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BUSES DE CAMPO Jonathan Humberto Luzón Carrión [email protected] Universidad Politécnica Salesiana - Sede Cuenca Comunicaciones  Abstract--- El presente documento tiene como objetivo principal, mostrar las características principales de los buses de campo más utilizados en las comunicaciones industriales, destacando de cada uno aspectos como la trama que usan, la velocidad a la que operan y la distancia. Estos puntos determinarán una mejor comprensión de su uso en las redes de automatización y su desenvolvimiento a nivel industrial. The main objective of this document is to show the main characteristics of the field buses most used in industrial communications, highlighting each of the aspects such as the plot they use, the speed at which they operate and the distance. These points will determine a better understanding of their use in automation networks and their development at an industrial level. Key words— Buses de campo, trama, velocidad, distancia, tipos, características. I.

OBJETIVOS



Posibilidad de intercambio de datos entre diferentes sectores del proceso y departamentos. Posibilidad de programación y control a distancia sin tener que estar en campo. Dependiendo del tipo de instalación, la implantación de una red de comunicaciones industrial puede ser o no rentable, lo que obliga a un estudio previo antes de su utilización. [1] III.

MARCO TEÓRICO

Con la implantación en los últimos años del microprocesador en los instrumentos de medida, se han conseguido reducciones en los costos y grandes mejoras en cuanto funcionamiento, tales como: linealización de respuesta, facilidad de calibración haciendo uso de teclado y display, etc. No obstante, la comunicación digital se ha limitado hasta ahora, a una mera transmisión de datos de diagnóstico y de configuración, superpuesta a la señal analógica de medición, haciendo uso de una terminal especifica de configuración. [1] A continuación, se presentan los buses de campo de más utilización en la actualidad y sus principales características.

Objetivo General: 

Analizar las características de los diferentes buses de campo a modo de determinar su mejor uso por medio de sus propiedades dentro de la industria.

Objetivos Específicos:  

Analizar las características de los diferentes buses de campo. Determinar su velocidad, trama y distancias. II.

INTRODUCCIÓN

La automatización en las industrias ha seguido un proceso gradual, aplicando la tecnología disponible en cada momento. Esto ha dado lugar a las denominadas ‘islas automatizadas’, término empleado para designar a una serie de equipos aislados entre sí y dedicados al control de una máquina o parte del proceso. Entre las innumerables ventajas del empleo de redes industriales, podemos destacar las siguientes:  Visualización y supervisión de todo el proceso productivo.  Mayor velocidad en la toma de datos.  Mejora del rendimiento del proceso al realizar el control en su conjunto.

Nombr e

Topología

Soport e

Max. Disp.

Rate Tran s. bps

Distanci a max. km

Comunicaci on

Profibus Dp

Linea, estrella, anillo

127/segm

1.5 M y 12 M

0.1 segm 24 fibra

Master/slave P2P

Profibus PA

Linea, estrella, anillo

14400/seg m

31.5 K

0.1 segm 24 fibra

Master/slave P2P

Lonwor ks

Bus, anillo, lazo, estrella

32768/do m

500 K

2

Master/slave P2P

Interbus -S

Segmentado

256 nodos

500 K

400 /segm 12.8 total

Master/slave

Device NEt

Troncal/punt ual c/bifurcación

2048 nodos

500 K

0.5 6 c/rep

Master/slave P2P Multimaster

Modbus RTU

Linea, estrella, árbol, red con segmentos

250 p/segm

1.2 a 115.2 K

0.35

Master/slave

Ethernet Industria l

Bus, estrella, malla-cadena

Par trenzad o, fibra óptica Par trenzad o, fibra óptica Par trenzad o, fibra óptica, coaxial, radio Par trenzad o, fibra óptica Par trenzad o, fibra óptica Par trenzad o, coaxial, radio Par trenzad o, fibra óptica, coaxial Par trenzad o

400 p/segm

10, 100 M

0.1 100 mono c/switch

Master/slave P2P

15 p/segm

1.2 K

HART

Master/slave P2P

Tabla.1. Características de los principales buses de campo. [2]

