La capacidad de comunicación de los dispositivos y subsistemas y la metodología de información consistente, son componentes indispensables de los conceptos de automatización orientados al futuro.
Las comunicaciones comúnmente utilizan una combinación de sentido horizontal sobre el terreno con comunicaciones verticales a través de varios niveles jerárquicos al mismo tiempo. Los sistemas industriales en capas y coordinados de comunicación, como PROFIBUS con menor nivel de interconexión de AS-Interface y el nivel superior de la interfaz de Ethernet (a través de PROFINET) (ver Figura 1), ofrecen condiciones ideales para la creación de redes transparentes en todas las áreas del proceso de producción.
Las señales de nivel de sensor-actuador de sensores y actuadores binarios se transmiten a través de un bus actuador del sensor. Esto proporciona una tecnología sencilla y económica donde los datos y la potencia se transmiten a través de un medio compartido. AS-Interface ofrece un sistema de bus adecuado para este campo de aplicación.
En dispositivos de nivel de campo distribuidas, tales como módulos E / S, los transductores, las unidades de disco, dispositivos de análisis, las válvulas o terminales de operación, se comunican con los sistemas de automatización a través de un potente sistema de comunicación en tiempo real. La transmisión de los datos de proceso es cíclico, mientras que en las interrupciones adicionales, los datos de configuración y los datos de diagnóstico se transmiten de forma acíclica si es necesario. PROFIBUS cumple estos criterios y ofrece una solución universal para la fábrica y la automatización de procesos.
En los controladores de celda de nivel programables, tales como PLCs y IPCs, se comunican entre sí y con los sistemas de TI del mundo de la oficina utilizando estándares como Ethernet, TCP / IP, Intranet e Internet. Este flujo de información requiere de grandes paquetes de datos y una gama de funciones de comunicación de gran alcance. Así como PROFIBUS, Ethernet está basado en PROFInet y ofrece una solución ajustada para este propósito.
Posteriormente, PROFIBUS se describirá en detalle como el enlace de conexión central para el flujo de información en la industria de la automatización. Para más información sobre AS-Interface consultar la bibliografía. Además PROFInet se presentarán brevemente en el capítulo 10.
Los buses de campo son los sistemas industriales de comunicación que utilizan una variedad de medios tales como cable de cobre, fibra óptica o inalámbrica, con la transmisión de bits en serie para el acoplamiento de los dispositivos de campo distribuidos (sensores, actuadores, variadores, convertidores, etc) a una central de control o sistema de gestión. La tecnología del bus de campo se desarrolló en los años 80, con el objetivo de sustituir el uso común de cableado paralelo central y prevalecer la transmisión de la señal analógica (4-20 mA, o + / - 10V Interface) con respecto a la tecnología digital. Debido, en parte, a las diferentes demandas de la industria específica y soluciones preferentes de propias de los grandes fabricantes, los diferentes sistemas de buses se establecieron en el mercado. Las tecnologías clave se incluyen ahora en los recientemente aprobados estándares IEC 61158 y IEC 61784. PROFIBUS es una parte integral de estas normas.
Recientemente, los sistemas de comunicación basados en Ethernet se han convertido en la automatización industrial. Ofrecen una amplia gama de opciones para las comunicaciones entre los diferentes niveles de automatización industrial y el mundo de la oficina. PROFINET es un ejemplo de un sistema de este tipo de comunicación basada en Ethernet.
La necesidad de un desarrollo coordinado y una distribución de estos sistemas de bus de campo en el mercado, ha generado la creación de una serie de organizaciones de usuarios que incluye fabricantes, usuarios e instituciones, tales como la organización de usuarios PROFIBUS (PNO) y su organización principal PROFIBUS International (PI) para las tecnologías de PROFIBUS y PROFINET.
Los beneficios de los usuarios son la motivación para la aparición y el desarrollo continuo de la tecnología de bus de campo. En última instancia, se manifiesta como una reducción del coste total de propiedad, así como un aumento en el rendimiento y la mejora de la calidad durante la instalación y operación de las plantas de automatización. Los beneficios se logran durante la configuración, el cableado, la ingeniería, la documentación, el montaje y la puesta en marcha, así como durante la producción. Un beneficio adicional se logra mediante la reducción del coste total del ciclo de vida a través de faciles modificación y de la disponibilidad continua, debido a la información regular de diagnóstico, el mantenimiento preventivo, la parametrización simple, el flujo de datos constante y la gestión de activos.
Los buses de campo aumentan la productividad y la flexibilidad de los procesos automatizados en comparación con la tecnología convencional y cumplen todos los requisitos básicos para la configuración de los sistemas de automatización distribuidas.
Hoy en día, PROFIBUS se utiliza en prácticamente todas las áreas de la automatización, en la automatización de fábrica y la automatización de procesos, incluso también en la ingeniería de tráfico, generación de energía y distribución de energía.
El modelo de referencia ISO / OSI describe las comunicaciones entre las estaciones de un sistema de comunicación. Con el fin de que se ejecute con eficacia, las reglas definidas y las interfaces de transferencia deben ser utilizadas para el protocolo de comunicaciones. En 1983, la Organización Internacional de Normalización (ISO) desarrolló el modelo de referencia OSI ("Open Systems Interconnection Reference Model") para este propósito. Este protocolo define los elementos, estructuras y funciones necesarias para la comunicación y los organiza en siete capas con la construcción de cada capa sobre la capa situada debajo (fig. 2). Cada capa tiene que cumplir sus funciones específicas dentro del proceso de comunicación. Si un sistema de comunicación no requiere algunas de esas funciones específicas, las capas correspondientes no tienen ningún propósito y se omiten. PROFIBUS utiliza capas 1, 2 y 7.
