Foundation Fieldbus y su adaptacion a la altavelocidad: HSE

Jose Juan Fernandez de Dios

Curso 2004-2005

Resumen

Este documento fue escrito como trabajo de investigacion para la asignatura Instru-mentacion de la ETSI de Telecomunicaciones de Vigo.

Los buses de campo, como Profibus, DeviceNet, o Foundation Fieldbus. son aplicablesen una gran cantidad de escenarios muy diferentes entre s. Pese a que en general lasmedidas de un numero reducido de sensores (o los comandos enviados a cada actuador)necesitan muy poco ancho de banda, al introducir sistemas de adquisicion de alta veloci-dad o al integrar un numero elevado de sistemas las necesidades de ancho de banda semultiplican.

Por ese motivo se han elaborado variantes de alta velocidad para casi todos los buses decampo. Uno de los mas interesantes es el Foundation Fieldbus, ya que a pesar de plantearuna serie de conceptos muy interesantes es casi un desconocido en Europa.

En este documento se va a analizar brevemente el contexto historico y tecnologico enel que se encuentra FF, para describirlo despues centrandose especialmente en la variantede alta velocidad: High Speed Ethernet.

Indice general

1. Resena historica 4

2. Fieldbus Foundation y Foundation Fieldbus 7

2.1. Quien es Fieldbus Foundation? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2. Que es Foundation Fieldbus? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.3. Descripcion de Foundation Fieldbus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.4. Estandares definidos por FF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.4.1. H1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.4.2. H2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.4.3. HSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3. Contexto de buses 15

3.1. Algunos buses de interes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.1.1. Schneider Electric: Modbus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.1.2. Rockwell: EtherNet/IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.1.3. Siemens: Profinet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.1.4. Fieldbus Foundation: HSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

4. Breve descripcion de otros estandares relacionados 19

4.1. Capas OSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4.2. Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.2.1. CSMA/CD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.2.2. Protocolo MAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.3. TCP/IP y UDP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.4. ASN.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2

5. Introduccion a Foundation Fieldbus HSE 25

5.1. Por que Ethernet? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

5.2. H1+HSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

5.3. Tipos de dispositivos HSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

5.4. Beneficios de HSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

5.4.1. Alto rendimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

5.4.2. Interoperabilidad de subsistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

5.4.3. Bloques funcionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

5.4.4. Red troncal de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

5.4.5. Ethernet estandar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

6. Descripcion de los protocolos de H1 y HSE 29

6.1. H1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

6.1.1. Capa fsica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

6.1.2. Pila de comunicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

6.2. Especificaciones comunes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

6.2.1. Fieldbus Access Sublayer (FAS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

6.2.2. Fieldbus Message Specification (FMS) . . . . . . . . . . . . . . . . 34

6.3. HSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

6.3.1. Especificaciones de HSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

7. Limitaciones 39

7.1. Limitaciones generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

7.2. Robustez fsica y cableado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

7.3. Falta de determinismo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

7.4. Redundancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

7.5. I.S. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Bibliografa 44

3

Captulo 1

Resena historica

Hablando de la historia de los buses de campo, podramos remontarnos quiza a losanos 40, cuando para la instrumentacion de procesos empezo a emplear senales de presionneumatica de entre 3 y 15psi para la monitorizacion y control de dispositivos. A pesar dela existencia de este estandar, a menudo era necesario emplear varios niveles de senalpara adaptarse a los numerosos instrumentos que no estaban disenados para seguir esasespecificaciones [COU95].

La situacion fue evolucionando progresivamente, hasta que el desarrollo de los proce-sadores digitales en los anos 70 introdujo el uso de computadores para monitorizar y con-trolar los sistemas de instrumentacion desde un punto central. La naturaleza especfica delas tareas a controlar exigio que se disenasen un gran numero de instrumentos y metodosde control a medida para las diferentes aplicaciones [COU95]. Poco tardo en producirse unautentico boom, cuando comenzo a utilizarse el sistema de 4 a 20mA que comenzara unaautentica estandarizacion sobre la interconexion de los dispositivos de campo, y que mastarde acabara siendo reemplazado por los buses de campo. Estos ultimos presentabanvarias ventajas que propiciaron su gran despliegue: gracias a comunicarse digitalmentepermiten una comunicacion bidireccional y redundante, evitan los problemas inherentes auna transmision analogica (distorsion, ruido, etc.), y sobre todo, permiten conectar variosdispositivos a un mismo cable reduciendo as los costes de instalacion y mantenimiento.

Los primeros buses de campo empezaron a verse ya desde los primeros anos de ladecada, pero habra que esperar hasta mediados los anos 80 para que empezase el autenticotrabajo de estandarizacion [FEL02]. La idea basica detras del estandar es que estableceuna especificacion formal que por una parte impide los cambios rapidos, dando una ciertaestabilidad al usuario e incluso a los fabricantes, y por otra parte permite que variosproveedores fabriquen productos interconectables, lo que proporciona al usuario una mayorlibertad y variedad a la hora de elegir productos. Sin embargo, es otra caracterstica de losestandares la que origino una autentica guerra de buses que comenzo a partir de estosanos: en muchos pases los estandares tienen valor legal, de forma que si el gobierno aceptaun estandar en una aplicacion, es obligatorio utilizarlo. As un sistema estandarizadoconsigue una ventaja competitiva sobre los rivales no estandarizados [FEL02].

4

Conseguir que unas especificaciones fuesen aprobadas a nivel nacional no era demasia-do complicado ya que hay mucha menos competencia dentro de un unico pas, y la mayorade los buses de campo mas relevantes pronto se convirtieron en estandares nacionales. Losproblemas empezaron cuando se empezaron a buscar soluciones internacionales.

En la segunda mitad de los 80, el esfuerzo de desarrollar buses de campo lo realizabaprincipalmente Europa, movida por proyectos de investigacion que aun tenan un contextomuy academico, as como por muchos desarrollos propietarios. Los dos resultados masprometedores fueron FIP por la parte francesa y Profibus por parte de Alemania. Ambasfueron estandarizadas a sus respectivos niveles nacionales y finalmente propuestas a laIEC para su estandarizacion internacional. Desafortunadamente las filosofas de los dossistemas eran completamente diferente. Profibus estaba basada en una idea de controldistribuido y en su forma original soportaba una comunicacion vertical orientada a objetos,de acuerdo con un modelo cliente servidor similar al de MAP/MMS. FIP, por su parteestaba disenado con un control centralizado pero capaz de implementar esquemas decontrol estrictamente de tiempo real, empleando una comunicacion horizontal segun elmodelo productor-consumidor o publicador-suscriptor.

Siendo tan diferentes, los dos sistemas eran apropiados para areas de aplicacion comple-mentarias. Evidentemente, un bus universal necesitaba combinar los beneficios de ambos.

En 1992 surgieron dos grupos, cada uno compuesto por muchas companas del sectorde alrededor del mundo, para ofrecer una solucion al mercado de los buses de campo. LaISP (Interoperable Systems Project) y WorldFIP (fundacion creada alrededor de FIP), quepese a que tenan distintos puntos de vista de la implementacion de los buses de campoofrecieron modificar sus productos para dar cabida a las prestaciones del otro [COU95].En una extension de FIP (WorldFIP), se le anadio la funcionalidad del modelo cliente-servidor. Por su parte, la ISP intento demostrar que se poda mejorar Profibus con elmodelo publicador-suscriptor [FEL02]; su intencion era crear un bus internacional parauso en entornos peligrosos.

Para los anos 90 WorldFIP y Profibus PA se seguan peleando en sus respectivosterrenos, y la IEC aun no haba conseguido ningun avance significativo. La unica excepcionfue la definicion de la capa fsica, que se adopto como el estandar IEC 61158-2 ya en1993, y que fue muy utilizada desde entonces sobre todo en el area de la automatizacion.Sobre la capa fsica, sin embargo, los borradores se volvieron mas y mas comprehensivos,intentando dar cabida a todos los sistemas [FEL02].

As que en Septiembre de 1994, tras varios anos de luchas, WorldFIP y la ISP seunieron para convertirse en la Fieldbus Foundation. El objetivo de la Fieldbus Foundationera crear un unico bus de campo internacional para entornos peligrosos. Profibus PA (laorganizacion de usuarios de Profibus) siguio persiguiendo el mismo objetivo por su cuenta.Mientras Profibus PA tiene sus races y su mayor comunidad de usuarios en Europa, losfabricantes y usuarios de Foundation Fieldbus estan concentrados en America y Asia[SAM00].

La FF utilzo algunos elementos de FIP para la especificacion de su bus de campo,

5

as como (al igual que Profibus PA) detalles de la especificacion de ISP. Por este motivo eldiseno fsico del bus es casi identico en ambos buses de campo. La interfaz de aplicacion,basada en bloques funcionales, tambien tiene muchas caractersticas similares [SAM00].

A estas alturas, pese a la falta de un estandar internacional, los diferentes buses de cam-po ya se haban hecho un hueco en el mercado. Debido a ello, la CENELEC tomo una de-cision salomonica que sera repetida posteriormente por otras agencias de estandarizacion:aceptar todos los buses de campo. De ah surgieron los estandares EN 50170, EN 50254y EN 50325 en 1996, 1998 y 2000.

with the publisher-subscriber communication model. The ISP was abandoned in 1994 before reaching a mature state because of strategic reasons [6].

In the meantime, the leading role in the standardization efforts on IEC level had been taken not by the Europeans, but by the work of the committee SP 50 of the Instrumentations Society of America (ISA), who had been much more efficient during the late 1980s and exerted an important influence on the layer structure of the standard as we have it today [7,8]. Still, by the mid 1990s, the IEC committee had not produced any substantial outcome for more than eight years. The only exception was the definition of the Physical Layer, which was adopted as IEC 61158-2 standard already in 1993. This part is the one that has since been used very successfully mainly in the process automation area. On top of the physical layer, however, the standardization drafts became more and more comprehensive and overloaded with all kinds of communication and control principles imported from the different systems. In the Data Link Layer specification, for example, three different types of tokens were introduced: The scheduler token determines which station controls the timing on the bus, with the delegated token another station can temporarily gain control over the bus, and the circulated token is being passed from station to station for bus access. The problem with these all-inclusive approach was that a full implementation of the standard was too expensive, whereas a partial implementation would have resulted in incompatible and not interoperable devices.