2 3.1 PROFIBUS Es un bus de campo impulsado por fabricantes alemanes.  Estándar abierto bajo norma DIN 19.245  Variantes: Profibus DP, FMS y PA.  Es un subjuego de MINIMAP (usada en niveles superiores con más prestaciones).  Concreta bastante el nivel de aplicación.  Utiliza topología en bus o árbol.  Medio físico: RS-485, fibra óptica y enlaces módem y radio.  Acceso al medio: Multimaestro (paso de testigo con maestro flotante).  Fabricantes: Bosch, Siemens, ABB, AEG, Bauer, Danfoss, Endress +Hauser.  Velocidades de transmisión: –9.6, 19.2, 93.75, 187.5 y 500 KBaudios.  Número máximo de estaciones: 127 (32 sin utilizar repetidores).  Distancias máximas alcanzables (cable de 0.22 mm. de diámetro): - Hasta 93.75 KBaudios: 1200 metros - 187.5 KBaudios: 600 metros - 500 KBaudios: 200 metros. [3] La trama admite 3 tipos de formato: tramas de longitud fija sin datos, tramas de longitud fija con datos y tramas de longitud variable.

Fig. 2. Capas del modelo OSI para PROFIBUS [2]

3.2 DIFERENCIAS ENTRE PROFIBUS PA Y DP     

Codificación síncrona Manchester, 31.25 kBit/s en corriente 4 Cable de par trenzado apantallado o sin apantallar 4 Distancia hasta 1.900 m por segmento, ampliable mediante repetidores 4 máx. 127 estaciones (sin Enlace DP/PA), 10-32 por segmento (dependiendo de que sean zonas clasificadas y el consumo)

Un sistema típico PROFIBUS-DP consiste en: Un PLC o PC como sistema de control Varios dispositivos E/S como:  E/S digitales o analógicas  Accionamientos AC o DC  Válvulas magnéticas o neumáticas.

Fig. 1. Distintos formatos de trama [2]

La interpretación de dichas tramas es algo compleja debido a la variedad de tipos previstos para dar servicios a dispositivos con distinto nivel de complejidad, por lo que nos centraremos en explicarlas dentro de los mensajes básicos (cíclicos y acíclicos) que ofrece el protocolo a nivel de enlace.

Fig. 3. Perfiles de Profibus [2]

3.3 MODBUS Modbus es un protocolo de comunicaciones, basado en la arquitectura maestro / esclavo o cliente / servidor, diseñado para trabajar con controladores lógicos programables (PLCs). Convertido en un protocolo de comunicaciones estándar de facto en la industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexión de dispositivos electrónicos industriales. Las

3 razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros protocolos de comunicaciones son: - Es público. - Su implementación es fácil y requiere poco desarrollo. - maneja bloques de datos sin suponer restricciones. El medio físico puede ser un bus semidúplex (RS-485 o fibra óptica) o dúplex (RS-422, BC 0-20 mA o fibra óptica). - La comunicación es asíncrona y las velocidades de transmisión previstas van desde los 75 baudios hasta los 19200 baudios. - La máxima distancia entre estaciones entre estaciones depende el nivel físico, pudiendo llegar hasta los 1200m sin necesidad de utilizar repetidores. [4] La trama Modbus se identifican por una serie de campos, que son los siguientes:    

Device Address: Se trata de la dirección del dispositivo hacia el que el emisor se está dirigiendo. Register Address: En este caso es a la que tenemos intención de acceder. Function Code: Es la función que el emisor habría de realizar. Number of Registers: Se trata del número de registros sobre los cuales se debe realizar la función anterior.

Estos se envían siguiendo la secuencia Device/Function/Register/Number. Además, se pueden añadir otros campos a continuación como es el Error Check, bastante común. Este consiste en una verificación del mensaje enviado y recibido, incluyendo un CRC que se compara para comprobar que el contenido no se ha deformado. Estos son los campos que nos encontramos en un Modbus cualquiera. Después, dependiendo de si trabajamos con TCP, RTU, etc. Las tramas se pueden completar con algunos otros. [5]

Protocolo de comunicación para conectar sensores, actuadores y sistemas de automatización en general. Utilizado principalmente en la interconexión de controladores industriales y dispositivos de entrada/salida (E/S o I/O), el protocolo sigue el modelo productor-consumidor, suporta múltiplos modos de comunicación y posee prioridad entre mensajes. Se puede decir que DeviceNet es CAN BUS adaptado a la industria, Principalmente se le agregó un par adicional para transportar alimentación de 24V a los dispositivos del ducto y se agregó blindaje para reducir la interferencia. [6] 3.4.1                

