Universidad de Chile Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas Departamento de Ingeniería Eléctrica

Buses de Campo para Instrumentos

Inteligentes

Curso: EL53A. Taller de Proyecto en Control 1 Alumno: Diego Muñoz Carpintero Profesor: Jorge López Fecha: 2 de Noviembre de 2007

1 Introducción.......................................................................................................... 3 2 Profibus PA........................................................................................................... 4

2.1 Antecedentes generales.................................................................................. 4 2.2 PROFIBUS DP.............................................................................................. 6

2.2.1 El protocolo de comunicaciones DP....................................................... 6 2.2.2 Capa Física en PROFIBUS DP .............................................................. 9

2.3 PROFIBUS PA............................................................................................ 10 2.3.1 Capa Física y Enlace............................................................................ 10 2.3.2 Modelo básico del bus de campo.......................................................... 11 2.3.3 Topologías del bus de campo ............................................................... 11 2.3.4 Robustez del sistema............................................................................ 13 2.3.5 La capa de Aplicación.......................................................................... 14 2.3.6 Elementos de la red de campo.............................................................. 16 2.3.7 Seguridad Intrínseca ............................................................................ 18 2.3.8 Implementación de la red ..................................................................... 21

2.4 Software para PROFIBUS ........................................................................... 28 2.5 Algunos ejemplos de Productos ................................................................... 28

3 Foundation Fieldbus............................................................................................ 29 3.1 Antecedentes Generales............................................................................... 29 3.2 Foundation H1............................................................................................. 29

3.2.1 El protocolo H1 ................................................................................... 30 3.2.2 Topologías de la red............................................................................. 35 3.2.3 Implementación del bus de campo ....................................................... 36 3.2.4 Ejemplo de implementación................................................................. 41

3.3 Foundation HSE .......................................................................................... 42 3.3.1 Antecedentes Generales ....................................................................... 42 3.3.2 El protocolo HSE................................................................................. 43

1 Introducción En los últimos años la cantidad de nuevas tecnologías han incrementado de una forma asombrosa, lo que ha permitido aumentar cada vez más la complejidad de los procesos industriales, y a la vez reducir los costos. Esta mejora en las tecnologías industriales a su vez hace que se requieran mejores tecnologías para administrarlas y controlarlas, ya que los antiguos sistemas análogos ya no sirven para estas nuevas tecnologías digitales. En este contexto es que nacen los buses de campo inteligentes, basados en tecnologías digitales, permiten controlar de forma inteligente los procesos industriales y de manufacturas, gracias a soluciones de software estándares. Al mismo tipo sirven para administrar, gestionar y supervisar las redes y buses de campo, lo que finalmente permitirá reducir los costos y aumentar las ganancias de las empresas. Las 2 principales soluciones de buses de campo son PROFIBUS, y Fieldbus Foundation, y en este informe se presentan las principales características de cada una de ellas.

2 Profibus PA

2.1 Antecedentes generales

PROFIBUS es un bus de campo inteligente que permite y facilita el control industrial de procesos y de manufactura, su gestión, administración y supervisión.

PROFIBUS Process Automation (o PROFIBUS PA) se refiere en general a una selección de todos los componentes que cumplen los requerimientos para lograr tarea de una efectiva automatización de procesos de forma inteligente en un bus de campo. En particular, a la conexión inteligente de dispositivos de campo a controladores, sistemas de control y estaciones de ingeniería.

La parte del sistema que está en contacto directo con los dispositivos de campo en un sistema de automatización industrial (su capa física), así como las aplicaciones (software) para la automatización inteligente del proceso es conocida como PROFIBUS PA. PROFIBUS además provee otro sistema para los procesos industriales, PROFIBUS DP (PROFIBUS Decentralized Periphery), el cual se encarga del protocolo de comunicaciones, así como de las operaciones para la administración, gestión, monitoreo del sistema completo industrial, el cual incluye el control de las operaciones de manufactura y automatización de procesos (este último implementado por PROFIBUS PA). Es relevante destacar que PROFIBUS PA entrega todas las herramientas físicas (de infraestructura), y las de inteligencia (funcionamiento particular de cada componente), pero aún necesita un sistema de comunicaciones. Por esto, PROFIBUS PA depende de PROFIBUS DP para funcionar.

Figura Nº 1: los 3 sistemas fundamentales de PROFIBUS: PROFIBUS PA para la automatización de

procesos industriales; PROFIBUS DP para la gestión, administración y monitoreo de procesos industriales y control de manufacturas; y PROFINET para la extensión de PROFIBUS DP sobre los

protocolos de TCP/IP (Internet) y equipos compatibles con Ethernet

Por último, existe otro sistema que provee PROFIBUS para la gestión, administración y monitoreo de procesos industriales, que es PROFINET. PROFINET se encuentra basado en Ethernet, y todo el stack de protocolos de TCP/IP y se utiliza para integrar la red de PROFIBUS DP a un sistema mayor, como es el de Internet, para así poder realizar la gestión de proceso a larga distancia, o bien para poder integrar dispositivos industriales que tengan interfaces Ethernet, lo cual resulta muy útil debido a la gran globalidad de Ethernet y el stack de protocolos TCP/IP. El sistema completo funciona como una estructura modular basada en el modelo de comunicaciones OSI.

Figura Nº 2: estructura modular de PROFIBUS

En la capa 1 (capa física), para PROFIBUS PA se utiliza el protocolo de transmisión MBP (Manchester coded, Bus Powered, es una codificación de tipo Manchaster, que además alimenta los dispositivos por el mismo bus) y MBP-IS (MBP que además acepta aplicaciones con seguridad intrínseca), para PROFIBUS DP se utilizan los protocolo RS485 (es un protocolo de transmisión serial asíncrono) y RS485-IS (RS485 que además acepta aplicaciones con seguridad intrínseca). En la capa 2 (capa de enlace) se implementa el sistema de comunicaciones de PROFIBUS DP, el que está basado en un sistema de maestros y esclavos. Además se define en esta capa el protocolo de Bus Access Protocol, el cual está basado en un sistema de tokens (testigos) para definir a cual de los esclavos corresponde el dominio el bus en cada fracción temporal, como además repartir el dominio del bus en caso que haya más de 1 maestro (cual maestro actúa en cada momento como El maestro del bus). Por último en la capa de aplicación se definen los perfiles de aplicación, que son utilidades de software que definen sub-aplicaciones para los dispositivos del tipo de red que se esté implementado. Por ejemplo el perfil PA para automatización de procesos, el

perfil PROFIDrive para aplicaciones de control de velocidades, PROFISafe para aplicaciones de seguridad, etc. Así, se puede utilizar la combinación que más convenga de esta estructura modular, dependiendo la aplicación en que se quiera utilizar.

Figura Nº 3: combinaciones posibles típicas de sistemas de PROFIBUS para aplicaciones típicas

A continuación se detallarán las características de PROFIBUS DP, que aporta el protocolo de comunicaciones para PROFIBUS PA, que es lo que finalmente nos interesa.