3 The international fieldbus war In 1995, after long years of struggles between

German and French experts to combine the FIP and PROFIBUS approaches, several mainly American companies decided to no longer watch the endless discussions. With the end of the ISP project, they began the definition of a new fieldbus optimized for the process industry: the Foundation Fieldbus (FF).

This work was done outside the IEC committees within the ISA, and for some time, the IEC work seemed to doze off.

Following the failure to find an acceptable draft for a universal fieldbus, the Europeans feared that it might be impossible to get their national standards into an international one. By that time, the standardization issue had ceased to be a merely technical question. Fieldbus systems had already made their way into the market, much effort and enormous amounts of money had been invested in the development of protocols and devices, and there were already many installations. Nobody could afford to abandon a successful fieldbus, hence it was from an economical point of view impossible to start from scratch and create a unified but new standard which was incompatible to the existing national ones. Within CENELEC, the national committees found after lengthy discussions a remarkable and unprecedented compromise: All national standards under consideration were simply compiled as is to European standards [9]. Every part of such a multi-part standard is a copy of the respective national standard, which means that every part is a fully functioning system.

To make the CENELEC collection easier to handle, the various fieldbus systems were bundled according to their primary application areas. EN 50170 contains General purpose field communication systems, EN 50254 High efficiency communication subsystems for small data packages, and EN 50325 comprises different solution based on the CAN technology. In the later phases of the European standardization process, the British national committee played the part of an

advocate of the American companies and submitted also FF, DeviceNet, and ControlNet for inclusion in the European standards. Tab. 2 shows a compilation of all these standards, as well as their relation to the new IEC standard. For the sake of completeness, it should be noted that a comparable, though much less disputed standardization process took place also for bus systems used in machine construction

CENELEC standards part Contained in IEC standard Brand name EN 50170-1 (Jul. 1996) IS 61158 Type 4 P-Net EN 50170-2 (Jul. 1996) IS 61158 Type 1/3/10 PROFIBUS EN 50170-3 (Jul. 1996) IS 61158 Type 1/7 WorldFIP EN 50170-A1 (Apr. 2000) IS 61158 Type 1/9 Foundation Fieldbus EN 50170-A2 (Apr. 2000) IS 61158 Type 1/3 PROFIBUS-PA EN 50170-A3 (Aug. 2000) IS 61158 Type 2 ControlNet EN 50254-2 (Oct. 1998) IS 61158 Type 8 INTERBUS EN 50254-3 (Oct. 1998) (IS 61158 Type 3) PROFIBUS-DP (Monomaster) EN 50254-4 (Oct. 1998) (IS 61158 Type 7) WorldFIP (FIPIO) EN 50325-2 (Jan. 2000) IS 62026-3 (2000) DeviceNet EN 50325-3 (Apr. 2000) IS 62026-5 (2000) SDS EN 50325-4 (under vote) CANOpen EN 50295-2 (Dec. 1998) IS 62026-2 (2000) AS-Interface

Tab. 2: Contents of the CENELEC fieldbus standards. The dates given in brackets are the dates of ratification by the CENELEC Technical Board En 1999 el IEC realiza una tarea similar: crea un estandar en el que incorporaba

todos los buses, pero con la diferencia de que los divida en partes: la capa fsica, capa deaplicacion, etc. [FEL02]

Por su parte, la FF, haba decidido realizar un bus practico sin la exigencia de darcabida a todos los sistemas previos, para conseguir resultados mas rapidamente. Inicial-mente dividieron el trabajo en dos secciones: H1 que sera un bus de campo de bajavelocidad, y H2, que sera su equivalente de alta velocidad. En 1998 surge por primeravez la posibilidad de combinar Ethernet con Foundation Fieldbus para crear una red decontrol de alta velocidad, y se menciona por primera vez HSE (High Speed Ethernet).El proceso de desarrollo tambien fue muy rapido, y en Marzo de 2000 se publicaron lasespecificaciones finales [ARC01].

Bibliografa de este captulo: [FEL02] [SAM00] [ARC01] [COU95]

6

Captulo 2

Fieldbus Foundation y FoundationFieldbus

2.1. Quien es Fieldbus Foundation?

La Fieldbus Foundation fue creada como una organizacion independiente y sin animode lucro para desarrollar un unico bus de campo internacional, abierto e interoperable.[FF96].

La organizacion se basa en los siguientes principios:

La tecnologa de FF ha de ser abierta y cualquier compana ha de poder disponerde ella.

La tecnologa de FF ha de estar basada en el trabajo del IEC (International Elec-trotechnical Commission) y de ISA (International Standarization Association).

Los miembros de la Fieldbus Foundation apoyan a los comites de estandarizacionnacionales e internacionales y trabajan con ellos.

Ya en 1996, la FF contaba con 185 companas asociadas de entre las mas importantesa nivel global (representaban el 90% de la fabricacion mundial de productos de instru-mentacion y control). Uno de los principales metodos de organizacion y decision son losconsejos de usuarios finales, que repartidos por todo el mundo, revisan las actividadesde la fundacion y se aseguran de que las especificaciones cumplan las necesidades delmercado.

7

$5&6WUDWHJLHV-XO\

$5&ZHEFRP&RS\ULJKW$5&$GYLVRU\*URXS

)*

*+'",High Speed Ethernet (HSE) is the Ethernet-based version of Foundation

Fieldbus, fulfilling the H2 control network function. HSE supports the same functions but at a much higher bandwidth (100MB). Its large capacity to move data, along with the inherent FF functionality and publish/subscribe

access make it the leading candidate for plant-wide integration in the process industries. In the year 2001, ARC expects most PAS suppliers to offer Foun-dation Fieldbus HSE as their control level network, bridging directly across

multiple Foundation Fieldbus H1 bus segments. ARC also expects to see some direct HSE connections to a few high performance sensors and actua-tors.

HSE, the high-speed Ethernet-based con-trol network for Foundation Fieldbus, was the missing piece in the total Foundation

fieldbus puzzle. The conception and even-tual release of HSE specifications was actually a very quick process. The original

idea for using Ethernet in conjunction with Foundation Fieldbus to create a high-speed control network was born in 1998. Final

specifications for HSE FF were released in March of 2000, after months of intensive testing and validation.

In December of 2000, the FF released a test-ing kit for HSE linking devices (HTK).

With the introduction of the test kit, the FF expects to be registering HSE

linking devices soon. Many FF members have already developed alpha link-ing devices along with the release of the HTK. These companies will use the HTK to test these devices as part of an alpha/beta validation program. Some

suppliers are already offering HSE as part of new control system order specifications.

,'"-#*

Most of the major process automation suppliers offer at least a couple of to-ken FF products that have been certified and tested by the Foundation.

Other suppliers, such as Fisher-Rosemount, Yokogawa, Smar, and En-dress+Hauser, offer complete suites of process instrumentation that are FF-

$%% ,QYHQV\V

0DJPHWHUV 3UHVVXUH7UDQVPLWWHU

3UHVVXUH7UDQVPLWWHU 7HPSHUDWXUH7UDQVPLWWHU

9RUWH[6ZLUO0HWHUV 9RUWH[)ORZPHWHU

0DVV)ORZPHWHU

(PHUVRQ3URFHVV6ROXWLRQV +RQH\ZHOO

'LJLWDO9DOYH&RQWUROOHU 3UHVVXUH7UDQVPLWWHU

)OR9XH)LQDO&RQWURO6\VWHP 7HPSHUDWXUH7UDQVPLWWHU

3UHVVXUH7UDQVPLWWHU

7HPSHUDWXUH7UDQVPLWWHU

Traditional 4-20 mA WiringOne I.S. Barrier, One Wire

for Each Device

Fieldbus Wiring

One I.S. Barrier, One Wirefor

Many Devices

Controller

Control System Network

H1

4-20 mA

Input/OutputSubsystem

I.S. I.S. I.S.

I.S.

Linking Device

HSE

Traditional 4-20 mAOne VariableOne Direction

Fieldbus Multiple VariablesBoth Directions

Controller

Control System Network

H1

Input/OutputSubsystem

LinkingDevice

HSE

TraditionalControl and I/O

requires extra equipmnetFieldbus

Control and I/O infield instruments.

Controller

Control System Network

H1

4-20 mA

Input/OutputSubsystem

PID

PID

AI

AIAO

AO

LinkingDevice

HSE

1.1.1 More Data AvailableThe fieldbus allows multiple variables from eachdevice to be brought into the control system forarchival, trend analysis, process optimization studies, report generation, predictive maintenanceand asset management. The high resolution and distortion-free characteristics of digital communica-tions enables improved control capability which canincrease product yields (Figure 4).

1.1.2 Expanded View of the Process and InstrumentsThe self-test and communication capabilities of microprocessor-based fieldbus devices help reduce downtime and improve plant safety.

Upon detection of abnormal conditions or the needfor preventive maintenance, plant operations andmaintenance personnel can be notified. This allowscorrective action to be initiated quickly and safely(Figure 5).

1.1.3 Reduction in System HardwareFOUNDATION fieldbus uses standard FunctionBlocks to implement the control strategy. FunctionBlocks are standardized automation functions.Many control system functions such as analog input (AI), analog output (AO) and Proportional/Integral/Derivative (PID) control may be performedby the field device through the use of FunctionBlocks (Figure 6).

The consistent, block-oriented design of function blocks allows distribution of functions in field devices from different manufacturers in anintegrated and seamless manner, thus reducingrisk of system failure.

Distribution of control into the field devices canreduce the amount of I/O and control equipmentneeded, including card files, cabinets, and powersupplies.

Traditional 4-20 mAView Stops at I/O Subsystem Fieldbus

View Extends into Instrument

Controller

Control System Network

H1

Remote Input/OutputSubsystem

LinkingDevice

HSE

Figure 5

Figure 6

1996 (Rev.1998, 2003) Fieldbus Foundation, Austin, Texas. All rights reserved.

Figure 4

Figure 7

2

Introduction

Resumen de caractersticas de Foundation Fieldbus :

Apropiado para su uso en zonas de seguridad intrnseca (IS)

Dispositivos de campo alimentados a traves del bus

Topologa en bus o en arbol

Permite comunicacion multi-master

Comportamiento determinista

Transmision de datos distribuida

Modelo de bloques estandarizado para una interfaz uniforme a los dispositivos

Opciones de extension flexibles basadas en la descripcion de los dispositivos

La transmision de datos distribuida se refiere a que los sensores y actuadores no soloactuan como tales, si no que pueden realizar funciones adicionales de comunicacion ocontrol.

