Capa Física (PHL): 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 (sólo en Fieldbus).
Capa de Enlace de Datos (DLL) : transfiere datos entre entidades de la red; realiza el mantenimiento, la activación y desactivación de los enlaces de las conexiones de datos, agrupación de bits en caracteres y tramas, control de errores, control de acceso al medio y control de flujo ( permitiendo a varios dispositivos compartir la red). La norma define el tipo de control de acceso al medio, formatos de trama, la comprobación de errores.
Capa de Aplicación (APP) : permite la interconexión entre los puntos de acceso y el usuario. El estándar define formatos de mensaje y servicios a disposición de los AP.
OSI en Fieldbus
Sólo las capas 1, 2 y 7 son utilizados por Fieldbus, y la aplicación es la funcionalidad proporcionada por los bloques de función.
Un dispositivo de bus de campo tiene tres procesos de aplicación (APs): La aplicación de bloques de función, gestión de redes, y gestión del sistema.
Capa Física de Fieldbus
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.
Opciones de medios físicos: | Opciones de tasa de transmisión: |
| 31.25 kbit/s
|
Características comunes de los medios de comunicación
Los datos se intercambian utilizando una señal serial half-duplex síncrona. Un dispositivo transmite y recibe en el mismo medio, pero no simultáneamente. La señal se auto-temporiza, utilizando la codificación Manchester (también conocido como bifásico L). Dado que la transmisión es sincrónica, no se requiere bits de inicio o paro. En la codificación Manchester, el reloj y los datos se combinan para que un flanco de subida represente un 0 lógico (cero), y un flanco de bajada representa un 1 lógico (uno) en los datos.
Figura 2. Codificación Manchester
Cuando se transmite, primero hay un preámbulo, lo que
equivale al timbrado del teléfono, para sincronizar los receptores de
otros dispositivos. El principio y final del mensaje se indica con delimitadores
de inicio y final. Los delimitadores no se codifican, sólo los datos,
por lo que puede ser identificados. Los bits no codificados de los delimitadores
se les llama N+ (nondata positivo), y N- (nondata negativo). El preámbulo
y los delimitadores añadidos por la capa física en el dispositivo
de transmisión, son descartados en la capa física del dispositivo
receptor.
Figura 3. Fieldbus fotograma de la capa física.
Características de los medios Cableados.
Los medios de comunicación utilizan señales eléctricas en un cable de par trenzado normal, aprobado en el estándar IEC / ISA desde 1992.
La distancia máxima permitida entre dos dispositivos depende de la velocidad de transmisión escogido.
Velocidad: | Distancia: |
31.25 kbit/s: | 1.900 m |
1 Mbit/s (modo de Voltaje): | 750m |
1 Mbit/s (modo de Corriente): | 750m |
2.5 Mbit/s: | 500m |
El dispositivo debe aislar el hardware de comunicación, (MAU – Media Attachment Unit) , desde tierra para evitar bucles de tierra eléctrica cuando los dispositivos son multiaterrados.
La topología de bus (Figura 4), la topología de árbol (Figura 5) y punto a punto son topologías compatibles. La topología del árbol sólo es compatible con la versión de baja velocidad. El bus tiene un cable troncal (trunk) con dos terminaciones . Los dispositivos están conectados con el troncal a través de las espuelas (spurs). Las espuelas pueden ser integrados en los dispositivo permitiendo alcanzar espuelas de longitud cero. Una espuela puede conectar más de un dispositivo, dependiendo de la longitud. Acopladores activos pueden utilizarse para ampliar la longitud de las espuelas. Repetidores activos se puede utilizar para extender la longitud del troncal.
Figura 4. Topología de Bus
Figura 5. Topología de árbol
Las terminaciones están diseñados para tener
una impedancia de 100 ohms cada uno alrededor de la frecuencia de transmisión.
Un dispositivo transmite mediante la modulación de corriente en la red
de acuerdo a la señal de codificación Manchester. Dispositivos
de recepción detectan la caída de tensión generada en los
dos terminales de acuerdo como la corriente es modulada. La corriente modulada
va de 15 a 20 mA pico a pico en la versión de baja velocidad, con una
sensibilidad del receptor de 150 mV.
Figura 6. Modulación de la señal en medios Cableados.
Características de medios cableados a 31.25 kbit/s
La opción de menor velocidad, 31.25 kbit / s, es la más versátil y se espera que sea el tipo más utilizado. Ofrece versiones de seguridad intrínseca y alimentación el dispositivo mediante el bus. El número de dispositivos está limitado por la siguiente elección.