2.2 PROFIBUS DP

2.2.1 El protocolo de comunicaciones DP

Existen 3 versiones de PROFIBUS DP.

� PROFIBUS DP-V0: incluye operaciones de I/O cíclicas, y reportes de comunicación y diagnóstico generales.

� PROFIBUS DP-V1: incluye las mismas funciones de la versión 0, y además añade funciones acíclicas (por ejemplo configuración de dispositivos) y de alarmas.

� PROFIBUS DP-V2: : incluye las mismas funciones de la versión 1, y además añade funciones útiles particularmente para aplicaciones de drives (velocidad), sincronizaciones temporales y comunicación entre esclavos.

Los dispositivos de campo en general tienen soporte para DP-V0 y DP-V1, de modo que el esquema de comunicación que se describe a continuación es para PROFIBUS DP V1. El protocolo de PROFIBUS DPv1, como ya ha sido mencionado, se basa en un sistema de maestros y esclavos. El maestro (elemento activo de la comunicación), realiza un sistema de polling, mediante el cual selecciona los esclavos (elementos pasivos de la comunicación). Un esclavo, cuando ha sido polled (seleccionado), envía un frame de respuesta por el bus con la información requerida por el maestro (mediante

el mismo frame que utiliza para seleccionar al esclavo), pudiendo ser esta el nivel de un estanque o la velocidad de un motor. El frame enviado por el maestro también podría ser una orden para un actuador, por ejemplo, mover la apertura de una válvula hacia un valor deseado, y además responde con un frame que indique la posición efectiva alcanzada por la válvula, o si fue exitosa o no la operación. En un ciclo de bus (macrociclo), el maestro hace polling a cada esclavo asociado a él. Una vez seleccionado un esclavo, debe procurar dejar una fracción de tiempo lo suficientemente amplia (slot) para que este dispositivo pueda procesar la información recibida y responder su frame, antes de seleccionar otro dispositivo (o sea para evitar colisiones en el bus). Este macrociclo se realiza tan rápido como sea posible, de modo de mantener una comunicación fluida con cada dispositivo.

Figura Nº 4: operaciones de I/O (y sus frames) en comunicación cíclica

En paralelo con este tipo de comunicación, que es descrita como cíclica, con operaciones de I/O entre el maestro y sus esclavos, se realiza otro tipo de comunicación, que es descrita como acíclica, para definir parámetros de configuración de los esclavos. Este tipo de comunicación debe ser realizada en fracciones de tiempo del macrociclo en los cuales ningún dispositivo (maestro o esclavo) tenga acceso al bus. Al momento de configurar el macrociclo, se debe tener la precaución de dejar estas ventanas de la comunicación cíclica para poder efectivamente realizar estas tareas de comunicación acíclica.

Figura Nº 5: comunicación cíclica y acíclica en PROFIBUS DPv1.

La figura Nº 5 muestra el esquema de comunicación cíclica y acíclica en PROFIBUS DPv1. En PROFIBUS DP se trabaja con 2 tipos de maestros, como ya ha sido descrito:

� Maestro PROFIBUS DP clase 1: son maestros que usan comunicación cíclica para intercambiar datos del proceso con sus esclavos asociados. Estos maestros por lo general están integrados en un PLC (Programable Logic Controller), o forman parte de la estación de automatización en un sistema de control de proceso.

� Maestro PROFIBUS DP clase 2: son maestros que utilizan comunicación acíclica para definir parámetros en los esclavos. Estos maestros por lo general están integrados en una estación de ingeniería usada para la configuración de dispositivos. No deben estar conectados siempre al bus del sistema (pueden ser conectados sólo cuando se requiera configurar cierto dispositivo).

Por lo general los dispositivos diseñados para ser maestros son aptos para trabajar de cualquiera de las 2 formas, aunque sólo se requiere uno de cada clase. Para definir cual de ellos es el que tiene control del bus, se usa el protocolo Bus Access Protocol, el que funciona con un sistema de tokens (testigos). Cuando la comunicación acíclica es la que se está realizando, el token le corresponde al Maestro clase 1, mientras que si se requiere realizar una operación de configuración acíclica, el token pasa al maestro de clase 2, hasta que la operación haya sido realizada, momento en el que vuelve al maestro clase 1 para la comunicación cíclica. Los esclavos son por lo general dispositivos de campo (válvulas, transductores, sensores, actuadores, etc) que juegan su rol en el proceso, midiendo variables, o actuándolas. Los esclavos pueden ser modulares o compactos. Un esclavo compacto corresponde a un solo dispositivo con una sola función, mientras que un esclavo modular corresponde a una estación con variadas interfaces para insertar varios dispositivos, que se pueden manejar como un solo dispositivo con una configuración de nivel de aplicación (ver perfiles de aplicación más adelante) adecuada. Las variables manejadas por los esclavos pueden ser mono o multi-variable, en el último caso los esclavos pueden ser fácilmente manejados como si fuesen modulares. Algunos dispositivos pueden ser esclavos y maestros a la vez. Por ejemplo, los puentes (o desacopladores) entre el lado DP y PA de un instalación se comportan así. En el lado DP son un esclavo del maestro de este lado, mientras que en el lado PA, este mismo dispositivo es el maestro. Al momento de configurar el sistema se debe escoger las direcciones de cada dispositivo, las cuales tienen un largo de 7 bits. Son 127 direcciones, más una de broadcast con todos los bits 1, además el maestro clase 1 tiene asociada la dirección con todos los bits cero. Los desacopladores deben tener 2 direcciones, una en el lado DP, y otra en el lado PA. Los principales parámetros de la red en el lado DP son:

� Tiempo de ciclo.

� Tasa de transferencia (9.6 kbps-12 Mbps, en RS485). � Tiempo de watchdog(>> tiempo de ciclo de bus). � Tiempo de slot. � Tiempo de rotación de token.

2.2.2 Capa Física en PROFIBUS DP

En el lado de PROFIBUS DP por lo general se utiliza como cable del bus un par trenzado de cobre con pantalla, tipo A. El protocolo de transmisión utilizada es la RS485, que es de tipo digital asíncrona serial, con señales diferenciales, especialmente diseñado para ambientes con mucho ruido. La topología de este tipo de red es de línea, soportando un máximo de 32 estaciones en el bus (un acoplador vale como 1 sola estación).

Figura Nº 6: topología de red de PROFIBUS DP

Tabla Nº 1: tasas de transmisión y el largo máximo del bus para cables tipo A

El largo máximo aceptable del bus, está directamente relacionado con la velocidad de transmisión seleccionada (ver tabla Nº 1), la cual es la misma para todos los dispositivos de la red DP. Los extremos del bus deben ir con terminadores activos, pues el bus en el rango de frecuencias y de distancias en que se trabaja el bus se comporta como una línea de transmisión, que debe evitar las reflexiones. En el caso que se quiere ampliar las dimensiones del bus o el número de segmentos por sobre el máximo permitido, se debe utilizar repetidores. A continuación se describen las características de PROFIBUS PA, que es la que se encarga de la automatización de procesos.