2.3. Descripcion de Foundation Fieldbus

FF se diferencia de cualquier otro protocolo de comunicaciones, porque en vez de estarpensado simplemente como un medio de transmision de datos, esta disenado para resolveraplicaciones de control de procesos.

La caracterstica mas novedosa e interesante de FF , es que la estrategia de con-trol se define mediante bloques funcionales estandar -de una forma similar a como seprograma en LabView o VEE - pero con la diferencia de que dichos bloques funcionalestienen una representacion directa en el hardware del sistema: muchas de las funcionesdel sistema, como las entradas y salidas salidas analogicas (AI y AO), o bloques PID

9

(Proporcional/Integrador/Derivador) pueden ser realizadas por el propio dispositivo decampo.

De esa manera, la estrategia de control puede estar distribuida a traves de los dis-positivos de campo, gracias a que ademas de implementar bloques funcionales en susmicroprocesadores, tambien tienen la capacidad de comunicarse de forma directa concualquier otro dispositivo a traves del bus.

La distribucion del control en los dispositivos de campo puede reducir las necesidadesde equipo de control y de entrada/salida. Ademas, aumenta la fiabilidad del sistema, yaque aunque los sistemas centrales sufran una avera, mientras el bus este alimentado elcontrol puede continuar. En un sistema pequeno, por ejemplo, puede llegar a ser pre-scindible un sistema de control central, realizando todas las tareas de calculo y controllos propios dispositivos [SMA01].

Se definen tres tipos de bloques [PIN01]:

Bloques de recursos Cada dispositivo contiene un bloque de recursos (Resource Block)que describe las caractersticas de ese dispositivo, como el nombre, fabricante, onumero de serie. Tambien sirve para configurar parametros que afectan al dispositivoen su conjunto.

Bloques de transductor Permite configurar los sistemas de entrada/salida de cada dis-positivo. Contienen informacion como la calibracion o el tipo de sensor.

Bloques funcionales 2 Los bloques funcionales (Function Blocks) son los que establecenla estrategia de control. Realizan todas las operaciones del sistema: los calculosnumericos, todo el procesamiento de control necesario para el sistema, e incluso laaccion en s de adquirir un valor o accionar un actuador.

Con los bloques configurados para realizar el proceso, es necesario configurar el bu-cle de control, creando enlaces entre los parametros de entrada y salida de los bloquesfuncionales. Los enlaces pueden ser locales (si los bloques unidos estan en el mismo dis-positivo) o remotos (si cada bloque esta en un dispositivo distinto). En caso de que elenlace sea remoto, toda la informacion comunicada a traves de ese enlace viajara por elbus desde un dispositivo al otro.

Ejemplos de bloques funcionales son [SAM00]:

AI analog input

AO analog output3

2No es raro que se hable de los bloques en general denominandolos bloques funcionales. Aqu sedescriben los bloques funcionales sensu stricto.

3Por entradas y salidas analogicas a menudo se entiende directamente un sensor o un actuador. As,una entrada analogica podran ser tanto un sensor de temperatura como un conversor ADC, y una salidaanalogica podra ser la posicion de una valvula o la potencia entregada a un horno.

10

B bias

CS control selector

DI discrete input

DO discrete output

ML manual loader

PD proportional/derivative

PID proportional/integral/derivative

RA ratio

Tambien se definen otros bloques funcionales, de los que el mas interesante de men-cionar quiza sea el FFB (Flexible Function Block): se trata de un bloque definido porel usuario, con lo que permite a un fabricante o usuario implementar un algoritmo pro-pio que interaccione con bloques funcionales estandar (por ejemplo un sistema de controlmatricial).

Por ejemplo, un sensor de temperatura simple podra contener unicamente un AI,mientras que una electrovalvula podra contener un AO acompanado de un bloque PID.

transmitted via the fieldbus. The configuration shown corresponds to the con-trol loop example illustrated in Fig. 2.

Besides connecting the function blocks, the network configurator also config-ures the individual loop execution rate. Based on this data and the wiring di-agram, the configuration tool generates the information needed to controlthe devices and the communication.

Finally, this data is entered into the individual field devices. During this pro-cess, the LAS is configured and all Link Masters receive the current transmis-sion list for scheduled data transmission.

The system configuration is now complete so that the system management ofthe LAS and of the other field devices can take control over the system.

37

Part 4 L454EN

SAM

SON

AG

00

/05

Fig. 22: Connection of function blocks for cascade control (via software)

OUTAI

PID OUT

IN

sensorcontrol valve withLink Master function

BKCAL_OUT

BKCAL_IN

CAS_IN

AO

control loop execution

rate

configuration of LAS

and Link Masters

Ya que FF es un protocolo abierto, cualquier fabricante puede ofrecer dispositivoscompatibles que funcionaran perfectamente con los dispositivos de otros fabricantes. Paraque el cliente final pueda estar seguro de la interoperabilidad de un dispositivo, FF ofreceuna serie de programas de certificacion, para que los fabricantes puedan comprobar susproductos y garantizar su calidad.

Todas las funciones realizables en un sistema FF son configuradas y programadasmediante los bloques funcionales, por lo que el diseno de todo el sistema es homogeneo

11

[PIN01]. Los bloques funcionales de FF tienen un diseno consistente, orientado a blo-ques, que permite la distribucion de las funciones a traves de dispositivos de multiplesfabricantes de una forma perfectamente integrada [SMA01].

Todos los dispositivos FF comparten un sentido del tiempo comun. As, independi-entemente de los retardos por las interconexiones, la ejecucion de cada bloque funcionalse realiza de forma perfectamente sincronizada a la de los demas.

Para asegurarse de que las herramientas de diseno puedan ser genericas y para permitirsu adaptacion a los nuevos dispositivos segun vayan saliendo al mercado, cada dispositivose suministra con su descripcion completa en dos tipos de archivos [FF96]:

Capability File El CF describe al sistema de control con que recursos cuenta el dispos-itivo, como el numero de bloques funcionales y sus tipos, etc.

Device Description File El DD describe las entradas, salidas y funciones de cadabloque funcional contenido en el dispositivo.

Con esta informacion, cualquier sistema de control o herramienta de diseno estandarpuede configurar y comunicarse con un dispositivo.

2.4. Estandares definidos por FF

2.4.1. H1

El protocolo H1 esta basado en el estandar IEC 61158-2 [SAM00]:

Se transfiere la informacion utilizando codificacion Manchester a una velocidad de31.25Kbps.

La tension mnima aceptable en el bus para que los dispositivos alimentados a travesdel mismo puedan funcionar correctamente es de 9V . La fuente de alimentacion seconecta al bus en paralelo, igual que cualquier otro dispositivo. Por supuesto, parano interferir las senales de datos enviadas, debe contener un filtro que bloquee lafrecuencia de 31.25Kbps y sus armonicos.

No solo admite la clasica topologa lineal, si no que mediante cajas de unionesse pueden conseguir otras topologas como arboles, estrellas o combinaciones. Seestablece una longitud total para el cable sumando todos los segmentos, y se re-comienda conectar los dispositivos al bus mediante segmentos cortos y conectoresen T.

12

31.25 kbit/s devices can be powered directly fromthe fieldbus and can operate on wiring previouslyused for 4-20 mA devices.

The 31.25 kbit/s fieldbus also supports I.S. fieldbuses with bus powered devices. To accom-plish this, an I.S. barrier is placed between thepower supply in the safe area and the I.S. device in the hazardous area.

To address Intrinsic Safety applications, theFieldbus Foundation supports using either the traditional Entity model or the newer FieldbusIntrinsically Safe Concept (FISCO). The mixing of theEntity model with the FISCO approach in the prepa-ration of a system design is not recommended.

3.5.2 31.25 kbit/s Fieldbus Wiringg AG-140 31.25 kbit/s Wiring and Installation Guide

AG-163 31.25 kbit/s Intrinsically Safe Systems Application GuideAG-165 Fieldbus Installation and Planning Guide

The 31.25 kbit/s fieldbus allows stubs or spurs(Figure 40).

The length of the fieldbus is determined by thecommunication rate, cable type, wire size, buspower option, and I.S. option.

Figure 41 gives a summary of examples of optionsavailable in the Physical Layer standard.

1996 (Rev.1998, 2003) Fieldbus Foundation, Austin, Texas. All rights reserved.

23

Technology

* A terminator is installed at each end of the main trunk cable.

** Single device per spur -- The spur length must be reduced by 30 metres for each additional device on a spur.

*** The number of devices possible on the fieldbus will vary depending on factors such as the power consumption of each device, the type of cable used, use of repeaters, etc. Consult the Physical Layer Standard for details.

Devices*** Spur Length**

25-32 1 metre19-24 30 metres15-18 60 metres13-14 90 metres 1-12 120 metres

Trunk*

Spurs

Control RoomEquipment

JunctionBox

Cable Length = Trunk Length + All Spur LengthsMaximum Length = 1900 metres with Type A Cable

Figure 15

Dev

ice

Curr

ent

Volta

ge

Time

Power9 to 32 Volts

0.75 to 1.0 V p-p

100 OhmPowerSupply

100 Ohm

+

0Receiving Transmitting

Fieldbus Device

Fieldbus Network

Fieldbus Signal

TerminatorC is sized to

pass 31.25 kbit/s.

15 to 20 mA p-p

C C

Signaling waveforms for the 31.25 kbit/s Fieldbus

Note: As an option, one of the terminators may be center-tapped and grounded to prevent voltage buildup on the fieldbus.

Figure 14Figure 39 Figure 40

Characteristics Data Rate

31.25 kbit/s 31.25 kbit/s 31.25 kbit/sType Voltage Voltage VoltageTopology Bus/tree Bus/tree Bus/treeBus Power none DC DCClassification Intrinsically

Safe

Number of Devices* 2-32 2-6 2-12Cable Length 1900 m 1900 m 1900 mSpur Length 120 m 120 m 120 m

Figure 41

* The number of devices possible on a fieldbus link depends onfactors such as the power consumption of each device, the type of cable used, use of repeaters, etc. Consult the Physical LayerStandard for details. The number of network addresses available foreach link is 240.

