites pacticos son usados en comunicación digital multidrop para aplicaciones de adquisición lenta de datos.

Otros Modos de Comunicación

Uso de Multiplexores

Muchos hosts no están diseñados para aceptar la información digital de los dispositivos, una solución a este problema es emplear multiplexores extremos para leer y extraer la información 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 través del panel de terminales de los hosts. Aunque esta solución incrementa el costo de la instalación, la reducción en el costo de mantenimiento generalmente retorna la inversión en un tiempo muy corto.

Usando Pass Through

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

MENSAJESMENSAJES

La estructura del protocolo HART está constituida por mensajes conformados típicamente por 20 o 30 bytes. El mensaje HART está compuesto por elementos o campos, iniciando por el preámbulo y finalizando en la suma de comprobación o chequeo.

Cada uno de estos campos tiene una función específica en la implementación del protocolo. Los campos de preámbulo, inicio, conteo de bytes y suma de chequeo, se usan para sincronizar los mensajes y detectar posibles errores en la transmisión. Por otra parte los campos de dirección y comando indican, a que dispositivo de campo se envía el mensaje, y que tipo de función se desea implementar respectivamente.

Para aumentar la velocidad de transmisión y la implementación de las condiciones de muestreo periódico, se dispone de un modo ráfaga (burst), de modo que una vez seleccionado y tras una petición inicial única por parte del maestro, el esclavo envía repetidamente los mensajes de datos del mismo modo que si hubiera recibido peticiones especificas para cada respuesta.

Preámbulo: Consiste en 3 o más caracteres hexadecimales FF (todos ‘1’) para que el módem receptor sincronice sus circuitos de detección de frecuencia tras una situación de pausa en la transmisión.

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 esté en modo ráfaga.

Dirección:

Contiene tanto la dirección del maestro como la del esclavo involucrados, bien en un solo byte (formato corto) o en cinco bytes (formato largo) según las diferencias indicadas entre longitudes de formatos. En ambos, es la dirección del maestro que envía un comando o espera la respuesta contenida en el mensaje que se recibe. De las dos únicas posibilidades de maestro en el sistema, la dirección ‘1’, se utiliza para el maestro primario (sistema de control), mientras que la ‘0’ se reserva para el maestro secundario (HHT).

Como excepción, los mensajes de respuesta de un esclavo en modo ráfaga alternan los valores ‘0’ y ‘1’ para permitir la intervención de ambos maestros para interrumpir dicho modo de operación.

En el formato corto, los dispositivos esclavo pueden tener direcciones en el rango ‘0’ a ‘15’ según los cuatro bits de la mitad menos significativa del byte único de Dirección. Los dos bits intermedios restantes quedan reservados para especificaciones futuras en materia de subdirecciones.

En el formato largo, los 38 bits restantes de la Dirección de 5 bytes se utilizan para la identificación única presentada en la definición de dicho formato. También se pueden poner los 38 bits a ‘0’ para indicar un broadcast desde el maestro que debe ser interpretado como una interpelación genérica a todos los dispositivos esclavos presentes.

Comando

Es un byte que representa los diferentes tipos de comandos HART, ampliables con el código 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 número 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 sólo aparece en los mensajes de respuesta generados por los dispositivos esclavo, y está formado por dos bytes. El primero de ellos indica los errores de comunicación, en caso de haberlos, o en caso contrario el estado relacionado con el comando que se está 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 ítems de una lista (codificados como enteros de 8 bits). El número de datos y su formato son especificados por cada comando al que acompañan.

Checksum

Contiene el exclusive-or de todos los bytes del mensaje y provee una comprobación de la integridad del mensaje en su totalidad mas allá de la asegurada por el bit de paridad para cada byte individual. La naturaleza de la comprobación asegura la detección de fallos de hasta tres bits en el mensaje, y muchas posibilidades de detectar fallos mayores o múltiples.

COMANDOS HART

PROFIBUSPROFIBUS

CARACTERISTICAS PRINCIPALES

Nació como un proyecto conjunto financiado por el ministerio federal de investigación y tecnología 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 más bajo de la jerarquía de automatización. El trabajo realizado entre 1987 y 1991 quedó registrado en el estándar alemán DIN19245, en el que se especifica el juego de protocolos Profibus.

PROFIBUS está basado en estándares y modularidad. Ventajas para el usuario son la facilidad de uso y flexibilidad. 

El protocolo de comunicación solo permite soluciones de procesos continuos y discretos y relacionados con la seguridad Integated completamente para funcionar en el mismo bus.

Esto elimina la necesidad de sistemas separados y permite la automatización híbrida. En la automatización de procesos, el perfil del dispositivo asegura un comportamiento dispositivo compatible en el autobús que permite al usuario elegir cualquier "dispositivo de perfil" de su elección.

PROFIBUS es conocida por su alto grado de innovación: las solicitudes de los usuarios se reúnen y aplicarse rápidamente. 

Los conceptos de redundancia de alta eficacia y de la tecnología de proxy, permitiendo al usuario a los sistemas PROFIBUS al nivel Ethernet (PROFINET).

Las plantas existentes pueden modernizarse y ampliarse en cualquier momento con PROFIBUS: tecnología HART se integra fácilmente, las tareas relacionadas con la seguridad y la unidad se resuelven con PROFIsafe y PROFIdrive, respectivamente.