2.3 PROFIBUS PA

Como ya se ha mencionado, PROFIBUS PA utiliza el protocolo de comunicaciones de de PROFIBUS DP, pero utiliza otras especificaciones de capa física y de aplicación, que trataremos a continuación.

2.3.1 Capa Física y Enlace

A este nivel se utilizan por lo general cables de par trenzado apantallado (para evitar la interferencia electromagnética externa), tipo A ó B. Utiliza el protocolo de transmisión digital MBP (Manchester Coded, Bus Powered), a una velocidad de 31.25 kbps, con una comunicación serial, síncrona, utiliza preámbulos y CRC (cyclic redundancy code).

Figura Nº 7: modulación de corriente Manchester bifásica L

Este protocolo (MBP) utiliza codificación Manchester Biphase L (los bits no están representados por niveles bajos o altos, sino que por cambios en los niveles por sobre un nivel base. Un 1 es un cambio de nivel bajo a nivel alto, y un cero es un

cambio de nivel alto a nivel bajo. Además la alimentación de los dispositivos se realiza por el mismo bus, de modo que la información digital viaja por sobre la componente continua de alimentación de los dispositivos. Se asume que cada dispositivo consume un corriente base IB de al menos 10 mA, y la modulación se realiza en términos de corriente. Así un nivel bajo está dado por la corriente base menos 9 mA. El nivel alto es esta corriente base más 9 mA, tal como se aprecia en la figura Nº 7.

2.3.2 Modelo básico del bus de campo

El modelo básico del bus de campo es el siguiente. Se cuenta con el par trenzado, sobre el cual se transporta la información digital y la alimentación de los dispositivos. Así, se debe conectar al bus una fuente de poder, y se debe tener un acoplador de señal para pasar de PROFIBUS DP a la zona PA. Luego en el campo se tienen los dispositivos conectados al bus (en distintas topologías que se verán a continuación), y un terminador para evitar reflexiones.

Figura Nº 8: modelo básico del bus de campo

2.3.3 Topologías del bus de campo

Las topologías soportadas en PROFIBUS PA son básicamente cualquiera, de línea, de árbol, o alguna combinación de éstas. La que ha obtenido una mayor preferencia es la topología de trunk and spur (tronco y ramas, o troncal), que es un caso particular de la combinación de topologías de línea y árbol. Se cuenta con la línea principal del bus (que es el tronco), y a partir de está se conectan cajas de conexiones de las que salen ramas más cortas (a modo de árbol a partir de cada caja de conexión). A su vez las distintas cajas de conexiones se distribuyen como una topología de línea. La topología de trunk and spur se ha impuesto pues con la práctica ha sido la que ha demostrado ser más flexible a la hora de integrar nuevos dispositivos o segmentos a la red.

Figura Nº 9: topología de árbol, equivalente a las conexiones antiguas en paralelo

Figura Nº 10: topología de línea

Figura Nº 11: topología combinada de línea y árbol

Figura Nº 12: topología de trunk and spur (troncal)

2.3.4 Robustez del sistema

Para dar robustez al bus de campo frente a fallas se suele realizar el cableado con redundancia de modo que si falla una de las ramas redundantes, aun se pueda transmitir la información por el otro extremo. Uno de los esquemas es conectar cada red PA a 2 acopladores DP/PA, de modo que si un acoplador falla, la red aún siga funcionando con el otro acoplador, y así dar tiempo de arreglar el que está fallando. Otro de los esquemas es más bien a nivel de PROFIBUS DP, que consiste en utilizar 2 maestros en lugar de 1. Sólo uno a la vez funciona como maestro, y el otro tiene la misma configuración pero no trabaja de ese modo. Sólo cuando el que funciona de ese modo deja de funcionar, este entra en funcionamiento.

Figura Nº 13: Izquierda) redundancia de segmentos. Derecha) redundancia de segmentos con redundancia

de maestros.

Otro esquema de redundancia es el que se aprecia en la figura Nº 14, que consiste en no dejar abiertos los extremos del tronco del bus, si no que ambo extremos van conectados al acoplador DP/PA, de forma redundante, dando 2 vías posibles de llegada de la información al acoplador. Este tipo de redundancia se llama de anillo.

Figura Nº 14: redundancia de anillo

2.3.5 La capa de Aplicación

En la capa de aplicación de PROFIBUS PA se implementan los perfiles de aplicación. Éstos estandarizan las funciones principales de los dispositivos de automatización de procesos (perfiles de PA, automatización de procesos), de modo que sean compatibles con los protocolos de PROFIBUS. La caracterización está organizada por partes.

� Parte 1: define las funciones básicas del dispositivo (bloques funcionales), y sus parámetros. Además contiene otros datos como código de fabricante, unidades técnicas de medidas, etc.

� Parte 2: incluye detalles acerca de los protocolos a utilizar. Por ejemplo que dispositivos utilizando el mismo protocolo además utilicen los mismos formatos de los datos (Ej, 5 bytes, 4 del dato, 1 de estatus). O bytes en que se defina la lista de servicios de comunicación que soporta el dispositivo.

� Parte 3-8: data-sheets. � Resto de las partes: detallan aspecto de la funcionalidad de las clases

individuales de dispositivos de procesos (combinación de bloques).

Las funciones de cada dispositivo dentro del sistema de automatización, se organizan en bloques (bloques funcionales). La funcionalidad de un dispositivo queda completamente definido por la unión de sus bloques funcionales (y sus parámetros). Esto sirve para darle la inteligencia al sistema de control y saber como debe operar cada dispositivo. Este enfoque por bloques permite organizar sistemáticamente el proceso, para efectivamente lograr los objetivos que se deseen. Además permite tener claramente organizada la estructura temporal de las acciones de la red, lo que facilita la

configuración del sistema DP, con los slots adecuados y el resto de los parámetros del sistema de comunicación.

Figura Nº 15: bloques comunes de un dispositivo PA

A continuación en la figura Nº 16 se muestra un ejemplo con un diagrama de bloques de la funcionalidad de un bomba, la que finalmente, afecta el comportamiento de un proceso.

Figura Nº 16: diagrama de bloques funcional de una bomba

Estas funciones son estándares, y se encuentran incorporadas en los microcontroladores de los dispositivos de campo, así cuando les llega un frame con un alguna instrucción (que se encuentra incluida en el perfil PA), saben exactamente como llevarla a cabo. Hay que tener claro eso si que los cálculos de acciones de control u otros cálculos complejos, no son realizados en los dispositivos comunes, sino que en PLCs o estaciones de control. Aparte del perfil PA para la automatización de procesos, existen otros perfiles, que implementan sus funciones típicas en bloques funcionales de acuerdo con sus respectivos requerimientos.