Se admiten varios tipos de cable, dependiendo la longitud maxima del segmento dela calidad del cable. Sin repetidores y con el mejor cable contemplado4, la longitudmaxima de un segmento H1 puede ser de hasta 1900m, y se admite un maximo de4 repetidores, con los que se pueden alcanzar 9500m de cable en un unico segmento.

El numero de dispositivos conectados al bus se reduce a 32 en zonas IS. En zonascon riesgo de explosion (Ex ) el numero se reduce a solo unos pocos dispositivos porlinea debido a las limitaciones en la fuente de alimentacion.

4Network topologies used are usually line topology or, when equippedwith junction boxes, also star, tree or a combination of topologies (Fig. 5).The devices are best connected via short spurs using tee connectors to en-able connection/disconnection of the devices without interrupting commu-nication.

4The maximum length of a spur is limited to 120 meters and depends on thenumber of spurs used as well as the number of devices per spur (Fig. 6).

4Without repeaters, the maximum length of an H1 segment can be as longas 1900 meters. By using up to four repeaters, a maximum of 5*1900 m =9500 m can be jumpered. The short spurs from the field device to the busare included in this total length calculation.

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Communication FOUNDATION Fieldbus

SAM

SON

AG

V7

4/D

KE

No. ofdevices

1 deviceper spur

2 devicesper spur

3 devicesper spur

4 devicesper spur

25-32 1 m 1 m 1 m 1 m

19-24 30 m 1 m 1 m 1 m

15-18 60 m 30 m 1 m 1 m

13-14 90 m 60 m 30 m 1 m

1-12 120 m 90 m 60 m 30 m

Fig. 5: Length of spurs

Type A Type B Type C Type D

Cabledescription

shieldedtwistedpair

single ormulti-twistedpair with anoverall shield

multi-twistedpair withoutshield

multi-core,without twistedpairs, withoutshield

Size 0.8 mm2(AWG 18)

0.32 mm2(AWG 22)

0.13 mm2(AWG 26)

1.25 mm2(AWG 16)

Max. lengthincl. spurs

1900 m 1200 m 400 m 200 m

Fig. 6: Fieldbus cable types and maximum bus lengths

spurs via T-connector

2.4.2. H2

En las primeras fases del desarrollo del FF se considero el desarrollo de una versionligada aun al campo pero de una velocidad intermedia entre H1 y HSE. Dicha version

4Par trenzado apantallado, de una seccion AWG 18 (0,8mm2).

13

se denominara H2, y tendra una velocidad de entre 1Mbps y 2.5Mbps. Sin embargo,debido a la gran popularidad que consiguieron las soluciones basadas en Ethernet de caraa aplicaciones industriales, finalmente se opto por desechar H2, siendo absorbida por HSE.

Aun pueden encontrarse referencias a H2 en una buena parte de la documentaciondisponible acerca de Foundation Fieldbus. Actualmente, H2 y HSE se consideran sinoni-mos.

2.4.3. HSE

HSE esta basado en tecnologa Ethernet; hay versiones de HSE a 100Mbps y a 1Gbps,y tanto por par trenzado como por fibra optica. Los componentes necesarios son de usocomun y por tanto estan disponibles a un muy bajo coste, por lo que para la construccionde la red en s, pueden utilizarse dispositivos comerciales (como hubs o switches de oficina).

En una topologa tpica, la red HSE interconectara los diferentes segmentos H1 deuna planta, posiblemente junto con uno o mas dispositivos de alta velocidad, e inclusootras redes de campo de terceros.

La estructura logica de una red HSE esta pensada para ser combinada sin solucion decontinuidad con redes H1, y por tanto los protocolos involucrados y los metodos de fun-cionamiento son muy similares en ambas. De hecho, varias de las capas OSI son identicasen ambos sistemas.

Bibliografa de este captulo: [SMA01] [PIN01] [FF96] [SAM00] [LUC01]

14

Captulo 3

Contexto de buses

Uno de los mayores problemas que podran retrasar la implantacion masiva de lasredes Ethernet de alta velocidad en aplicaciones industriales y de instrumentacion, es lafalta de un estandar global y homogeneo. Desgraciadamente, no parece que las respectivasasociaciones hayan aprendido de la vez anterior, y cada cual esta promocionando su propioestandar para las redes de alta velocidad, por lo que probablemente acabara surgiendouna nueva guerra de buses similar a la ocurrida en lo referente a los buses de campotradicionales. La mayor parte de estas redes estan basadas en Ethernet, pero dado que elestandar IEEE 802.3 solo especifica las capas mas bajas de la pila de protocolos, quedamucho que desarrollar y especificar a los distintos fabricantes, y en general para las capasaltas cada uno emplea los mismos protocolos que en el bus de campo correspondiente[VER02]. La falta de compatibilidad parece asegurada.

La velocidad y tasa de transferencia de la Ethernet supera comodamente las de lamayora de buses de campo tradicionales, como Profibus, Foundation Fieldbus H1 o Con-trolnet. Profibus tiene una tasa de transferencia maxima de 12Mbps; FF H1 trabaja a31.25Kbps, y Controlnet a 5Mbps.

Se acompana un grafico (extrado de [VER02]) donde se resume el posicionamientode algunos estandares relacionados. A continuacion se comentaran brevemente los masimportantes.

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F i g u r e 1 F i e l d b u s P r o t o c o l A p p l i c a t i o n Re g i m

e

Foundation Fieldbus HSE

Bit-Level Sensor

World FIP

ControlInstrumentation Corporate

Information

PROFIBUS PA

AS-i

Seriplex

Impacc

SensorPlex

CAN

Interbus-S

PROFIBUS DP

DeviceNet

PROFIBUSFMS

ControlNet

Modbus + / DH+

FoundationFieldbus H1

ECHELON

SDS

ATM / FDDI

LONworks

HART

Di s c r e t e

P r o c e s s / Co n t i n u o u s

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3.1. Algunos buses de interes

3.1.1. Schneider Electric: Modbus

Desde Schneider Electric abogan por una evolucion del bus de campo de IDA (Inter-face for Distributed Automation): Modbus. Schneider es el principal promotor de dichoestandar, si no quiza el unico fabricante [BRA03].

Una de las ventajas de la propuesta de Schneider es que se trata tambien de un estandarabierto. Se utiliza Ethernet, IP, UDP, NDDS, y por supuesto Modbus y el modelo de datosde IDA. Pero tambien tiene un gran problema: Modbus es un protocolo algo antiguo, queno estaba orientado a objetos. Esto se resuelve (al menos en parte) mediante el protoco-lo NDDS. NDDS, de la Real Time Innovations (RTI), tiene un funcionamiento basadoen tecnicas publicador/suscriptor, mucho mas evolucionadas que las de maestro/esclavoutilizadas en Modbus.

3.1.2. Rockwell: EtherNet/IP

De una forma similar a Schneider, Rockwell eligio el protocolo previo, que en estecaso era CIP (Control and Information Protocol, renombrado recientemente a CommonIndustrial Protocol) para ser adaptado y transmitido sobre Ethernet. CIP es un protocolode la misma familia que las redes de campo previas ControlNet y DeviceNet. De hecho,donde se necesiten tiempos de respuesta inferiores a 2ms, Rockwell sigue recomendandoel uso de ControlNet [BRA03].

Es interesante resaltar que el IP de Ethernet/IP no significa Internet Protocol si noIndustrial Protocol.

Su pila se compone, por tanto, de Ethernet, IP, UDP o TCP, y CIP.

3.1.3. Siemens: Profinet

Profibus (en sus distintas variantes) es probablemente el bus de campo con una mayordistribucion alrededor de todo el mundo. Su actuacion esta centrada especialmente enEuropa, de donde es oriunda, pero cuenta con una base de dispositivos instalados totalde mas de 2 millones de dispositivos.

La estrategia de Siemens y Profibus International hacia Ethernet esta recopilada enel proyecto Profinet, que se divide en tres versiones (V1, V2 y V3) segun las restriccionestemporales de la aplicacion.

Profinet V1 utiliza Ethernet de una forma transparente con Profibus gracias a la tec-nologa DCOM (Distributed Component Object Model) de Microsoft, y el uso de pasarelasentre las dos redes. En la red V1, las comunicaciones en tiempo real no las realiza la Eth-ernet, si no una red Profibus. Segun los responsables, decidieron hacerlo as porque las

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diferentes implementaciones de la pila TCP/IP introducen retardos muy superiores a losintroducidos por Ethernet, llegando (segun ellos) a 100ms en algunas implementaciones.

Por ese motivo, en las versiones V2 y V3, hay un canal sustituyendo la pila TCP/IPa intervalos regulares a lo largo del tiempo. En la version R2, el canal de tiempo real,bautizado SRT (Soft Real Time) se implementa de forma logica y alcanza tiempos derespuesta entre 5ms y 10ms sobre dispositivos Ethernet estandar.

En la version V3, el canal de tiempo real, denominado IRT (Isochron Realtime Eth-ernet), se realiza utilizando switches dotados de ASICs especializados. Segun los respon-sables, mediante este sistema se permite sincronizar en menos de 1ms, y con un desliza-miento (skew) inferior a un microsegundo [BRA03], pero con la gran desventaja de queel hardware ya no es Ethernet estandar.

3.1.4. Fieldbus Foundation: HSE

La distribucion del Foundation Fieldbus no es tan grande como la de Profibus (quecuenta con una historia mucho mayor), pero ya en el 2001 (7 anos despues de la creacionde la fundacion) contaba con aproximadamente 1800 instalaciones [ARC01].

Igual que el resto, en la FF, decidieron basar la capa de aplicacion de su High SpeedEthernet en la de su bus de campo previo, H1. As, volvemos a encontrar las principalescaractersticas de H1 en HSE: un modelo productor/consumidor, la implementacion deuna tecnologa orientada a objetos (con el concepto de bloques funcionales para la medida,control, regulacion, y diagnostico), y la gestion de redundancia.

No esta claro si HSE se puede considerar realmente un bus de campo, ya que al igualque Profinet V1, sigue dependiendo de H1 para las tareas de campo, conectandose engeneral1 los dispositivos a la red HSE a traves de una red H1 y una pasarela [BRA03].

Acerca de los tiempos de respuesta, se habla de algunos milisegundos sin especificarmas. Sin embargo, hacen hincapie en que mas importante que el tiempo de respuestaen s mismo es el hecho de que los distintos dispositivos actuan de forma perfectamentesincronizada.