Características

Topología tipo tronco con derivaciones. La Línea Truncal debe ser implementada con cable más grueso mientras que las ramificaciones pueden ser más delgadas. Permite uso de repetidores puentes y compuertas. Soporta hasta 64 nodos, incluyendo al maestro, direcciones de 0 a 63 (MAC ID). Cable Doble-par: uno para fuente de 24V y el otro para la comunicación. Inserción y remoción (mediante un mecanismo), Sin afectar la red. Suporta equipos alimentados 24V por la red o por sí mismos. Utiliza conectores abiertos y sellados. Protección contra inversión de polaridad o corto circuito. Capacidad de hasta 16A. Se pueden usar varias fuentes para cumplir con los requisitos de carga y longitud del cable. Se puede seleccionar la velocidad: 125, 250 e 500 kbps. Comunicación basada en modelo Conexiones I/O y Pregunta-Respuesta. Diagnóstico para cada equipo y la red. Detección de duplicidad de dirección en la red. Mecanismo de comunicación extremadamente robusto ante la interferencia electromagnética.

DeviceNet utiliza el estándar CAN en la capa de enlace de Datos (capa 2 modelo OSI). La trama de dato de DeviceNet utiliza solo un tipo de trama de CAN. El protocolo usa un mínimo de ancho de banda para transmitir mensajes CIP. La trama usada por DeviceNet se muestra en la figura 5.

Fig. 4. Trama del protocolo MODBUS [5]

3.4 DEVICENET Fig.5. Formato de trama de datos. [6]

4 3.5 LONWorks LonWorks es una tecnología de control domótico, presentada en 1992 por la empresa Echelon en Estados Unidos. Tecnología abierta que cuenta con casi 400 fabricantes que la producen en todo el mundo. Además, existe un organismo independiente de estandarización que controla la compatibilidad de los productos, provee estándares y decide sobre su actualización, esta organización se llama LonMark. El protocoloLonWorks es independiente del medio, los equipos con esta tecnología se pueden conectar a distintos medios físicos usando transceptores. En consecuencia, puede hacerse un uso completo de la variedad de canales disponibles para la red de control. Cada tipo de canal tiene diferentescaracterísticas en términos de tasa de transmisión de bits, máximo número de equipos conectados, distancia límite de transmisión, etc. La siguiente tabla resumen los canales más frecuentes usados en LonWorks. [7]

Cada nivel puede operar a una velocidad propia y posee sus propias direcciones.

Tabla.2. Nodos y repetidores. [8]

La comunicación entre nodos se realiza mediante mensajes. Dicha comunicación siempre se efectúa a petición del maestro y consta siempre de un mensaje de pregunta al esclavo y de un mensaje de respuesta del mismo. La trama de mensaje se compone de entre 6 y 255 bytes, siendo su estructura la siguiente:

Tabla.3. Trama de mensajes en BitBus. [8]

Fig.6. Canales LONWorks. [7]

A nivel de infraestructura física, LonWorks puede funcionar sobre par trenzado, Ethernet, cable de conducción eléctrica (PLC), fibra, radio, etc., lo que le confiere una gran versatilidad de uso. La arquitectura de la tecnología está pensada para funcionar en modo parejas, de manera que cualquier dispositivo puede hablar con cualquier otro sin ningún tipo de restricción, por ello se permiten las topologías en bus, anillo, estrella o mixtas.

Flag Longitud: 1 byte. Todo mensaje debe estar delimitado mediante dos Flag al comienzo y al final del mismo. Se denomina Flag a un carácter de valor fijo e igual a 7E (hexadecimal). Dirección esclavo Longitud: 1 byte. En todos los mensajes este campo indica la dirección del esclavo, entre 1 y 250. Las direcciones 0 y 251 a 255 están reservadas. Control Longitud: 1 byte

3.7 DIN MessBus

Fig.7. Formato de trama de Lonworks. [7]

3.6 BITBUS La estructura de la red BITBUS puede ser de varios tipos:  Básica: estructura lógica del tipo maestro-esclavo.  Arbol: se emplean repetidores para largas distancias, se considera todo un único bus y se opera en modo autoreloj (debido a que los repetidores no transmiten la señal de reloj).  Arbol multinivel: se emplean uniones esclavomaestro para formar sub-buses en varios niveles.