2.3.6 Elementos de la red de campo

Los principales dispositivos de la red de campo son:

� Dispositivos de campo (Field devices): son los dispositivos que se encuentran conectados al bus y forman parte del sistema de automatización, tales como válvulas, sensores, transmisores, actuadores, etc.

� Terminales Hand-Held (de mano: son dispositivos que por lo general no se encuentran conectados a la red, pero eventualmente uno quisiera conectar, por ejemplo instrumentos de diagnóstico de la red, o maestros para configurar algún dispositivo de campo.

� Cables: se utilizan pares de cobre trenzados apantallados tipo A ó B. � Repetidores de señal: sirven para repetir la señal y así alcanzar distancias

mayores a las especificadas según el tipo de cable, o bien tener más dispositivos que 32.

� Acopladores DP-PA: sirven para adaptar la señal de PROFIBUS DP que está en RS485, que es asíncrona, a la señal síncrona de MBP en PROFIBUS PA.

Conocido el protocolo de capa física utilizado, se tiene una serie de características que deben cumplir los dispositivos en su interfaz con la zona PA, que se sumarizan en la tabla Nº 2.

Tabla Nº 2: características eléctricas de las interfaces PA de los dispositivos.

A continuación se presentan diagramas de bloques de los componentes de los dispositivos de la red de campo, y como deben ir conectados al bus.

Figura Nº 17: configuración principal de un dispositivo de campo o de mano con interfaz PA

Figura Nº 18: configuración principal de un repetidor de PROFIBUS PA. Debe ir conectado siempre en

segmentos intrínsecamente seguros (o en zonas seguras)

Figura Nº 19: configuración principal de un acoplador de segmentos DP-PA. Debe ir conectado siempre

en segmentos intrínsecamente seguros (o en zonas seguras)

2.3.7 Seguridad Intrínseca

Se refiere la instalación del sistema de control en zonas donde existe riesgo de explosiones (zonas Ex) (debido a chispas fundamentalmente, así la utilización de dispositivos de baja corriente y energía termal otorga seguridad al sistema. Así a estos se les llama intrínsecamente seguros (Ex i, o I.S.). El fundamento de esta seguridad es que al circular baja corriente, no haya la energía termal necesaria para generar combustión a partir de una chispa.

Figura Nº 20: dispositivos de baja corriente pueden ser alimentados por el mismo bus, y aún ser

intrínsecamente seguros

Por ejemplo, dispositivos con bajo consumo (medidores de temperatura o presión), pueden ser alimentados por 2-wire en el mismo bus (ver figura Nº 20). Dispositivos de mayor consumo (por ejemplo, transmisores) deben ser alimentados de forma externa (ver figura Nº 21).

Figura Nº 20: dispositivos de alto consumo no pueden ser alimentados por el mismo bus y aún garantizar

seguridad intrínseca, de modo que deben ser alimentados de forma externa En general entre las zonas seguras y las no seguras se recomienda utilizar barreras de campo (o field barrier) para aislar los riesgos de la zona peligrosa de la zona no peligrosa. El modelo FISCO (Fieldbus Intrinsecally Safe Concept) entrega una serie de reglas empíricas para implementar un sistema intrínsecamente seguro, en zonas con ambientes explosivos. IEC-60079-27/S5. A continuación se presentan 2 tablas que definen los parámetros que define el modelo FISCO para poder aplicarlo para garantizar la seguridad intrínseca de un sistema, en distintos tipos de zonas peligrosas Las zonas Ex ia son zonas con muchas más restricciones de seguridad, por tratarse en general de zonas más peligrosas que las zonas Ex ib (ver notas al pie en las 2 páginas siguientes). Así, de las tablas se aprecia que en laz zonas Ex ia se exige niveles de corriente y voltaje más pequeños que en las zonas Ex ib.

Tabla Nº 3: rango de parámetros válidos para ocupar el modelo FISCO, en zonas peligrosas de tipo EEx

ib1 IIC2 / IIB3 .

1 Las zonas EEx ib son zonas peligrosas donde la protección es mantenida hasta con una falla. Los aparatos I.S. pueden estar Zonas peligrosas de tipo 1 y 2. Las zonas peligrosas tipo 1 son aquellas en las que es probable que haya gases explosivos. Las zonas peligrosas tipo 2 son aquellas en las que es muy improbable (pero posible) que haya gases explosivos 2 Zonas con gases inflamables de acetileno e hidrógeno 3 Zonas con gases inflamables de etileno

Tabla Nº 4: rango de parámetros válidos para ocupar el modelo FISCO, en zonas peligrosas de tipo EEx

ia4 IIC.

2.3.8 Implementación de la red

A continuación se tratará una serie de aspectos relevantes en la implementación física del bus de campo.

2.3.8.1 Suministro de poder

Una fuente de poder se debe conectar al bus para la alimentación de los dispositivos. Para no afectar la comunicación, se debe cumplir una serie de condiciones, que se presentan en la tabla Nº 5.

4 Las zonas EEx ib son zonas peligrosas donde la protección es mantenida hasta con 2 fallas. Los aparatos I.S. pueden estar Zonas peligrosas de tipo 0, 1 y 2. Las zonas peligrosas tipo 0 son aquellas en las que casi siempre o durante periodos prolongados hay gases explosivos.

Tabla Nº 5: características eléctricas requeridas para las fuentes de poder.

2.3.8.1.1 Suministro de poder en zonas seguras

En zonas sin riesgo de explosiones, se deben cumplir las características técnicas eléctricas básicas de la tabla anterior. Se requiere además que su diagrama de bloques sea como el que se muestra a continuación.

Figura Nº 21: diagrama de bloques de una fuente de poder para el bus de campo

2.3.8.1.2 Suministro de poder en zonas con riesgo de explosión

En zonas peligrosas de categoría ib el circuito de corriente de salida de la fuente requiere resistencia interna pequeña de corriente directa, para poder garantizar seguridad intrínseca. Entonces se propone regulación de voltaje con control activo de

corriente. El diagrama de bloques requerido para este objetivo y la curva ideal de voltaje versus corriente se muestran a continuación.

Figura Nº 22: diagrama de bloques de una fuente de poder en zona riesgosa Ex ib para el bus de campo, para garantizar seguridad intrínseca.

Figura Nº 23:curva ideal de voltaje versus corriente de una fuente de poder para el bus de campo en zona riesgosa Ex ib, para garantizar seguridad intrínseca. Las zonas peligrosas de categoría ia en Europa son más utilizadas que la categoría ib (para garantizar de mejor forma la seguridad del sistema, al ser más estrictos), entonces se propone este modelo (diagrama de bloques y curva de corriente), que además intenta minimizar la resistencia interna.

Figura Nº 24: diagrama de bloques de una fuente de poder en zona riesgosa Ex ia para el bus de campo,

para garantizar seguridad intrínseca.