Bibliografa de este captulo: [ARC01] [VER02] [BRA03] [HUL02] [FEL02]

1La cantidad de dispositivos de campo con puerto HSE es bastante reducida.

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Captulo 4

Breve descripcion de otrosestandares relacionados

A continuacion se hace un repaso rapido de los principales protocolos relacionados conFoundation Fieldbus HSE.

4.1. Capas OSI

Tying Ethernet & TCP/IP to the Foundation Fieldbus HSE Standard

2. Review of the Fundamentals

The OSI Model is briefly revisited here to ensure that Ethernet, TCP/IP andFoundation Fieldbus HSE are placed in the correct context. It should be realized atthe outset that the OSI Reference Model is not a protocol or set of rules for how aprotocol should be written but rather an overall framework in which to defineprotocols. The OSI Model framework specifically and clearly defines the functions orservices that have to be provided at each of the seven layers (or levels).

The diagram below shows the seven layers of the OSI Model.

Fig 1. Full Architecture of OSI Model

A brief summary of the seven layers is as follows:

Application - the provision of network services to the users application programs.Note: the actual application programs do NOT reside here.

Presentation primarily takes care of data representation (including encryption).

Session - control of the communications (sessions) between the users.

Transport - the management of the communications between the two end systems.

Network primarily responsible for the routing of messages.

Data Link - responsible for assembling and sending sending a frame of data fromone system to another.

El modelo OSI define un contexto sobre el que se puede describir un protocolo, especi-

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ficando como dividir y denominar las tareas que deben ser realizadas. Propone 7 capas:

1: Capa fsica compuesta por el medio de transmision y las normas electricas y mecanicas.

2: Capa de enlace responsable de ensamblar y enviar una trama de datos de un sistemahasta otro.

3: Capa de red encargada del enrutamiento de mensajes.

4: Capa de transporte realiza la gestion de las comuncaciones entre dos sistemas.

5: Capa de sesion controla las comunicaciones entre usuarios.

6: Capa de presentacion se encarga de la representacion de los datos (incluyendo laencriptacion)

7: Capa de aplicacion ofrece los servicios completos a los programas del usuario.

Foundation Fieldbus define una capa que no es descrita en el modelo OSI: la capa deusuario, que describe las estructuras de datos (como los bloques funcionales, por ejemplo)y el funcionamiento de los sistemas por encima de la capa de aplicacion.

4.2. Ethernet

Ethernet nacio en 1972 ideada por Roberto Metralfe y otros investigadores de Xerox,en Palo Alto, California Research Center. Ethernet - al que tambien se le conoce comoEthernet II o IEEE 802.3, es el estandar mas popular para las LAN que se usa actualmente.El estandar 802.3 emplea una topologa logica de bus y una topologa fsica de estrella ode bus.

Pese a que admite una topologa en estrella o lineal, inicialmente el medio de trans-mision es compartido entre todos los dispositivos conectados a el (un bus). En unatopologa en estrella, en caso de emplear concentradores de tipo almacenamiento-retransmision,desde un punto de vista estricto cada segmento contendra unicamente dos dispositivos,por lo que a pesar de que conceptualmente el medio sigue siendo compartido, en la practicase comportara de una forma mas parecida a un enlace punto a punto.

Para la transmision sobre el medio se emplea codigo Manchester, lo que permite larecuperacion de la senal de reloj en recepcion sin necesidad de un par de hilos adicional.La estrategia de acceso al medio es CSMA/CD, es decir, no se utilizan testigos si no quecada estacion decide de forma individual cuando transmitir.

4.2.1. CSMA/CD

CSMA/CD significa Carrier Sense Multiple Access with Carrier Detection. La traduc-cion del propio nombre nos explica que antes de empezar a transmitir, los dispositivos

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escuchan para comprobar si ya hay alguien transmitiendo, y en caso de ser as, esperana que acabe. En caso de que no haya nadie transmitiendo, lo hacen directamente, perocomprobando si hubo una colision (es decir, que otra estacion empezo a transmitir en elmismo instante), y en ese caso se notifica y se vuelve a intentar enviar el paquete mastarde.

En caso de colision, las dos (o mas) estaciones que intentaron transmitir deben darsecuenta de que la transmision no tuvo exito, para ello cuando una de esas estaciones detectala colision, en vez de dejar de transmitir inmediatamente, transmite una trama de unacierta longitud para asegurarse de que todas las demas estaciones tambien detectan lacolision.

Tras ello han de volver a transmitir esa trama, y para intentar evitar una nueva colisionesperaran antes de empezar un tiempo aleatorio. En el primer intento, dicho tiempo esmuy corto y vara entre 2 valores posibles. Si tras el se vuelve a colisionar, en el segundointento se elegira aleatoriamente entre los dos retardos anteriores y otros dos mas, mayoresque estos. Si se vuelve a colisionar, se elegira entre 8 valores, y se sigue as hasta que tras16 intentos de transmision se deduce que la red no funciona correctamente y se descartael paquete.

Las esperas progresivamente mayores son un intento de mejorar la eficiencia en caso depoco trafico, manteniendo una cierta robustez en caso de un trafico elevado. Pese a ello,cuando hay varios usuarios intentando acceder a la red, la respuesta de CSMA/CD antedemandas de trafico que se acerquen a la capacidad nominal del canal es muy inestable(empieza a haber problemas de eficiencia entre el 60% y el 80%, y la red completa puedecolapsarse a partir del 90%).

4.2.2. Protocolo MAC

4.2 Operation

The 802.3 standard defines a range of cable types that can be used for a networkbased on this standard. They include coaxial cable, twisted pair cable and fibre opticcable. The IEEE 802.3 standard defines the following:

10Base2 10Mbps with 185 m maximum length coaxial cable bus segment 10Base5 10MBps with 500 m maximum length coaxial cable bus segment 10BaseT 10MBps with 100 m twin cable to a central hub 10BaseF 10MBps with twin fibre bus up to 2000 mand of course, the Fast Ethernet standards discussed later.

4.3 Medium Access Control (MAC)

Essentially the method used for accessing the cable (or medium) is one ofcontention (or CSMA/CD which stands for Carrier Sense Multiple Access /CollisionDetection) which is why most industrial users were initially cautious about the use ofEthernet as all transfer of data was probabilistic and not guaranteed.

In the idle state, the node merely listens to the bus monitoring all traffic that passes.If a node wishes to transmit information, it will defer while there is any activity on thebus, since this is the carrier sense component of the architecture. At some stage, thethe bus will become silent, and the node sensing this, will then commence itstransmission. It is now in transmit mode, and will both transmit and listen at the sametime. This is because there is no guarantee that another node at some other point onthe bus has not also started transmitting having recognised the absence of traffic. Iftwo nodes happen to transmit at the same time, there will be a collision of signals.The nodes transceivers will both quickly detect this collision and will stoptransmitting (after sending a brief jam signal to ensure that all nodes stoptransmitting). The nodes will each wait a random time before recommencingtransmission.

MAC Frame Format

The basic frame for an 802.3 network is shown below. There are eight fields in eachframe, as discussed below.

Fig 3. MAC Frame Format.

Preamble

This field consists of 7 octets of the data pattern 1010101010, The preamble is usedby the receiver to synchronise its clock to the transmitter.

El protocolo de acceso al medio de Ethernet (MAC,Medium Access Control) esta basa-do en CSMA/CD, y transmite unas tramas con una estructura muy sencilla.

Ademas de un preambulo que permite sincronizar los relojes, y de las dos direccionesfsicas del emisor y receptor, contiene los datos y un CRC al final que permite detectarerrores en recepcion. En caso de error, Ethernet no se encarga de retransmitir la tramay simplemente la descarta. La retransmision sera tarea de los protocolos de las capassuperiores, caso de ser necesaria.

Debido a la velocidad de propagacion de la senal en el cable, si el paquete no tiene unalongitud mnima podra suceder que en caso de ocurrir una colision no todas las estacionesse enterasen de ella. Para evitarlo, si se intenta transmitir un paquete demasiado pequeno

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(menos de 64 octetos) es necesario aumentarlo rellenando con octetos sin informacion alfinal el mismo.

Se denomina dominio de colision aquella longitud de cable en la que se garantiza ladeteccion de las colisiones. Para un tamano del paquete dado en octetos, el dominio decolision sera inversamente proporcional a la velocidad de transmision. As, si a 10Mbps eldominio de colision de Ethernet es de 2500m, a 100Mbps es de 250m. Si no se modificaseel protocolo, a 1Gbps sera tan solo de 25m, y por ese motivo en las normas a 1Gbps seaumenta el tamano de relleno (Pad) de 64 octetos a 512 octetos1.

4.3. TCP/IP y UDP

The OSI Network Layer maps onto the ARPA Internet Layer. The OSI Physical and Data Link Layers map onto the ARPA NetworkInterface Layer.

The relationship between the two models is depicted in the following figure.

Fig 6. OSI vs. ARPA Models

TCP/IP, or rather- the TCP/IP Protocol Suite- is not limited to the TCP and IPprotocols, but consist of a multitude of interrelated protocols that occupy the upperthree layers of the ARPA model. TCP/IP does NOT include the bottom NetworkInterface Layer (typically Ethernet defines this), but depends on it for access to themedium.

5.2 The Internet Layer

This layer is primarily responsible for the routing of packets from one host to another.Each packet contains the address information needed for its routing through theinternetwork to the destination host. The dominant protocol at this level is theInternet Protocol (IP).

IP is responsible for the delivery of packets (datagrams) between hosts. It isanalogous to the postal system, in that it forwards (routes) and delivers datagramson the basis of IP Addresses attached to the datagrams, in the same way the postalservice would process a letter based on the postal address. The IP Address is a 32-bit entity containing both the network address (the zip code) and the host address(the street address).

The IPv4 address consists of 32 bits, e.g. 11000000011001000110010000000001.Since this number is fine for computers but a little difficult for human beings, it isdivided into four octets w, x, y and z. Each octet is converted to its decimal

OSI LAYER PROTOCOL IMPLEMENTATION ARPA LAYER

APPLICATION File Transfere Electronic Mail TerminalEmulation File Transfer Client/ServerNetwork

Management

PRESENTATIONFile Transfer

Protocol (FTP)

Simple MailTransfer

Protocol (SMTP)

TELNETProtocol

Trivial FileTransfere

Protocol (TFTP)

SunMicrosystems.