Intrínsecamente seguro / no intrínsecamente segura
Alimentado por bus / alimentado separadamente
El número típico de los dispositivos se indica en el cuadro 1, el número real varía según el tipo de dispositivos.
Cuadro 1. El número máximo de nodos de la red
En los sistemas de seguridad intrínseca, la barrera
de seguridad debe colocarse entre la fuente de alimentación y el terminal
de alimentación final.
Los dispositivos pueden ser alimentados por el bus, requiriendo solo dos cables para el suministro y la comunicación. Una fuente de alimentación única, común a todos los dispositivos, está conectada a la red en cada extremo del troncal. La tensión puede estar en el rango de 9 a 32 VDC. La impedancia de la fuente de alimentación debe tener un mínimo de 3 kilo ohms alrededor de la frecuencia de transmisión a fin de no causar un cortocircuito en la señal de comunicación. Una señal codificada en Manchester tiene el ciclo de exactamente 50% y puede ser visto como una señal de CA. El consumo de corriente directa (potencia consumida) de un dispositivo es por tanto constante.
Capa de enlace de datos de Fieldbus – FDL
La capa de enlace de datos de Fieldbus, capa se compone de dos subcapas: la porción más baja es Fieldbus Media Access Control (FMAC) y la parte superior es Fieldbus Data Link Control (FDLC).
Un dispositivo en Fieldbus es uno de los dos tipos de estaciones:
Estación Maestra
Estación Esclavo.
Una estación maestra tiene el derecho de acceso a los medios (iniciar la comunicación). Los esclavos sólo tienen el derecho a responder a una solicitud de un maestro.
Control de acceso al Medio de Fieldbus
El medio de acceso a la comunicación es una fusión entre los principios de token y passing and Polling . Varios dispositivos en una red pueden ser estaciones maestras. Sólo la estación que tiene el token se le permite iniciar la comunicación. El maestro puede solicitar información a los dispositivos esclavos, mientras tengan token. El token se pasa al siguiente maestro en una trma especial.
A los dispositivos se les dan las direcciones individuales de estación. Todos los frames contienen la dirección de destino (DA) y la dirección de origen (SA) del mensaje.
Fieldbus cuenta con servicios que liberan al usuario de la responsabilidad de asignar y hacer el seguimiento de las direcciones.
Un requisito para el control fiable es datos fiables. Una Frame Check Sequence (FCS) de dos Bytes se calcula sobre todos los datos del marco utilizando un polinomio en el dispositivo de transmisión, y se agrega al marco. El dispositivo receptor realiza el mismo cálculo y compara el resultado con el FCS, para así detectar cualquier error. El FCS es equivalente a la paridad de bits de redundancia cíclica y controles de los protocolos asíncronos.
Hay dos prioridades: alta, por ejemplo, alarmas, y baja, por ejemplo, los datos de configuración y diagnóstico. La FDL transmite los mensajes de alta prioridad primero.
Datos de Control de Enlace de Fieldbus FDLC
El FDLC ofrece varias posibilidades para la capa de aplicación para enviar datos a otras estaciones.
Hay dos tipos de mensajes que pueden ser identificados en un sistema de Fieldbus:
Operacional.
Background.
El tráfico de datos operacionales se transfieren entre dispositivos como parte de la estrategia de control, por ejemplo, las variables del proceso. Se caracteriza por ser de bajo volumen, momento crítico y cíclico. El trafico de Background es el tráfico de datos transferidos entre el dispositivo y la interfaz de usuario, por ejemplo, configuración y diagnóstico. Tiene las características opuestas de tráfico operativos: alto volumen, no de tiempo crítico y es acíclico (esporádica).
Capa de Aplicación de Fieldbus.
Las conexiones de Fieldbus se modelan en dos formas:
El modelo de servidor cliente-servidor, se utiliza para describir la transferencia de datos acíclicos. El AP a distancia se llama servidor . Por ejemplo, si el operador de la consola quiere leer un parámetro de ajuste en un regulador en el campo, el AP en la consola es el cliente, y la AP en el controlador es el servidor.
El modelo de suscripción-editor se utiliza para describir la transferencia de datos cíclicos. El mando a distancia AP se llama el editor. El editor en realidad edita (edición) los datos, un usuario está consumiendo (suscrito) los datos. Por ejemplo, un transmisor es la publicación de una variable de proceso que se consume por un controlador. El controlador está publicando una salida que es consumida por un actuador. La transmisión es controlada por un tercero, el solicitante , que emite una solicitud al editor para publicar sus datos.
La intención principal de Fieldbus es la construcción de aplicaciones que utilizan bloques de función. Esto se haría en the Function Block Application Process (FBAP).