Figura Nº 25: curva ideal de voltaje versus corriente de una fuente de poder para el bus de campo en zona

riesgosa Ex ia, para garantizar seguridad intrínseca.

Además existen rangos típicos de voltaje de alimentación dependiendo el tipo de área peligrosa, y máximas distancias de líneas en función de lo anterior, como se aprecia en las tablas Nº 6 y 7.

Tabla Nº 6: suministro de poder estándar en función de la peligrosidad de la zona.

Tabla Nº 7: largos de línea máximos que pueden ser alcanzados

2.3.8.2 Aislaciones

Dispositivos con conexión al bus de campo deben operar sin conexión a tierra. Para dispositivos intrínsecamente seguros el valor efectivo del voltaje de aislamiento debe ser el doble del voltaje del circuito eléctrico intrínsecamente seguro (pero siempre mayor a 500 V).

2.3.8.3 Terminadores de línea

Terminadores de línea (T) son circuitos serie de una resistencia y capacitancia en ambos extremos de la línea del bus. Los valores típicos son:R=100 Ohm +-2% C=1 uF +-20%

Figura Nº 26: terminadores de linea

2.3.8.4 Impedancias del bus

Impedancias de línea del bus, acopladores, dispositivos etc, deben estar sobre un rango mínimo. (Interfaz de bus >=3 kOhm, bus de suministro de poder IS >=400 Ohm, bus de suministro de poder no IS>= 3 kOhm

2.3.8.5 Cables

Cables de tipo A, B, C y D pueden ser utilizados en el bus de campo PROFIBUS PA. En la siguiente tabla se muestran sus especificaciones técnicas, y la longitud máxima que pueden alcanzar segmentos de bus para cada tipo de cable utilizado.

Tabla Nº 8: especificaciones de cables que pueden ser utilizados en el bus de campo

2.3.8.5.1 Cables de ramas

Para los cables de las ramas se tiene una serie de especificaciones relevantes, acerca de distorsión, reflexiones y retardos (tabla Nº 9), largo máximo de las ramas en función del número de estas (tabla Nº 10), y el largo máximo de las ramas en función del largo total del segmento (tabla Nº11).

Tabla Nº 9: valores limites de distorsión, reflexión y retardo

Tabla Nº 10: largo recomendado de las ramas

Tabla Nº 11: largo máximo total de los splices (ramas cortas).

2.3.8.6 Puesta a tierra y apantallamiento

En la figura Nº 28 se muestra la combinación ideal de puesta a tierra y apantallamiento electromagnético, que es el caso en que se puede lograr que la tierra del área segura y la tierra del área potencialmente explosiva sean equipotenciales. Y en este caso las pantallas (que se reflejan como el borde de los drop cables) se conectan directamente a tierra.

Figura Nº 27: par trenzado apantallado

Figura Nº 28: combinación ideal de puesta a tierra y pantallamiento

El caso no ideal es que no se pueda lograr la equipotencialidad de las tierras en las áreas seguras y no seguras. En este caso la pantalla en el lado seguro se debe conectar a tierra mediante un condensador, y en el lado no seguro se conecta directamente a tierra.

Figura Nº 29: puesta a tierra y pantallamiento capacitivo, en condiciones no ideales

Ejemplos de Productos

2.4 Software para PROFIBUS

Para la configuración de dispositivos de campo, en la zona PA, PROFIVIEW es una de las herramientas más utilizadas. Para la configuración de redes de PROFIBUS DP, los software por lo general vienen en conjunto con los maestros que controlan la comunicación en la red.

2.5 Algunos ejemplos de Productos

La empresa ABB ofrece el field barrier (barrera de campo entre zonas con y sin riesgo de explosión), para PROFIBUS PA, modelo FB900. El producto se aprecia en la figura Nº 30. La empresa Mettler Toledo ofrece el transmisor de mediciones de oxígenos para PROFIBUS PA, modelo PA O24100. El producto se aprecia en la figura Nº 31.

Figura Nº 30: barrera de campo FB900, de ABB

Figura Nº 31: transmisor de mediciones de oxígeno PA O24100, de Mettler Toledo

3 Foundation Fieldbus

3.1 Antecedentes Generales

Es un bus de campo inteligente que permite y facilita el control industrial de procesos y de manufactura, su gestión, administración y supervisión. Existe una versión destinada específicamente para el control de procesos, H1. Ésta puede trabajar independientemente, sin necesitar de ninguna otra infraestructura superior para funcionar, como es el caso de PROFIBUS PA (versión para procesos) que requiere de PROFIBUS DP, que es la versión para la gestión de la planta. La versión para la gestión, administración y supervisión de procesos es HSE (High Speed Ethernet), y como lo dice el nombre, se encuentra basado en Ethernet, por tratarse de una tecnología bastante utilizada y muy conocida, y así es fácilmente integrable con sistemas que comúnmente poseen las empresas. HSE además, utiliza la misma inteligencia de comunicación que H1, por lo que también es fácilmente integrable con esta tecnología para el control de procesos, haciendo la gestión, administración, supervisión y control en prácticamente un mismo sistema.

3.2 Foundation H1

Foundation H1 es la solución para la red de campo de control de procesos, es equivalente a PROFIBUS PA, sólo que no requiere una infraestructura adicional. Utiliza un protocolo de transmisión que funciona a 31.25 kbps, con una codificación MBP (Manchester Bus Powered). Funciona con un esquema de comunicación paralela, es decir no hay maestros ni esclavos, ya que cada dispositivo puede comunicarse independientemente con cualquier otro dispositivo.

Figura Nº 32: Foundation H1 conectado los dispositivos de campo del control de procesos, y algunas de las topologías que admite. Admite topologías de punto-a-punto, bus con ramas, árbol, de línea(no en esta

figura), trunk and spur (no en esta figura), pero no Daisy-Chain.

El nivel de inteligencia del bus de control, al igual que PROFIBUS, está basado en bloques funcionales (AI, Analog Input: AO, Analog Output, PID). Éstos son programas estandarizados que vienen (o se pueden implementar) en los microcontroladores de los dispositivos de campo, de modo que el sistema de control no tiene que ser centralizado, y en base a estos bloques funcionales se hace la configuración del sistema de modo que sea de un funcionamiento adecuado. Foundation H1 admite una serie de topologías como punto-a-punto, bus con ramas, árbol, de línea(no en esta figura), trunk and spur (no en esta figura), pero no Daisy-Chain. A continuación se describirá en detalle el funcionamiento del sistema H1, en base a su protocolo de comunicaciones.

3.2.1 El protocolo H1

El protocolo de comunicaciones de H1 se organiza de acuerdo al modelo de comunicaciones OSI, como se aprecia en la figura Nº 33.

Figura Nº 33: modelo de comunicaciones de Foundation H1.