Network fileSystems

Protocol (NFS)

Simple NetworkManagement

Protocol(SNMP)

PROCESS ANDAPPLICATION

SESSION MIL-STD 1780RFC 959MIL-STD 1781

RFC 821MIL-STD 1782

RFC854 RFC 783RFC's 1014,1057 & 1094 RFC 1157

TRANSPORT Transmission Control Protocol (TCP)MIL-STD 1778 RFC 793User Datagram Protocol (UDP) RFC

768

HOSTTO

HOST

NETWORK Address Resolution ARPRFC 826 & RARP RFC 903Internet Protocol (IP)

MIL STD 1777 & RFC 791Internet Control MessageProtocol (ICMP) RFC 792 INTERNET

DATA LINK Network Interface Cards: Ethernet, Token-Ring, ARCNET, MAN and WAN. RFC 894, 1042, 1201 andothers NETWORK

PHYSICAL Transmission Media: Twisted pair cable, Coaxial Cable, Fiber Optics, Wirless Media etc. etc. INTERFACE

Los protocolos de la pila TCP/IP son los protocolos abiertos mas populares del mundogracias al auge sufrido por Internet, porque permiten comunicarse a traves de cualquierconjunto de redes interconectadas, y porque se adaptan tanto para comunicaciones LANcomo WAN.

1Puede parecer que este tamano mnimo de paquete hara la red extremadamente ineficiente para unsistema de control, que tiende a enviar un gran numero de paquetes de pequeno tamano. Sin embargo,existen mecanismos para paliar este efecto, como por ejemplo, el empaquetamiento de varias tramas MACen uno solo de estos bloques de 512 octetos o mas (1536 como maximo).

22

Su desarrollo comenzo en los anos 70, cuando la DARPA (Defense Advanced Re-search Projects Agency) se intereso en establecer una red de conmutacion de paquetesque facilitase las comunicaciones entre los sistemas heterogeneos de sus instalaciones deinvestigacion.

La tabla muestra el formato de la cabecera de un paquete IP.

Sobre los servicios ofrecidos por IP (en la capa de red), se implementan otros protocoloscomo son TCP, UDP, ICMP e IGMP.

TCP es un protocolo orientado a conexion, que ofrece una comunicacion fiable entredos extremos, as como control de flujo y de congestion. Se corresponde a la capa 4(transporte) del modelo de referencia OSI. Para garantizar una transmision fiable, losextremos de una comunicacion TCP deben empezar por establecer la conexion. Cadapaquete TCP incluye un numero de serie correlativo, mediante el que se detectara la laperdida de paquetes o la llegada desordenada, o por duplicado.

Todos los paquetes perdidos son retransmitidos sobre la red y, aunque ya se hayarecibido algun paquete posterior a uno perdido, a la capa de aplicacion no se le puede daresa informacion para garantizar la secuencialidad de los datos. Esta caracterstica puedeser desastrosa para un sistema de comunicaciones de tiempo real.

23

Una alternativa que permite evitar este problema es el uso de UDP. El UDP es unprotocolo no orientado a conexion, es decir, cada paquete es manejado de forma com-pletamente independiente. Por este motivo, UDP no ofrece fiabilidad, control de flujo nirecuperacion de errores, cuestion que puede ser favorable para un sistema de tiempo real.

Otros protocolos de la pila TCP/IP son ICMP, destinado a tareas de gestion de red,o IGMP, equivalente a ICMP pero para comunicaciones multipunto.

4.4. ASN.1

ASN.1 es una notacion formal usada para describir los datos transmitidos por proto-colos de telecomunicaciones, independientemente del lenguaje en que se implementen ode la representacion fsica de estos datos. Fue propuesto como estandar internacional en1984, estando descrito por los estandares ISO 8824 y ITU-T X.680 a 683.

La notacion ofrece un cierto numero de tipos basicos predefinidos, como enteros, ca-denas de caracteres, valores logicos, etc., y hace posible definir tipos construidos comoestructuras, listas, etc.

Una de las principales razones del exito de ASN.12 es que su notacion esta asociada convarios formatos de codificacion estandarizados. Estos formatos describen como los valoresdefinidos en ASN.1 deben ser codificados para transmision, de forma independiente dela maquina, lenguaje de programacion, etc. Habiendo varios de estos formatos, siemprees posible encontrar uno que se adapte a cada aplicacion, y concretamente los formatosmas ligeros proporcionan una comunicacion muy ligera en lo referente al ancho de bandanecesario.

Bibliografa de este captulo: [MAC02] [CHA02] [BRA03] [VER02] [SAM00]

2Pese a que se oye poco hablar acerca de ASN.1, es empleado por numerosos protocolos y estructurasde datos, como el directorio X.500, los certificados digitales X.509, el protocolo IKE de intercambio declaves en IPsec, la informacion de autentificacion de Kerberos, SNMP, UMTS, ZigBee, RDSI, sistemasRFID...

24

Captulo 5

Introduccion a Foundation FieldbusHSE

FOUNDATION HSE for high availability at the host-level

Jonas Berge

Operation

AdvancedControl

Compressors

BasicControl

Paper Scanner

SafetyShutdown

Hub

PlantInformation

Maintenance

Chromatograph

Figure 3 HSE integrates subsystems

Contrary to popular belief Ethernet alone does not make a device interoperable. Thatis because neither Ethernet nor TCP/IP make up a complete protocol stack (figure4). Most networks based on Ethernet are in fact proprietary. A network technologytherefore is also required to have an application layer and preferably a user layerthat is an open standard. If not, special drivers are ultimately required to access thedata. The HSE standard includes these layers thereby making it a completely openprotocol.

OSI Model

PhysicalData LinkNetwork

Transport

ApplicationUser

.

Ethernet

TCP/IPUDP/IP

HSEaddition

Figure 4 Most Ethernet based protocols are not fully open because part of the "stack" is proprietary.

The lack of higher-level standards has prevented easy integration of othersubsystems of the plant.

With H1 users got the freedom to select any field device from any manufacturer.HSE does the same thing at the host-level. Users will because of this standard beable to mix and match subsystems for basic control, emergency shutdown, paperquality control, advanced control and compressor control etc. from differentsuppliers. As long as all of them use HSE, information can effortlessly be accessedwithout patching with drivers and mapping of addresses, variable files and registers,and renaming. Users can combine the most suitable of each subsystem and keepingcost at a minimum, while at the same time reducing the configuration effort. In largeplants users often have basic control systems from more than one supplier, most of

5.1. Por que Ethernet?

El estandar HSE es especialmente interesante para transmitir ficheros grandes y paratransferencias de datos de alta velocidad como por ejemplo entre PLCs y RTUs. Cuandose diseno el estandar HSE se hizo un enfasis especial en utilizar componentes comerciales -standard off the shelf -, y en que se mantuviesen todas las funciones de H1. Concretamente,al igual que en H1, en HSE se siguen admitiendo transmisiones de dispositivo a dispositivo(incluso entre dispositivos H1 y HSE o entre dispositivos de segmentos H1 diferentes), porlo que sigue siendo posible realizar un sistema de control sin que un controlador principalforme parte del bucle de control [VER02].

Al elegir componentes comerciales, podemos beneficiarnos de la economa de escala

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de este tipo de mercado: gracias a la masificacion en la produccion, los costes disminuyenespectacularmente, y hay mucha mas variedad de fabricantes que utilizando dispositivosy componentes disenados especficamente para un bus de campo. Ademas, gracias a quetoda la parte fsica (y las capas mas inferiores de los protocolos) ya estan desarrolladas,probadas y establecidas, el esfuerzo de ingeniera se puede centrar en las capas mas altasde la pila OSI.

Igual que H1, HSE es un estandar abierto, lo que implica que cualquier fabricantepuede disponer de las especificaciones para fabricar dispositivos compatibles. Ninguna delas capas esta ocupada por un protocolo propietario.

Las capas inferiores de HSE se detallan en la norma IEEE 802.3u; utiliza Fast Ethernetpara transmitir los servicios de H1, as como mensajes creados especficamente para HSE.La capa de aplicacion de HSE contiene los protocolos DHCP (Dinamic Host ConfigurationProtocol), SNTP (Simple Network Time Protocol) y SNMP (Simple Network ManagementProtocol). En la capa de usuario esta el agente de gestion HSE y los bloques de funcion[MAC02].

5.2. H1+HSE

Foundation Fieldbus HSE no esta pensado para sustituir a H1, si no para ser utilizadoen combinacion con este. Dado que las tecnologas a nivel de campo y a nivel de controlforman parte de una misma familia de protocolos, se consigue una gran integracion, y elsistema sigue siendo abierto e interoperable sin perder funcionalidad por culpa elementospropietarios. H1 y HSE son esencialmente los mismos protocolos viajando por mediosdiferentes.

En la arquitectura del sistema de control propuesto por Fieldbus Foundation, H1 seutiliza a nivel de campo para interconectar transmisores, posicionadores, etc., mientras queHSE se emplea en en un nivel superior, conectando los segmentos H1 y otros dispositivosde alta velocidad con las estaciones de trabajo. Cada uno tiene unas propiedades diferentesque lo hacen adecuado para su campo [BER02].

Por otra parte, pese a que Foundation Fieldbus fue desarrollado unilateralmente, seideo como un bus que integrase las tecnologas anteriores mas representativas, y como tales muy generico, admitiendo multiples metodos de comunicacion y tipos de servicios. Estopermite a HSE interconectar no solo dispositivos HSE y redes H1, si no tambien redesde otros sistemas sin perder nada (o casi nada) de funcionalidad. Sin embargo, el controlya no sera nativo, y aunque en la bibliografa no se encuentran referencias a que soportedaran los programas de diseno y gestion de FF, no cuesta deducir que sera necesariorecurrir a otros programas de terceros con los que habra que interactuar.

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5.3. Tipos de dispositivos HSE

En funcion de su finalidad, se definen cuatro tipos de dispositivos HSE [HUA01]:

Linking device (LD) Provee acceso a dispositivos H1. Tambien realiza puentes (bridg-ing) a nivel H1 entre las redes H1 conectadas al mismo dispositivo, o incluso atraves de la red HSE hasta otros LD, u otros dispositivos HSE.

Gateway device (GD) Da conectividad a otras redes no-FF. Los servicios ofrecidosdependeran de las capacidades de la red en cuestion.