Un transmisor de presión no es un conjunto de sensores de presión con electrónica y un housing, sino un nodo de red que contiene los parámetros. Este punto de vista de la red recibe el nombre de dispositivo virtual de campo (VFD, Virtual Field Device ). Un dispositivo (estación) contiene sólo una FBAP. El FBAP puede contener varias VFD.
El VFD es la interfaz entre la pila de protocolos y el bloque de AP. El VFD es la parte de la aplicación real que ese visible y accesible a través de la red, los objetos de comunicación, tales como variables y bloques, etc.
Antes de que un dispositivo puede tener acceso a objetos de comunicación (variables) en otro dispositivo, primero debe saber qué objetos están disponibles y su estructura. Esta información puede ser pre-configurada u obtenida del compañero de comunicación. Hay dos tipos de servicios: servicios operativos para manipular objetos y servicios para la manipulación de sus atributos descriptivos.
Todos los objetos (variables, etc.) tienen un índice para una fácil referencia. Todos los parámetros en el sistema se identifican por su índice a más de la conexión. El usuario no tiene que preocuparse por llevar un seguimiento de los índices y las direcciones que se hace por la red y puede ser totalmente transparente para el usuario, dependiendo del tipo de interfaz.
Ejemplos de servicios
leer el estado del dispositivo.
lectura del fabricante del dispositivo, el tipo y la versión.
lectura de todo o parte de la configuración.
lectura de variables.
Escritura variable.
notificar un evento.
Crear una instancia de bloque.
encontrar un índice de la DO de un parámetro.
Eliminar el bloque.
Proceso de Aplicación de Bloques de función.
En los bloques de función de AP (FBAP) es donde el usuario configura sus aplicaciones de medición y control. Partes del mismo se distribuye a los distintos dispositivos en el campo. No se ejecuta en una sola tarjeta de control.
La funcionalidad de un dispositivo Fieldbus se modela como objetos. El objeto de bloque tiene tres clases que a su vez tienen subcategorías en las que los distintos bloques se agrupan.
Objeto de Bloque
Función del objeto del bloque
Entrada del bloque de función
Salida de bloques de función
Control de bloques de función
Cálculos de bloques de función
Transductor de objeto de bloque
Entrada del bloque transductor
Salida del bloque transductor
Mostrar bloque transductor
Bloque objeto físico
Alarmas del objeto.
Eventos del objeto.
Tendencias del objeto.
Visualización de la lista.
Figura 8. Arquitectura FBAP.
La parte de la FPAP, que está normalizado por Fieldbus,
se llama el depósito de bloques de función . Por ejemplo, los
algoritmos de bloque no están estandarizados. Por cada bloque hay un
conjunto de parámetros que, en cierta medida, definen la funcionalidad
mínima que un bloque va a tener. Sin embargo, el fabricante podrá
implementar el bloque a su manera. Por ejemplo, en el bloque de control PID
debe haber un parámetro de ganancia y por lo tanto, el fabricante podrá
utilizar este parámetro como ganancia o banda proporcional.
Bloques de Función
Los Function Block son pequeños módulos de software sellados, que tienen entradas y salidas y una función (no intervenible) que relaciona ambas.
Se distinguen tres tipos:
Resource blocks.
Relaciona el dispositivo completo (N° serie, Fabricante, Modelo, etc).
Transducer blocks .
Relaciona las partes humedas (wetted) (Sensor, material, estatus).
Function blocks .
Relacionan las capacidades de control (AI, AO, PID, PI).
Foundation Fieldbus define un set de bloques funcionales básicos y avanzados, el fabricante decide cuantos incluir.
InterOperabilidad: Garantiza que un Function Block es interoperable y
opera junto a otros bloques, no garantiza la funcionalidad de (distintos equipos),
ya que los algoritmos pueden ser distintos. Otros Bloques desarrollados por
otro fabricante, también son interoperables ya que fieldbus especifica
como hacerlo.