A continuación se describe cada una de las capas y sus protocolos en detalle:

3.2.1.1 Capa Física

Definida por la ISA y la IEC. Trabaja en un medio de pares de cables trenzadas con pantalla, con codificación por Manchester Biphase-L. La alimentación se envía por el mismo bus, de modo que trabaja con MBP (Manchester Bus Powered). Se envían 10 mA a 31.25 kbps sobre una carga de 50 Ohms, de modo de generar 1 Vpp sobre componente continua de alimentación (esos 10 mA son casi iguales a los 9 mA que se

envía en PROFIBUS PA). La alimentación continua es de entre 9-32 V, la cual puede ser cero perfectamente si ningún dispositivo la requiere. En H1 también es posible implementar sistema intrínsecamente seguros, con dispositivos que pueden ser o no ser alimentados por el bus. En los casos de dispositivos alimentados por el bus se deben instalar barreras entre la zona segura y la zona no segura para garantizar que se cumpla la seguridad intrínseca. Esta garantía se puede lograr mediante los modelos FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe Concept) y Entity (en este informe sólo se hace referencias a las indicaciones del modelo FISCO).

3.2.1.2 Pila de comunicaciones

El principio fundamental del funcionamiento de esta pila, es que cada dispositivo debe ser capaz de comunicarse con cualquier otro, de una manera robusta. Para esto es necesario tener alguna forma de controlar el bus de modo que no haya colisiones en las comunicaciones. Está basado en un sistema de tokens (testigos), que es controlado por un LAS (Link Active Scheduler). Cualquier dispositivo que tenga la capacidad para esto (Link master), puede tomar este rol en determinada circunstancia (por ejemplo que falle el titular), mientras que uno que no puede es un “Basic device”.

Figura Nº 34: esquema de comunicación síncrona programada. Flechas verdes indican operaciones

internas de los dispositivos sin acceso a bus. La flecha naranja indica operación con acceso a bus, y la flecha azul indica cuando el bus está desocupado. Los momentos en que comienza cada operación se

declaran como Offsets respecto del inicio del ciclo.

Un LAS controla comunicaciones en el bus con tokens que envía de forma rotativa a todos los dispositivos (comunicación síncrona, programada). De este modo, sólo un dispositivo que ha recibido su token puede enviar algún comando a través del bus. Un ciclo en el cual todos los dispositivos tienen su turno para utilizar el bus, se llama macriciclo. Un LAS también está capacitado para detectar dispositivos recién conectados (plug and play). La agenda de transmisiones debe ser creada al configurar el sistema (en el LAS). No existe problema en que cada dispositivo realice su propio procesamiento mientras el bus está ocupado, sólo importa que no intente acceder a él. En esta agenda debe estar claramente señalizado en que tiempos cada dispositivo realiza su procesamiento interno, tal como los tiempos en que acceden al bus. También existe comunicación asíncrona, para acciones tales como diagnóstico de la red de control o configuración de dispositivos de la red de control. Estas no necesitan estar programadas, simplemente basta que el bus este desocupado para que se puedan ejecutar esta acciones (solo mientras el bus está desocupado), bajo el debido arbitraje del LAS. El LAS se encarga también de distribuir periódicamente un paquete TD (Time distribution), para asegurar que todos los dispositivos tengan la misma hora, y así en una transmisión programada el instante en que se inicia y la duración de la misma están preestablecidos de forma precisa.

3.2.1.3 Capa de aplicación

3.2.1.3.1 Fieldbus Access Sublayer (FAS)

La FAS proporciona una interfaz entre FMS y la capa de enlace (DLL), ofreciendo servicios de control y manejo de “relaciones virtuales”. Las Virtual Communication Relationships (VCR) describen diferentes tipos de procesos de comunicación, y permiten que las operaciones asociadas sean procesadas más rápidamente.

Básicamente, lo que hacen es asignar un código de conexión corto a la ción completa de una conexión, simplificando el funcionamiento de las capas superiores y reduciendo la cantidad de información a transmitir por el bus, además de controlar el funcionamiento de dicha “relación virtual” y gestionar parte del comportamiento redundante de la red. La capa de acceso al bus (FAS) soporta tres tipos de VCRs:

� Publisher/Subscriber (Publicador/Suscriptor) Se utiliza para transmisiones de uno a muchos de datos que varían con el tiempo, de modo que cada dato transmitido sustituye el anterior. Pueden ser comunicaciones periódicas o no programadas. Generalmente los dispositivos de campo utilizan este tipo para transmitir (publicador) o recibir (suscriptor) los parámetros de entrada/salida de sus bloques funcionales.

� Client/Server (Cliente/Servidor) Se emplea para transmisiones encoladas, no programadas, de uno a uno. Encolados significa que se envían todos los datos en el orden en que fueron solicitando su emisión (en el tipo Publisher/Subscriber cada dato nuevo dejaba obsoleto al anterior, por lo que éste era eliminado). El modo cliente/servidor suele ser utilizado por el operador para tareas de configuración, asentimiento de alarmas, y transmisiones varias a los dispositivos.

� Report Distribution (Notificación de eventos) Se utiliza para transmisiones

encoladas, no programadas, de uno a muchos. Suele utilizarse para transmitir alarmas y notificaciones a las consolas de los operadores.

3.2.1.3.2 Fieldbus Message Specification (FMS)

Los servicios de la capa de especificación de mensajes (FMS) permiten a las aplicaciones de usuario y a los dispositivos enviar mensajes a través del bus de campo utilizando un conjunto de formatos de mensajes estándar. Los tipos de datos que pueden ser comunicados sobre el bus de campo se asignan a ciertos servicios de comunicaciones. Para una asignación uniforme, se emplean descripciones de objeto (object descriptions). Las descripciones de objeto contienen definiciones de todos los formatos de mensaje estándar, y también incluyen datos específicos de aplicación. Para cada tipo de objeto hay servicios de comunicaciones predefinidos. Las descripciones de objeto se recopilan en un diccionario de objetos (Object Dictionary, OD). Se identifica entonces la descripción de cada objeto por su índice dentro del diccionario:

� El índice 0 describe la estructura del propio diccionario. � Los índices entre 1 y 255 describen tipos de datos básicos (entero, cadena, punto

flotante, etc.). � Las descripciones de objetos de las aplicaciones del usuario pueden empezar en

cualquier índice a partir del 255. El FMS define los Virtual Field Devices (VFD), dispositivos de campo virtuales que permiten utilizar remotamente los datos locales de cualquier dispositivo descritos en el diccionario de objetos. Un dispositivo típico tendrá al menos dos VFDs :

� Network Management (Gestión de red) Permite configurar la pila de comunicaciones del dispositivo. Da acceso a la base de información de gestión de red (NMIB, Network Management Information Base), y también a la base de información de gestión del sistema (SMIB, System Management Information Base). La NMIB incluye las VCR del dispositivo, variables dinámicas, estadísticas, y la programación del LAS si el dispositivo es un Link Master. Los datos de la SMIB incluyen la etiqueta y la dirección del dispositivo, y las programaciones horarias de ejecución de sus bloques funcionales.