Ethernet device (ED) Es el equivalente a un dispositivo de campo H1, pero con unaconexion directa a red HSE.

Host device (HD) Es un dispositivo no HSE que puede comunicarse con dispositivosHSE, como la estacion de trabajo de un operador, o un servidor OPC1.

5.4. Beneficios de HSE

Ademas de los mismos beneficios del ciclo de vida de H1, HSE proporciona una espinadorsal para integrar todos los sistemas de la planta [FF96]:

5.4.1. Alto rendimiento

Permite funciones de gestion activa como diagnosticos, calibracion, identificacion, etc.para analizar la informacion masiva -data mining- enviada por todos los dispositivos entiempo real. La gestion activa permite a los usuarios realizar acciones de mantenimientopreventivo.

5.4.2. Interoperabilidad de subsistemas

Las plantas suelen estar compuestas por un cierto numero de subsistemas independi-entes. Con HSE los subsistemas de cromatografa de gases, escaners de papel, sistemasde apagado de emergencia, etc. pueden ser integrados comodamente gracias al protoco-lo abierto. Los usuarios pueden mezclar y combinar subsistemas para realizar tareas decontrol de todo tipo. Usando HSE puede accederse a la informacion sin necesidad de pro-gramacion a medida. Ademas, numerosas caractersticas del sistema como la integridadde datos, diagnosticos, y redundancia son especificadas por HSE, por lo que funcionarande forma perfectamente integrada entre dispositivos de diferentes fabricantes.

1OPC es un sistema homogeneo de acceso a dispositivos de automatizacion equivalente a lo que elservidor de impresion de Windows lo es a las impresoras.

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5.4.3. Bloques funcionales

Los mismos bloques funcionales que se empleaban en H1 pueden utilizarse en sistemasHSE, por lo que sigue sin ser necesario el uso de lenguajes propietarios. Puede utilizarseel mismo lenguaje de programacion de estrategias de control a lo largo de todo el sistema.

5.4.4. Red troncal de control

HSE ofrece capacidades de comunicacion de igual a igual -peer to peer -. Los disposi-tivos pueden comunicarse unos con otros sin necesidad de pasar por un ordenador central.Esto hace posible realizar estrategias de control avanzadas empleando variables de todala planta sin el riesgo de un fallo del ordenador central.

5.4.5. Ethernet estandar

La comunicacion entre dispositivos HSE se realiza mediante cable Ethernet estandar;no hacen falta habilidades o herramientas especializadas para su instalacion, por lo queesta es rapida y sencilla.

Los componentes estandar Ethernet (COTS - Commercial Off the Shelf ) se fabricande forma masiva, gracias a lo que el cable, las tarjetas de interfaz y el resto del hardwarede red tiene un coste extremadamente bajo en comparacion con las redes propietarias.

Las opciones Ethernet para el medio fsico incluyen par trenzado, fibra optica e in-alambrico. Ademas, en caso de ser necesaria una fiabilidad mayor que la conseguida me-diante componentes comerciales estandar (de oficina), todo el hardware de Ethernetpuede conseguirse tambien en categora industrial de numerosos fabricantes.

Bibliografa de este captulo: [BER02] [SAM00] [VER02] [HUA01] [SMA01] [FF96]

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Captulo 6

Descripcion de los protocolos de H1y HSE

Tal como ya se adelanto, HSE no solo es un nuevo medio fsico sobre el que reenviarlos paquetes de servicios H1, si no que tiene un funcionamiento ligeramente diferente enalgunos aspectos, ademas de implementar ciertos servicios que H1 no ofreca.

Como HSE se desarrollo intentando mantener una integracion total con H1, a contin-uacion se comentan brevemente las caractersticas tecnicas de H1, para pasar a describirlos aspectos comunes entre H1 y HSE, y terminar exponiendo las caractersticas especfi-cas de HSE.

6.1. H1

La tecnologa de Foundation Fieldbus H1 se puede descomponer en tres partes [SMA01]:

1. La capa fsica

2. La pila de comunicaciones

3. La aplicacion de usuario

Segun el modelo OSI, la capa fsica se correspondera directamente con la capa 1. Lapila de comunicaciones de H1 no necesita ser muy complicada, ya que no son necesariastareas de enrutado, establecimiento de conexiones, etc., y por tanto, esta contenida com-pletamente en las capas OSI 2 (capa de enlace de datos) y 7 (capa de aplicacion). Lascapas descritas por FF son:

Fieldbus Message Specification (FMS), correspondiente a la capa 7 de OSI

Fieldbus Access Sublayer (FAS), correspondiente tambien a la capa 7 de OSI, pordebajo de FMS.

29

Data Link Layer (DLL), correspondiente a la capa 2 de OSI.smar

5B

The Physical Layer is OSI layer 1. The Data Link

Layer (DLL) is OSI layer 2. The Fieldbus Message Specification (FMS) is OSI layer 7. The

Communication Stack is comprised of layers 2 and 7 in the OSI model.

The fieldbus does not use the OSI layers 3, 4, 5 and 6. The Fieldbus Access Sublayer (FAS) maps the

FMS onto the DLL.

The User Application is not defined by the OSI model. The Fieldbus Foundation has specified a

User Application model.

Each layer in the communication system is responsible for a portion of the message that is

transmitted on the fieldbus.

The numbers below show the approximate number of eight bit octets used for each layer to

transfer the USER data.

The Open System

Interconnect (OSI) layered

communications model.

* The user aplication is not defined by de the OSI Model.

The approximate number

of eight bit octets used for

each layer to transfer the

USER data.

* Protocol Control Information** Protocol Data Unit*** There may be more than one octet of preamble ifrepeaters are used

Fieldbus

OSI MODEL* FIELDBUS MODEL

APPLICATION LAYER

PRESENTATION LAYER

SESSION LAYER

TRANSPORT LAYER

NETWORK LAYER

USERAPPLICATION

FIELDBUS MESSAGE

SPECIFICATION

FIELDBUS ACCESS

SUBLAYER

DATA LINK LAYER

PHYSICAL LAYER

>

7

6

5

4

3

2

1

>

>

DATA LINK LAYER

PHYSICAL LAYER PHYSICAL LAYER

COMMUNICATION

STACK

USERAPPLICATION

USERAPPLICATION

FIELDBUS MESSAGE

SPECIFICATION

FIELDBUS ACCESS

SUBLAYER

DATA LINK LAYER

PHYSICAL LAYER

USER DATA

FMS PCI*

FMS PDU**FAS

PCI*

DLL

PCI*FAS PDU**

FRAME CHECK

SEQUENCE

PREAMBLESTART

DELIMITER DLL PDU** END DELIMITER

USER ENCODED DATA

0 to 251

1 4to 255

5-15 5 to 256 2

1*** 1 8-273 1

4

Ademas H1 describe una ultima capa que no esta definida por OSI; se colocarainmediatamente por encima de la capa 7 y la denominan capa de usuario. En ella seespecifica el modelo de aplicacion de usuario, describiendo, por ejemplo, la estructura yfuncionamiento de los bloques funcionales.

6.1.1. Capa fsica

La capa fsica esta definida en estandares aprobados por la IEC (International Elec-trotechnical Commission) y la ISA (Instrumentation, Systems, and Automation Society,aunque se definen como International Society for Measurement and Control). Las senalesH1 se codifican usando la tecnica Manchester Bifase-L, por lo que se puede considerarserie sncrono pese a no incluir una senal de reloj independiente.

El dispositivo transmisor enva 10mA a 31.25kbps sobre una carga equivalente de 50para crear una tension de 1Vpp modulada sobre la componente continua de alimentacion.Las especificaciones del bus admiten tensiones de alimentacion entre 9V y 32V, pero paraaplicaciones IS el rango de tensiones admitidas dependera del grado de la barrera. Siningun dispositivo lo necesita, tambien se admite que el bus no transporte la tension dealimentacion. En ese caso, la informacion sera lo unico transmitido por el bus, y todos losdispositivos necesitaran una fuente de energa alternativa [MAC02].

H1 tambien soporta buses de campo intrnsecamente seguros (IS) con dispositivosalimentados por bus. Para permitirlo, se introduce una barrera IS entre la fuente dealimentacion en el area segura y el dispositivo IS en la zona peligrosa. H1 no esta basado

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en FISCO1, y por tanto el instalador debera cerciorarse de que se cumplen las normas ytodos los valores estan dentro de los valores admisibles, como por ejemplo en lo referentea la inductancia y la capacidad del bus, o a la potencia maxima disponible para losdispositivos.

La topologa del bus no esta restringida a ser en arbol o completamente lineal, comoen otros buses de campo, si no que se admiten topologas hbridas, utilizando cajas deconexiones que permiten la incorporacion de derivaciones. Para evitar problemas con lasreflexiones lo que se limita es la longitud total del cable.

FIELDBUS TUTORIAL 8B

TUTO

RIA

L

>

>

>>

31.25 kbit/s

Fieldbus Wiring

Linking Device

Fieldbus Wiring

USERLAYER

COMMUNICATION

STACK

PHYSICAL LAYER

31.25 kbit/s devices can be powered directly from the fieldbus and can operate on wiring that was

previously used for 4-20 mA devices.

The 31.25 kbit/s fieldbus also supports intrinsically safe (I.S.) fieldbuses with bus powered devices.

To accomplish this, an I.S. barrier is placed between the power supply in the safe area and the I.S.

device in the hazardous area.

Fieldbus allows stubs or spurs.

The length of the fieldbus is determined by the communication rate, cable type, wire size, bus

power option, and I.S. option.

High Speed Ethernet

A Linking Device is used to interconnect 31.25 kbit/s fieldbuses and make them accessible to a

High Speed Ethernet (HSE) backbone running at 100 Mbit/s or 1 Gbit/s. The I/O Subsystem

Interface shown in the figure allows other networks such as DeviceNet and Profibus to be

ampped into standard FOUDATIONTMFieldbus function blocks. The I/O Subsystem Interface can be

connected to the 31.25 Kbit/s fieldbus or HSE.

6.1.2. Pila de comunicaciones

La capacidad que tienen los dispositivos FFde asumir funciones de control se basa enuna comunicacion distribuida, que permite:

Cada dispositivo puede intercambiar datos directamente con otros dispositivos.