El bus de medición DIN se incluye con los sistemas de bus de campo. Los dispositivos inteligentes de medición y automatización del bus de campo se controlan de forma centralizada. Debido a las líneas de transmisión / recepción, separadas y al cableado de los buses de medición DIN, se puede utilizar en dispositivos e instalaciones dentro de la metrología legal. Además de las instalaciones de tanques, el sistema de autobuses también se puede utilizar en sistemas de pesaje técnico y en instalaciones de medición de flujo. El sistema está diseñado físicamente para 31 esclavos, así como una transmisión de datos ajustable de hasta 1 Mbps. Mediante la conexión en cascada, es decir, el enlace de varios módulos, los participantes pueden sumarse hasta 961. Para una utilización completa de la velocidad de transmisión, la línea de conexión principal debe tener una longitud de 500 m, y las líneas de alimentación a los participantes no deben exceder los 5 m. Las distancias de transmisión pueden ser ampliadas por repetidores.

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Protocolo DIN MessBus La comunicación en un protocolo de medición DIN se realiza básicamente en tres fases. Son la petición, la transmisión y la terminación. El protocolo de bus de medición DIN crea la posibilidad de una alta seguridad de datos. Esto se establece mediante la supervisión del tiempo a través de la llegada de los telegramas, la verificación de los datos transmitidos a través de un carácter de verificación de bloque y la confirmación de la transmisión del mensaje. Aquí, una característica especial es la consulta de estado enormemente breve, ya sea sobre los datos para la transmisión al maestro o para la consulta sobre la preparación para la recepción. Como tal, es posible reaccionar a los eventos en tiempo real. La consulta de datos para la transmisión del maestro al esclavo se llama sondeo. Sin una consulta exacta del maestro, un suscriptor no puede liberar datos. Los tipos de transmisión se dividen en cuatro variantes. Con esto, la parametrización, es decir, la transmisión del maestro al esclavo, y la transmisión de datos del esclavo al maestro se oponen entre sí. Además, hay tráfico lateral bajo el control del maestro, así como la emisión circular del maestro. Esta transmisión hace posible que el maestro informe a todos los participantes al mismo tiempo. La transmisión se hace posible mediante caracteres ASCII y / o un código de 7 bits. Con esto, la orientación sigue la representación habitual de las interfaces en los instrumentos de medición. [9]

Fig.8. Topología estándar del DIN MessBus [9]

3.8 InterBus-S InterBus-S es un sistema de bus de campo que cubre diferentes ámbitos de aplicación. Hoy día es todavía bastante frecuente en instalaciones de producción de la industria del automóvil. Interbus utiliza un procedimiento de acceso Master-Slave. El Master de bus realiza simultáneamente el acoplamiento al sistema de control o bus principal. El sistema de bus tiene una topología de anillo, es decir, los participantes están acoplados activamente a una ruta de transmisión cerrada. El cable de bus remoto INTERBUS forma una conexión RS485 y, a causa del anillo estructura y la necesidad adicional de un conductor del empate entre dos bus remoto-dispositivos, requiere cinco cables. Debido a los diferentes métodos de transmisión físicos, el autobús local está disponible con 9 cables y niveles TTL para distancias cortas (hasta 1,5 m [4.92 pies.]) y como un cable de dos hilos con un interfaz actual basado en TTY para distancias medias (hasta 10 m [32,81 pies.]). Debido a la función de amplificador integrado en cada dispositivo de bus remoto, la expansión total del sistema

INTERBUS puede alcanzar 13 km (8,08 millas.). Para que el sistema sea fácil de operar, el número de dispositivos INTERBUS está limitado a un máximo de 512. Este tipo de bus puede transmitir una serie síncrona a 500Kbps y alcanzar una distancia entre nodos de 400m.