� User Application (Aplicación de usuario) Da acceso a todas las funciones del

dispositivo, como sus sensores, actuadores, etc. También permite configurar el funcionamiento del hardware, cargar información de calibración, etc.

3.2.1.4 Capa de usuario

La estrategia distribuida de control inteligente se logra gracias a la implementación del modelo de bloques en esta capa de usuario, el cual asegura la interoperabilidad de los dispositivos de campo. Este protocolo permite que las funciones definidas se puedan implementar en los propios microprocesadores de los dispositivos de campo, lo que es necesario ya que no hay maestros. Estas funciones por lo general son estándares, pero también se da la posibilidad de implementar bloques funcionales definidos por el usuario (FFB, flexible function block). La capa de usuario define la Function Block Application Process (FBAP) usando 3 tipos de bloques:

1. Bloques de recursos: nombre, fabricante, # serie, parámetros. 2. Bloques transductores: configuración de entrada salida. 3. Bloques funcionales: operaciones matemáticas, acciones de control,

accionamiento de actuadores, etc.

Figura Nº 35: modelo de bloques, en la capa de usuario

Los más importantes son los bloques funcionales, pues estos incorporan la inteligencia del sistema, así como la carga computacional de éste. Los bloques funcionales más comunes son los siguientes.

1. AI analog input 2. AO analog output 3. B bias 4. CS control selector 5. DI discrete input 6. DO discrete output

7. ML manual loader 8. PD proportional/derivative 9. PID proportional/integral/derivative 10. RA ratio 11. FFB flexible funcion block

Un ejemplo simple de implementación con bloques se muestra a continuación, en la figura Nº 36.

Figura Nº 36: ejemplo de implementación con bloques.

Se aprecia en este ejemplo que para medir el valor del sensor se realiza una operación de entrada análoga (AI, analog input, bloque funcional). Luego se realiza un operación de salida (out, bloque transductor), cuya información sirve como entrada (in, bloque transductor) a una válvula de control. Esta válvula de control tiene integrado un control PID (bloque funcional), que tiene 2 entradas, la información que viene del sensor, y otra que viene de la válvula de control. La salida (out) de este control PID sirve como entrada de un bloque de salida análoga, para actuar el valor obtenido por el control PID en la válvula.

3.2.2 Topologías de la red

H1 soporta una gran variedad de topologías de red, como lo es cualquier combinación de topologías de árbol, de línea, punto a punto o daisy chain. Al igual que en el caso de PROFIBUS DP, la más utilizada es la topología de Trunk y Spur (tronco y ramas, o simplemente troncal), pues es la que entrega la mayor flexibilidad en términos de agregar nuevos componentes al bus de campo. El tronco (trunk) corresponde a la fracción de bus más larga entre 2 dispositivos (ver figura Nº 38), y las ramas (spurs) son el resto de los cables conectados al tronco.

Figura Nº 37: posibles topologías de bus de campo. A estas hay que añadir la topología de línea.

Figura Nº 38: definición de tronco (trunk) y ramas (spurs)

3.2.3 Implementación del bus de campo

Para la implementación en planta del bus de campo se debe tener una serie de consideraciones que se mencionan a continuación.

� Terminadores: Como el bus es una línea de transmisión, en los extremos hay reflexiones. Para evitarlas, se debe usar terminadores. Éstos deben ser instalados a los extremos de los trunk (máximo tramo de cable entre 2 dispositivos). Lo anterior se refleja en la figura Nº 39.

Figura Nº 39: ubicación de los terminadores. Éstos deben ir en los extremos del tronco.

Además estos deben ser como se indica en la figura Nº 24.

Figura Nº 40: diagrama de un terminador

� Límite de dispositivos: en cada segmento del bus puede haber tan sólo hasta 32

dispositivos, para evitar interferencias debido al rango de frecuencias en el que se trabaja.

� Cableado: dependiendo del tipo de cables utilizado (tipo A: par trenzado apantallado, tipo B: múltiples pares trenzados con una pantalla, tipo C: múltiples pares sin pantalla, tipo D: multiconductor, sin pares) se conoce su impedancia, resistividad, y entonces se obtiene la atenuación resultante para la frecuencia en que se trabaja. Con lo anterior, se define entonces un límite máximo de distancia del bus en cada segmento5 para cada tipo de cable en la siguiente tabla.

5 Por segmento se refiere a cualquier tramo del bus sin repetidores. Este puede considerar tanto el tronco como ramas.

Tabla Nº 11: tipos de cable, su impedancia, resistividad, atenuación y máximo largo de segmento.

Además, dependiendo del número de dispositivos en el segmento, y del número de dispositivos en la rama (spur) en cuestión, se entrega una tabla con las distancias máximas recomendadas para el largo de las rama.

Tabla Nº 12: largos recomendados de rama

� Repetidores: en el caso que se requieran distancias de segmentos mayores a

las definidas en el punto anterior, o un mayor número de dispositivos que el máximo de 32, se pueden utilizar repetidores. De hacer esto se debe tratar como un segmento de campo completamente nuevo, de modo que se debe añadir también alimentación y terminadores nuevamente.

Figura Nº 41: añadiendo repetidores a la red

� Pantallamiento: es recomendable, mas no obligatorio, utilizar cables con pantalla electromagnética (como se ve en la tabla Nº 11, al utilizar cables con pantallas pueden cubrir mayores distancias).

Figura Nº 42: par trenzado con pantalla.

Figura Nº 43: uso de cables pantallados

Cuando se usan cables con pantalla, se debe conectar la pantalla de cada rama (spur) a la pantalla del tronco (trunk), y además conectar la pantalla global a tierra en un solo punto. � Alimentación: la fuente de poder se conecta al bus como cualquier otro

dispositivo, pero no cuenta dentro del límite máximo de 32 dispositivos. La fuente debe cumplir las especificaciones de Fieldbus (tal como las dadas para PROFIBUS) para evitar cortocircuitos y dar seguridad en zonas con seguridad intrínseca requerida.

Cada dispositivo requiere por lo menos 9 V para funcionar. Para estimar el voltaje en cada dispositivo basta realizar un análisis DC, y para esto se debe conocer las dimensiones de cada cable del bus, consumo de cada dispositivo, resistencia de cada sección del cable y el voltaje de entrada. Así, se pueden

obtener los resultados de voltaje DC en cada dispositivo, como se muestra en la figura Nº 29.

Figura Nº 44: añadiendo una fuente de poder a la red

Figura Nº 45: estimación de los voltajes DC en cada dispositivo, verificando que a cada uno le

lleguen al menos 9 V. � Conexiones de dispositivos de campo: para implementar los spurs (ramas) se

utilizan cajas de conexiones (junction boxes), donde entran los 2 cables del bus, y salen las ramas y los dispositivos que conecta, tal como se aprecia en la figura Nº 46.