PROFIBUS apoya las estrategias avanzadas de gestión de activos que permiten a las plantas y equipos a ser mejor administrados y mantenidos.

PROFIBUS es el bus de campo más popular en el mundo para la automatización discreta. Hace ya 20 años que fue desarrollado por un consorcio de empresas de automatización y las instituciones académicas y fue uno de los primeros en alcanzar la normalización internacional en 1996.

SIETE RAZONES PARA UTILIZAR PROFIBUS

Es el bus de campo preferido para los usuarios finales y se utiliza en el mayor número de aplicaciones en todo el mundo.

Ofrece gran elección de proveedores y productos.

Ofrece verdadera apertura e interoperabilidad total, permitiendo cambios/actualizaciones a bajo coste.

Su Protocolo está optimizado para la fábrica y control del proceso mediante interfaces estandarizadas, y por lo tanto, es ideal para aplicaciones híbridas.

Menos hardware necesario, lo que significa menos peso y espacio también gastos reducidos de instalación y ciclo de vida.

Hay una integración fácil y consistente de control de seguridad y el movimiento funcional en las aplicaciones de automatización de fábrica y proceso.

No hay redundancia de medios flexibles.

FORMA DE TRAMAS

PROFIBUS DP

Esta es la solución de alta velocidad del PROFIBUS. Su desarrollo fue perfeccionado principalmente para comunicación entre los sistemas de automatización y los equipos descentralizados. Es aplicable en los sistemas de control, donde se destaca el acceso a los dispositivos distribuidos de I/O. Es utilizado en sustitución a los sistemas convencionales 4 a 20 mA, HART o en transmisiones de 23 Volts, en medio físico RS-485 o fibra óptica.Requiere menos de 2 ms para transmitir 1 kbyte de entrada y salida y es muy usado en controles con tiempo crítico.

PROFIBUS-FMS

El PROFIBUS-FMS brinda al usuario amplia selección de funciones cuando comparado con otras variedades. Es la solución estándar de comunicación universal usada para solucionar tareas complejas de comunicación entre PLCs. Esa variedad soporta la comunicación entre sistemas de automatización, además del cambio de datos entre equipos inteligentes, y es usada, en general, a nivel de control.Debido a su función primaria establecer la comunicación maestro-a-maestro (peer-to-peer) viene siendo reemplazada por aplicaciones en la Ethernet. .

• PROFIBUS-PA

• El PROFIBUS-PA es la solución PROFIBUS que satisfaz las exigencias de la automatización de procesos, donde hay la conexión de sistemas de automatización  y los sistemas de control de proceso con equipos de campo, tal como: transmisores de presión, temperatura, conversores, posicionadores, etc. Puede usarse para reemplazar el estándar 4 a 20 mA.

• Existen ventajas potenciales en utilizarse esta tecnología, que subrayan las ventajas funcionales (transmisión de informaciones confiables, tratamiento de estatus de las variables, sistema de seguridad en fallos, equipos con capacidad de auto-diagnosis, alcance de los equipos, alta resolución en mediciones, integración con el control discreto en alta velocidad, aplicaciones en cualquier sección, etc.). Menos tiempo de puesta en marcha, ofrece un aumento sensible de funcionalidad y seguridad.

• El PROFIBUS PA permite medición y control a través de línea de dos hilos simples. También permite accionar los equipos de campo en zonas con seguridad intrínseca.

• El PROFIBUS PA permite aún el mantenimiento y la conexión/desconexión de equipos mismo durante la operación, sin afectar otras estaciones en zonas  de potencial explosivo.

• El PROFIBUS PA fue desarrollado en cooperación con los usuarios de la Industria de Control y Proceso (NAMUR), cumpliendo con las exigencias de esa zona de aplicación.

• Las tres variedades de los niveles inferiores son muy parecidas, siendo la gran diferencia la interfaz de los programas de aplicación. El nivel 1 define el medio físico. El nivel 2 (nivel de transporte de datos) define el protocolo de acceso al barramiento. El nivel 7 (nivel de aplicación) define las funciones de aplicación.

• La arquitectura garantiza la transmisión de datos rápida y eficaz. Las aplicaciones disponibles del usuario, además del comportamiento de los varios tipos de dispositivos PROFIBUS DP están especificados en la interfaz del usuario.

• El PROFIBUS – FMS tiene los niveles 1, 2 y 7 definidos, siendo el nivel de aplicación compuesto por mensajes FMS (Fieldbus Message Specification) y de la camada inferior (LLI -Lower Layer Interface). El FMS define un gran número de servicios potentes de comunicación entre maestros y entre maestros y esclavos.

• El LLI define la representación de servicios del FMS en el protocolo de transmisión del nivel 2.

• El protocolo de comunicación PROFIBUS PA usa el mismo protocolo de comunicación PROFIBUS DP. Esto porque los servicios de comunicación y mensajes son identicos. Realmente, el PROFIBUS PA = PROFIBUS DP – protocolo de comunicación + Servicios Acíclicos Estendidos + IEC61158, que es el Estrato Físico, también conocido por H1. El permite la integración uniforme y completa de todos los niveles de automatización y las fábricas de las zonas de control de proceso. Esto significa que la integración de todas las zonas de la fábrica puede realizarse con un protocolo de comunicación de distintas variaciones.

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