Los protocolos de comunicación definen el modo de intercambio de datos de dos o más estaciones con los telegramas. Una hoja de datos contiene los diferentes campos para los mensajes y la información de control. El campo de datos actual es precedido por la información del encabezado (las direcciones de origen y destino, y los detalles del mensaje posterior) y seguido por la parte de seguridad de datos que contiene la información de verificación con respecto a la exactitud de la transmisión (reconocimiento de fallos).
Una característica de los buses de campo es que permiten una transmisión óptima de los pequeños volúmenes de datos en tiempo crítico y simplifican el proceso de transmisión.
El bus de control de acceso (MAC, Medium Access Control) es un procedimiento específico que determina en qué punto en el tiempo una estación puede enviar datos. Mientras que las estaciones activas pueden iniciar el intercambio de información, las estaciones pasivas sólo pueden iniciar la comunicación cuando se le solicite por una estación activa. Se hace una distinción entre los diferentes tipos de control, el acceso determinista con capacidad en tiempo real (maestro-esclavo con PROFIBUS) y el acceso aleatorio, un procedimiento de acceso no determinista (CSMA / CD con conexión Ethernet).
El direccionamiento es necesario para identificar de forma selectiva una estación. Para este propósito, las direcciones de estación se asignan ya sea por un interruptor de dirección (direcciones altas) o durante la asignación de parámetros durante la puesta en marcha (direcciones bajas).
Los servicios de Comunicación cumplen con las tareas de comunicación de la estación, ya sea la comunicación de datos del usuario cíclica o acíclica. El número y tipo de estos servicios son los criterios para el área de aplicación de un protocolo de comunicaciones. Se hace una distinción entre los servicios orientados a conexión (esto significa que con el procedimiento de hadshake y monitorización) y los servicios de conexión. El segundo grupo incluye los mensajes de transmisión y multitransmisión que se envían, ya sea a un grupo específico o a todas las estaciones.
Los perfiles se utilizan en la tecnología de automatización para definir las propiedades y comportamientos específicos de los dispositivos, las familias de dispositivos o los sistemas completos. Sólo los dispositivos y sistemas que utilizan un perfil independiente del proveedor proporcionar interoperabilidad en un bus de campo, con lo que se aprovechan plenamente las ventajas de este.
Los perfiles de aplicación se refieren principalmente a los dispositivos (los dispositivos de campo, los controles y las herramientas de integración) y comprenden tanto una selección acordada de las comunicaciones del bus y la aplicación del dispositivo específico. Este tipo de perfil sirve como una especificación de los fabricantes para el desarrollo de perfiles que corresponden con los dispositivos interoperables. Los perfiles de sistema describen las clases de sistemas que incluyen funcionalidad, interfaces de programas y herramientas de integración.
La estandarización internacional de un sistema de bus de campo es necesaria para su aceptación, el establecimiento y sus beneficios. PROFIBUS logra la estandarización nacional en 1991/1993 en la norma DIN 19245, parte 1 - 3 y la estandarización en toda Europa en 1996 en la norma EN 50170.
Junto con otros sistemas de bus de campo, PROFIBUS se ha estandarizado en la norma IEC 61158 desde 1999. 2002 vio la realización de actividades para actualizar la norma IEC 61158. En el transcurso de estas actividades, los últimos desarrollos de PROFIBUS y PROFInet se han incorporado en esta norma.
IEC 61158 lleva el título "Comunicación digital de datos para la medición y control - Bus de campo para su uso en Sistemas de Control Industrial" y se divide en 6 partes que han sido designadas 61158-1 y 61158-2, etc. El contenido de la Parte 1 se ocupa de las materias introductorias , mientras que las partes posteriores están orientadas hacia el modelo OSI (capas 1, 2 y 7); véase la Tabla 1.
Las diversas partes de la norma IEC 61158 definen, entre otras cosas, los numerosos servicios y protocolos de comunicación entre las estaciones que se consideran el conjunto total disponible, de la cual se hace una selección específica (subconjunto) para determinados sistemas de bus de campo. El hecho de que una amplia gama de diferentes sistemas de bus de campo está disponible en el mercado es reconocido en la norma IEC 61158 en la definición de 10 "tipos de protocolos de bus de campo" con la designación del tipo 1 al tipo 10.
PROFIBUS es del tipo 3 y tipo 10 PROFInet.
IEC 61158 señala que la comunicación por bus (por definición) sólo es posible entre los dispositivos que pertenecen al mismo tipo de protocolo.
IEC 61784 lleva por título "Conjunto de perfiles para la fabricación continua y discreta en relación con la utilización del bus de campo de los Sistemas de Control Industrial". La asignación a la norma IEC 61158 establece lo siguiente a través del comentario de introducción: "Esta norma internacional (es decir, la norma IEC 61784) especifica un conjunto de perfiles de protocolo de comunicación específico sobre la base de la norma IEC 61158, para ser utilizado en el diseño de los dispositivos involucrados en la comunicación de la fabricación de la fábrica y en el proceso de controlar ".
IEC 61784, que representa a los subconjuntos del conjunto total disponible de "servicios" y "protocolos" que se especifican en la norma IEC 61158 (y otras normas) son utilizados por un sistema de bus de campo específico para la comunicación. El bus de campo específico para "determinados perfiles de comunicación" de esta manera se resumen en las familias "perfil de Comunicación (CPF)", de acuerdo a su aplicación en los sistemas de bus de campo individuales.
El perfil se implementa con PROFIBUS resumido bajo la denominación "Familia 3" con las subdivisiones 3/1, 3/2 y 3/3. La Tabla 2 muestra su asignación a PROFIBUS y PROFINET.
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