Basic Specified Continuous Blocks | ||||
Analog Input | AI | Reads analog input | ||
Analog Output | AO | Sends analog output | ||
Bias Gain | B | Scaling | ||
Control Selector | CS | Override control | ||
Manual Loader | ML | Manual Control | ||
PID Control | PID | PID Control | ||
PD Control | PD | PD only control | ||
Ratio Control | RA | Ratio Control | ||
Basic Specified Discrete Blocks | ||||
Discrete Input | DI | Reads discrete input | ||
Discrete Output | DO | Sends discrete output | ||
Advanced Specified Continuous Function Blocks | |
Complex AO | Provides extensive interlocking |
Splitter | 1-in-3-out + logic — for split ranging |
Selector | 4-in-1-out (min., max., mid., avg.) |
Setpoint Generator | SP generator for Batch applications |
Characterizer | Has interpolation and tracking |
Integrator | Integrate flow or pulse + reset |
Calc_A | 1131-C inst. – 50 steps – analogs |
Lead/Lag | Dynamic compensation |
Dead Time | Delay for analog feedforward control |
Analog Alarm | Provides alarm response |
Advanced Specified Discrete Function Blocks | |
Digital HMI | Operator input – reference by tag |
Pulse Input | Pass pulses to integrator |
Timer | Count up/down, debounce |
Digital Alarm | Provides alarm response |
Step Control | SP control using discrete actuators |
Calc_D | 1131-C inst. – 50 steps – discretes |
Complex DO | Provides extensive interlocking |
Device | Simple 2 or 3 state devices (pumps) |
Dead Time | Delay for analog feedforward control |
Analog Alarm | Provides alarm response |
No todos los dispositivos trae el mismo número de bloques, sino que traen una base mínima.
Si uno desea y el fabricante lo permite se puede copiar (instance) un bloque al dispositivo para agregarle una funcionalidad, esto se llama instantation. Por ej. Agregar un segundo PID a una válvula de control.
Ventaja del coste de Fieldbus
Una ventaja importante de la puesta en práctica de Fieldbus son los ahorros que se asocian a la eliminación del cable; los múltiples dispositivos comparten pares para comunicarse. Otras ventajas de Fieldbus, a continuación:
Puede funcionar en ambientes industriales y/o peligrosos.
Lleva la energía por el mismo cable.
Puede reutilizar cables existentes.
Soporta Seguridad intrínseca.
Control deterministico.
Mantiene informado al usuario.
Desventajas del fieldbus
Hay desventajas a usar el fieldbus:
Los sistemas de Fieldbus son más complejos, así que los usuarios necesitan ser entrenados más extensivamente o ser calificados más altamente
El precio de los componentes del fieldbus es más altos.
Los dispositivos de prueba de Fieldbus son más complejos.
Los fabricantes de dispositivos tienen que ofrecer diversas versiones de sus dispositivos (e.g. sensores, actuadores) debido al número de diversos estándares (incompatibles) de fieldbus.
Unos o más estándares del fieldbus pueden predominar en un futuro y otros pueden llegar a ser obsoletos. Esto aumenta el riesgo de la inversión al poner fieldbus en ejecución.
Progresos actuales
Estos últimos años las comunicaciones de sistemas industriales están incorporando Ethernet como medio de comunicación, entre otras razones por el advenimiento de Pv6. La mayoría de los dispositivos industriales de medida y control necesitan ser accionados utilizando el bus y Energía-Sobre-Ethernet (PoE).
Aquí está una lista parcial de los nuevos sistemas de comunicación industriales basados Ethernet:
EtherCAT.
Ethernet Powerlink.
SERCOS III.
PROFINET IO.
ETHERNET/IP.
VARAN.
SafetyNET p.
Ethernet industrial.
Seguridad de Fieldbus
Fieldbus se puede utilizar en sistemas donde se debe cumplir estándares seguridad relevantes como IEC 61508 o EN 954-1. Dependiendo del protocolo real, fieldbus puede proporcionar mediciones como para: contadores, CRC, eco, tiempos de paro, identificación única del remitente y del receptor o chequeo cruzado. Fieldbus y Profibus (PROFIsafe) tienen variables en su protocolo de comunicación para que sean compatibles con los sistemas de seguridad.
Babb, Michael. (1994). Will Maintenance Learn To Love Fieldbus? Control Engineering, January, 19.
Babb, Micahel. (1994). Summer, 1994: Another Fieldbus Delay, Schneider's DPV, and Open Systems Control Engineering, July , 29.
Gokorsch, Steve. (1994). Another Scenario: Maintenance Will Learn to Love Fieldbus Control Engineering, June, 112–114.
Gunnel, Jeff. (1994). Analyser Links Can Use Fieldbus Control and Instrumentation, March, 33–35.
Hodgkinson, Geoff. (1994). Communications Are We Listening? Process Engineering, Instrumentation Supplement 1994, s19–s21.
Jones, Jeremy. (1992). Can Fieldbus Survive? Control and Instrumentation, August, 25–26.
Kerridge, Brian. (1994). Network Vendors Aganize Over Fieldbus StandardEDN, April 28th, 45–46.
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Reeve, Alan. (1993). Fieldbus — Are Users Involved? Control and Instrumentation, August, 25–26.
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Links
Fieldbuses for Process Control: Engineering, Operation, and Maintenance
Manufacturing Systems Integration Research Institute at Loughborough, UK
Autor:
Xavier Méndez
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