Figura Nº 46: caja de conexiones montada en campo

� Seguridad intrínseca: De acuerdo al modelo FISCO (cuyo fin ya ha sido explicado anteriormente en la sección de PROFIBUS), las condiciones en la próxima tabla se deben respetar para garantizar seguridad intrínseca. Estas condiciones están basadas en el tipo de gas que haya en el área peligrosa, y fundamentalmente limita los niveles de corriente y potencia circulando por el bus, además de la longitud máxima de éste . Además se deben cumplir las mismas condiciones para el suministro de poder que ya fueron mencionadas para Profibus.

Tabla Nº 13: requerimientos de acuerdo al modelo FISCO para garantizar seguridad intrínseca,

según el tipo de gas presente en la zona peligrosa.

3.2.4 Ejemplo de implementación

En la figura Nº 47 se presenta un ejemplo de la configuración de una red H1 de 2 segmentos montada para el control de un planta de tratamiento de desechos. Se presenta el diagrama P&ID, y encima las conexiones de los 2 cables de cada segmento de H1.

Figura Nº 47: ejemplo de bus de campo para una planta de tratamiento de desechos.

3.3 Foundation HSE

3.3.1 Antecedentes Generales

Foundation HSE (High Speed Ethernet) es la infraestructura de Foundation para la supervisión, administración y gestión de procesos y manufactura industriales. Es el equivalente a PROFIBUS DP, en la familia de Foundation. A diferencia de PROFIBUS DP, no es necesario para implementar control de procesos, donde la versión directa en contacto con los elementos de campo es PROFIBUS PA, por lo que no se encuentra en toda infraestructura de buses de campo, como sucede con PROFIBUS y su versión DP. Este protocolo se encuentra basado en Ethernet, y el stack de protocolos TCP/IP, por tratarse de tecnologías de amplio esparcimiento en el mundo actual, y así permitir gran capacidad de integración con este protocolo. Esto además permite el acceso al sistema desde cualquier lugar del mundo a través de Internet. Utiliza los mismos protocolos de capa de enlace que H1, de modo que es directa la integración entre estos 2 protocolos, requiriendo tan solo un puente, que realice la transducción de capa física. Utiliza además un ancho de banda mucho mayor al de H1, entre 100 Mbps y 1 Gbps, lo que permite realizar la gestión y administración de grandes industrias, con muchos segmentos H1 y otros de manufactura. Un esquema de la interconexión de H1 y HSE se muestra en la figura Nº 48. Se aprecia que pueden haber muchos usuarios, tal como en una red de área local (Ethernet), pero para ir a H1 deben confluir todas en un solo cable, que pasa por un puente (bridge) o transductor, para pasar del protocolo de capa física de Ethernet (definida en la IEEE 802.3 u 802.3u) al protocolo de capa física que corresponde a H1 (MBP). Luego, como los protocolos de capa de enlace son los mismos, la integración está lista.

Figura Nº 48: conexión HSE con H1

A continuación se detalla HSE a nivel de protocolos.

3.3.2 El protocolo HSE

Las capas física 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 sesión y transporte no se utilizan, y en la capa de aplicación aparece un gran número de protocolos: SNMP, DHCP, BOOTP, SNTP, así como ciertas especificaciones propias de HSE: FDA, FMS o SM. Puede observarse que efectivamente basaron el trabajo en los estándares previos internacionales (tal como se declara en los objetivos de la fundación), ya que la mayor parte del sistema está descrito por protocolos bien conocidos.

Figura Nº 49: estructura de capas de HSE De forma equivalente a H1, por encima de la capa de aplicación se define una capa de usuario, donde se especifica la estructura y funcionamiento de los bloques funcionales, el modo de interconexión, etc.

3.3.2.1 Especificaciones de HSE

3.3.2.1.1 Presencia Ethernet

Se denomina Presencia Ethernet (Ethernet Presence) al módulo que ofrece los servicios de inicialización de las pilas Ethernet, comunicación de propósito general a través de los medios Ethernet, sincronización, y la gestión referente a Ethernet . Las especificaciones de HSE intentan abarcar todos los medios físicos y modos de señalización descritos en IEEE 802.3 y 802.3u. La gestión de la Presencia HSE utiliza una versión aumentada de SNMP para soportar los parámetros de la pila Ethernet únicos en FF. El juego de protocolos a incluir en la implementación de una Presencia Ethernet se resumen en la siguiente tabla.

Tabla Nº14: juego de protocolos en la implementación de una presencia Ethernet

3.3.2.1.2 FDA Agent - Agente FDA

Se define también el Agente FDA (Field Device Access, acceso al dispositivo de campo), con los siguientes objetivos:

� Transportar servicios de gestión (SM, System Management) a través de UDP, y servicios FMS (Fieldbus Message Specification) a través de TCP/UDP. Ésto permite conectar dispositivos de campo HSE y H1, dispositivos convencionales de I/O, y dispositivos de entrada-salida “no-FF” a una red HSE a través de un Linking Deviceo un Gateway Device.

� Republicar datos H1 de Linking Devices que no permitan realizar puentes H1-HSE. Ésto permite construir los dispositivos de enlace a partir de múltiples interfaces H1 en vez de usar un puente H1.

� Enviar y recibir mensajes de redundancia de red para soportar la redundancia

de las interfaces de los dispositivos HSE. El agente FDA permite que los sistemas de control operen sobre HSE y/o a través de Linking Devices, y permite que aplicaciones remotas accedan a los dispositivos de campo de cualquier tipo a través de TCP/UDP utilizando una única interfaz.

3.3.2.1.3 HSE System Management (SM) - Gestión del Sistema HSE

La gestión del sistema es la actividad que integra los dispositivos de una red HSE en un sistema de comunicaciones coherente. Se soportan las siguientes funciones:

� Cada dispositivo tiene una identidad única y permanente, así como un nombre configurado para un sistema concreto.

� Los dispositivos mantienen información de control de versiones. � Los dispositivos responden a peticiones para localizar objetos, incluyendo al

dispositivo mismo. � La hora se distribuye a todos los dispositivos de la red. � Se utilizan las programaciones horarias de bloques funcionales para asegurar que

cada bloque se inicia en su momento. � Puede añadirse o retirarse un dispositivo a la red sin afectar a otros dispositivos.

3.3.2.1.4 HSE Network Management (NM) - Gestión de la Red HSE

La gestión de red permite a los hosts HSE transmitir las operaciones de gestión a través de la red HSE. Se ofrecen las siguientes capacidades:

� Configurar el puente H1, que permite reenviar y republicar información entre interfaces H1.

� Cargar conexiones estáticas entre dos o más dispositivos HSE individualmente o desde una lista.

� Cargar VCRs individualmente o desde una lista. Las VCR en HSE son las relaciones de comunicaciones que permiten acceder a un dispositivo de campo a través de HSE, pasando si es necesario por una subred H1.

� Monitorear el rendimiento a través de la recolección de estadísticas para las conexiones estáticas, VCRs, y puentes H1.

� Monitorear la detección de fallos.