Todos los dispositivos son servidos a tiempo, de forma que los bucles de controltengan un rendimiento estable.

Para que el comportamiento sea determinista, es necesario evitar las colisiones.

Para garantizar estas premisas, H1 utiliza un sistema por paso de testigo con un con-trolador principal, el LAS (Link Active Scheduler). La funcion de LAS puede ser asumida

1Fieldbus I.S. Concept, es un modelo de diseno de buses de campo para zonas IS basado en reglasempricas.

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por un dispositivo de campo normal, o por un dispositivo especializado. Un dispositivocon capacidad para convertirse en un LAS se denomina Link Master, mientras que losque no tienen esa capacidad se llaman Basic Devices. De esta manera, en un bus puedenestar presentes varios Link Masters, para que en caso de fallar el LAS activo otro puedareemplazarlo.

El LAS controla y temporiza las comunicaciones en el bus, utilizando varios testigosy comandos que enva de forma rotativa a todos los dispositivos. Tambien se encargade autodetectar los dispositivos recien conectados o los que estan fallando, configurandoas un sistema plug and play.

Todas las tareas con dependencias temporales fuertes se realizan manteniendo unaagenda estricta de transmisiones. Esta planificacion debe ser creada por el operador alconfigurar el sistema FF.

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FF ofrece servicios de comunicaciones con transmision de datos programada (plani-ficada de antemano de forma periodica) y no programada (asncrona, transmitida bajodemanda). Las tareas con una fuerte dependencia del tiempo y periodicas, como la co-municacion de una variable para un bucle de control, se realizan de forma programada,mientras que las transmisiones de diagnostico, configuracion, etc. se realizan de forma noprogramada.

El LAS transmite periodicamente un paquete de sincronizacion (TD: Time Distrib-ution), para que todos los dispositivos tengan exactamente la misma hora. As en unatransmision programada, el instante en que se inicia y la duracion de la misma estanpreestablecidos de forma precisa.

Estas planificaciones se repiten cclicamente en lo que se denominan macrociclos. Cadatarea periodica (no solo las transmisiones, si no tambien el momento de ejecucion de cadabloque funcional) estara programada para un instante concreto dentro del macrociclo,pero teniendo en cuenta que no puede haber mas de una simultaneamente que impliqueacceso al bus2, ya que para asegurarse de que no haya colisiones, un dispositivo solo puedetransmitir cuando el LAS le cede el control del bus mediante un paquete testigo. El LASse asegura de que el testigo pase por todos los dispositivos de la lista de dispositivosvivos.

Durante todo el tiempo en que el bus esta desocupado, bien porque los dispositivosestan en espera o porque estan realizando otras tareas, el LAS permite y arbitra el usodel bus para transmisiones no programadas. Al final de cada transmision, comprueba siqueda tiempo para hacer algo antes de la siguiente transmision programada, y en caso deque sea as, elige entre ceder el testigo a alguien para comprobar si tiene informacion noprogramada por transmitir, o entre enviar un paquete de sincronizacion, etc.

6.2. Especificaciones comunes

En la capa de Aplicacion de OSI, FF coloca dos de sus capas: la capa de especificacionde mensajes (FMS) y la subcapa de acceso al bus (FAS).

6.2.1. Fieldbus Access Sublayer (FAS)

La FAS proporciona una interfaz entre FMS y la capa de enlace (DLL) [SAM00],ofreciendo servicios de control y manejo de relaciones virtuales.

Las Virtual Communication Relationships (VCR) describen diferentes tipos de pro-cesos de comunicacion, y permiten que las operaciones asociadas sean procesadas masrapidamente. Basicamente, lo que hacen es asignar un codigo de conexion corto a la direc-

2Es decir, as como se puede programar la ejecucion de varios bloques funcionales independientespara 3ms despues de comenzar el macrociclo, no podemos hacer lo mismo con varias transferencias deinformacion a traves de un mismo segmento H1 ya que provocaramos una colision.

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cion completa de una conexion, simplificando el funcionamiento de las capas superiores yreduciendo la cantidad de informacion a transmitir por el bus, ademas de controlar el fun-cionamiento de dicha relacion virtual y gestionar parte del comportamiento redundantede la red.

La capa de acceso al bus (FAS) soporta tres tipos de VCRs [FF96]:

Publisher/Subscriber (Publicador/Suscriptor) Se utiliza para transmisiones de uno amuchos de datos que varan con el tiempo, de modo que cada dato transmitidosustituye el anterior. Pueden ser comunicaciones periodicas o no programadas. Gen-eralmente los dispositivos de campo utilizan este tipo para transmitir (publicador)o recibir (suscriptor) los parametros de entrada/salida de sus bloques funcionales.

Client/Server (Cliente/Servidor) Se emplea para transmisiones encoladas, no progra-madas, de uno a uno. Encolados significa que se envan todos los datos en el orden enque fueron solicitando su emision (en el tipo Publisher/Subscriber cada dato nuevodejaba obsoleto al anterior, por lo que este era eliminado). El modo cliente/servidorsuele ser utilizado por el operador para tareas de configuracion, asentimiento dealarmas, y transmisiones varias a los dispositivos.

Report Distribution (Notificacion de eventos) Se utiliza para transmisiones encoladas,no programadas, de uno a muchos. Suele utilizarse para transmitir alarmas y noti-ficaciones a las consolas de los operadores.

6.2.2. Fieldbus Message Specification (FMS)

Los servicios de la capa de especificacion de mensajes (FMS) permiten a las aplica-ciones de usuario y a los dispositivos enviar mensajes a traves del bus de campo utilizandoun conjunto de formatos de mensajes estandar.

Los tipos de datos que pueden ser comunicados sobre el bus de campo se asignan a cier-tos servicios de comunicaciones. Para una asignacion uniforme, se emplean descripcionesde objeto (object descriptions). Las descripciones de objeto contienen definiciones de to-dos los formatos de mensaje estandar, y tambien incluyen datos especficos de aplicacion.Para cada tipo de objeto hay servicios de comunicaciones predefinidos.

Las descripciones de objeto se recopilan en un diccionario de objetos (Object Dictio-nary, OD). Se identifica entonces la descripcion de cada objeto por su ndice dentro deldiccionario [SAM00]:

El ndice 0 describe la estructura del propio diccionario.

Los ndices entre 1 y 255 describen tipos de datos basicos (entero, cadena, puntoflotante, etc.).

Las descripciones de objetos de las aplicaciones del usuario pueden empezar encualquier ndice a partir del 255.

34

El FMS define los Virtual Field Devices (VFD), dispositivos de campo virtuales quepermiten utilizar remotamente los datos locales de cualquier dispositivo descritos en eldiccionario de objetos. Un dispositivo tpico tendra al menos dos VFDs [FF96]:

Network Management (Gestion de red) Permite configurar la pila de comunicacionesdel dispositivo. Da acceso a la base de informacion de gestion de red (NMIB, NetworkManagement Information Base), y tambien a la base de informacion de gestion delsistema (SMIB, System Management Information Base). La NMIB incluye las VCRdel dispositivo, variables dinamicas, estadsticas, y la programacion del LAS si eldispositivo es un Link Master. Los datos de la SMIB incluyen la etiqueta y ladireccion del dispositivo, y las programaciones horarias de ejecucion de sus bloquesfuncionales.

User Application (Aplicacion de usuario) Da acceso a todas las funciones del dispositi-vo, como sus sensores, actuadores, etc. Tambien permite configurar el funcionamien-to del hardware, cargar informacion de calibracion, etc.

La sintaxis exacta de los paquetes FMS esta descrita por el estandar ASN.1 de CCITT(ahora ITU-T).

6.3. HSE

Las capas fsica y de enlace empleadas por HSE son las correspondientes a Ethernet.Las capas de red y transporte, son manejadas por UDP, TCP e IP. Las capas de sesion ytransporte no se utilizan, y en la capa de aplicacion aparecen un gran numero de proto-colos: SNMP, DHCP, BOOTP, SNTP, as como ciertas especificaciones propias de HSE:FDA, FMS o SM [FF96]. Puede observarse que efectivamente basaron el trabajo en losestandares previos internacionales (tal como se declaro en los objetivos de la fundacion),ya que la mayor parte del sistema esta descrito por protocolos bien conocidos.

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Figure 2 Fieldbus HSE Profile Functional Areas

HSE Management AgentNMAVFD

ODHSESMIBHSENMIB

HSESMK

HSELRE

H1Interface

1

H1Interface

N

Bridge FBAPVFD

1

OD

FBAPVFD

1

OD

SNMP

SNTP

DHCP

HSEMIB

Field Device Access Agent

IP

IEEE 802.3 MAC and PHY Layers

UDPTCP

De forma equivalente a H1, por encima de la capa de aplicacion se define una capa deusuario, donde se especifica la estructura y funcionamiento de los bloques funcionales, elmodo de interconexion, etc.

6.3.1. Especificaciones de HSE

Presencia Ethernet

Se denomina Presencia Ethernet (Ethernet Presence) al modulo que ofrece los serviciosde inicializacion de las pilas Ethernet, comunicacion de proposito general a traves de losmedios Ethernet, sincronizacion, y la gestion referente a Ethernet [FF96].

Las especificaciones de HSE intentan abarcar todos los medios fsicos y modos desenalizacion descritos en IEEE 802.3 y 802.3u. La gestion de la Presencia HSE utiliza unaversion aumentada de SNMP para soportar los parametros de la pila Ethernet unicos enFF.

El juego de protocolos a incluir en la implementacion de una Presencia Ethernet seresumen en la tabla.

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3.6 HSE Communication Stack

g FF-581 System Architectureg FF-586 Ethernet Presenceg FF-588 Field Device Access (FDA) Agentg FF-589 HSE System Managementg FF-803 HSE Network Management

Most Ethernet-based protocols are not fully openbecause part of the stack is proprietary. The lackof higher-level standards has prevented easy inte-gration of other subsystems of the plant. The HSEstandard includes the application and user layers,thereby making it a completely open protocol.

3.6.1 HSE Device TypesThere are four basic HSE device categories, but manyare typically combined into a single device: linkingdevice, Ethernet device, host device, and gatewaydevice. A Linking Device (LD) connects H1 networksto the HSE network. An Ethernet Device (ED) mayexecute function blocks and may have some conven-tional I/O. A Gateway Device (GD) interfaces othernetwork protocols such as Modbus, DeviceNet