Fig.9. Topología de anillos y subanillos. [10]

3.9 WorldFIP “World Factory Instrumentation Protocol” ó WorldFIP es un protocolo de red de Field bus diseñado para proporcionar comunicación entre el nivel cero o de campo (sensores y actuadores) y el nivel uno de control de procesos (controladores, PLC’S, CNC, etc.) de la pirámide de automatización. Entre los medios fiscos de transmisión podemos encontrar cable par trenzado, fibra óptica y radio transmisión. Las velocidades y las distancias máximas varían de acuerdo al medio físico Para par trenzado encontramos tasas de 31.25 kbit/seg, 1 Mbit/seg (tasa estándar) y 2.5 Mbit/sec. Para fibra óptica se cuenta con una velocidad de 5 Mbit/seg. La longitud de cada segmento depende de la velocidad, medio físico y el número de nodos implementados, consiguiendo longitudes de hasta 1 Km por segmento en cable trenzado. La topología soporta conectividad, lo que permite el uso de switches y de repetidores para aumentar los rangos de alcance. El número de repetidores está determinado por el patrón físico de la red. Por ejemplo, en cascada se pueden usar máximo 4 repetidores, para un total de 5 segmentos. En otras configuraciones solo se podrá usar 3 repetidores.

Longitud del bus: • 1 Km sin repetidor. • 5 Km con 4 repetidores eléctricos (5 segmentos de 1Km) • 15 Km con 4 repetidores ópticos (5 segmentos de 3 Km) Todas las tramas de datos del modelo WorldFIP tienen la misma estructura, tienen una secuencia de inicio de trama (FSS), campos de información y verificación (CAD) y secuencia de fin de trama (FES).

6 La secuencia de inicio de trama se divide a su vez en dos campos: el preámbulo (PRE) y el delimitador de inicio de trama (FSD). El preámbulo consiste en una serie de 8 bits que se utilizan para que el receptor se sincronice con el reloj del transmisor y lea correctamente la información. El delimitador de inicio de trama le indica a la capa de enlace en donde empieza la información que se envía. En la secuencia de fin de trama se encuentra una serie de bits usados para delimitar el fin del campo de datos y verificación, estos bits también se conocen como delimitadores de fin de trama (FED). Estos campos le agregan 24 símbolos a cada trama de información que se quiera transmitir.

Fig.10. Estructura de una trama de datos. [11]

3.10 HART HART “Highway Addressable Remote Transducer” 1986 (ROSEMOUNT) fue ideado por Fisher Rosemount. Actualmente propiedad de la Fundación HART. Es un bus sensor-actuador de dispositivos inteligentes. Protocolo de comunicaciones digitales que puede operar encima de la señal analógica de 4-20 mA. [12] Especificaciones:     

Velocidad 1200 bits/s. Estructura carácter: 1 bit start, 8 bits de datos, 1 bit de paridad, 1 bit de stop. Número máximo de esclavos (dispositivos, sensores): 15. Número máximo de maestros: 2. En modo multidrop: sensores a 4 mA, direcciones de 1 a 15.

Tabla.4. Estructura de la trama del protocolo HART. [12]

Fig.11. Secciones recomendadas del protocolo HART. [12]

IV.

REFERENCIAS

[1] Courses, “Buses de campo”, Online, Available

[http://www.courses.is-great.org/Networks/Tema.09.pdf?i=1] [2] ETS de ingenieros industriales, “PROFIBUS”, Departamento de tecnología electrónica, Universidad Politécnica de Cartagena. [3] López J, “PROFIBUS”, Departamento de ingeniería de sistemas y automática, Universidad de Vigo. [4] Bibing, “Protocolo Modbus”, Anexos y proyectos, Volumen 1. [5] Cursos de ingeniería industrial, (2018), “Protocolos de comunicación: tramas Modbus”, España. [6] SCD, “DeviceNet”, Online, Availabe pdf [https://scd30c9ff661882d6.jimcontent.com/download/vers ion/1327821532/5826552678/name/DeviceNet.pdf] [7] INDELMAR, “¿Bacnet o Lonworks?”, Ingenieria e instalaciones industriales del Maresme. [8] Balcells J, Romeral J, “Automatas programables”, Serie Mundo Electronico, Ed. Marcombo, Boixareu editores, Barcelona, España. [9] Kunbus Industrial Communication, “DIN Measurement Bus”, Available [https://www.kunbus.com/din-measurementbus.html] [10] Pilz, “InterBus-S”, Automatización Segura, Tlalnepantla, México, 54050. [11] Gómez T, Moreno D, Pelaez D, “Protocolo WorldFIP”, Universidad Militar de Nueva Granada. [12] Electrotecnia-etsiam, “HART”, Online, Available [http://www.uco.es/electrotecnia-etsiam/pdf-master/05protocolos_(HART-ASI).pdf], UCO.