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Fieldbuses para el Control de

Procesos

Ricardo Mediavilla, Ph.D.

Catedrático

UPR-Bayamónoctubre 2004

259

Temas

Parte I:

• Redes de comunicación digital

• Aplicaciones de redes en automatización

• Redes de control

Parte II:

• Redes industriales

260

Parte I: Redes de Comunicación

Digital

• En comunicación análoga, cada variable

necesita un cable para su comunicación

en cada dirección.

• En comunicación digital, muchas variables

pueden comunicarse vía un solo cable de

red.

261

Redes de Comunicación Digital

262


• Las redes permitieron el control distribuido.

• Gracias a las redes fue posible sacar loscontroladores del cuarto de control.

• Las redes permitieron que información dediagnóstico, configuración, identificación y demantenimiento pudiera ser añadida acontroladores y a los instrumentos comotransmisores y posicionadores de válvulas.

263


Las redes digitales permiten

que múltiples dispositivos

puedan ser conectados al

mismo par de alambres

para formar lo que se

conoce como un multidrop

network en donde un canal

de comunicación es

compartido.

264


Configuraciones

• Master / Slave

• Client / Server

• Publisher / Subscribers

• Source / Sink

265


Master/Slave

Un host es un master

que envía una solicitud

para leer o escribir un

valor en algún slave

(dispositivo o

instrumento). El slave

entonces responde a la

solicitud.

266


Master/Slave

• En forma secuencial el master controller

interroga cada nodo, y cada nodo a su vez

responde, independiente de si hay cambio

o no en la información.

267


Client/Server

El dispositivo actuando

como client solicita

información, y el

dispositivo actuando

como server responde.

268


Publisher/Subscribers

Un dispositivo,

actuando como el

publisher, le da

broadcasting a algún

valor que es utilizado

por varios dispositivos,

quienes actúan como

los subscribers.

269


Source/Sink

Un dispositivo,

actuando como source,

transmite un mensaje a

un dispositivo actuando

como sink, sin que éste

último lo solicitara.

270


• La transmisión digital es mucho más

robusta y menos susceptible a errores en

presencia de ruido que la transmisión

análoga.

• Los errores en la transmisión digital, si es

que llegan a ocurrir, son fáciles de

detectar. En la transmisión análoga no es

posible detectar los errores.

271

Aplicaciones de Redes en

Automatización

Aplicación

• Factory Automation

• Process Automation

Ejemplos

líneas de producción en

manufactura

farmacéuticas, refinerías

272

Redes de Control

Factory Automation

• Lógica discreta y sensores para detectar

presencia o ausencia de objetos

• Data frames con poco overhead y pocos

paquetes de data

• Simple discrete I/O

• Sensor buses or bit level buses

• Ejemplo: AS-I

273

Redes de Control

Factory Automation

Otros protocolos más avanzados (device

buses or byte-level buses) pero también

orientados a lógica discreta:

DeviceNet

ControlNet

PROFIBUS (DP y FMS)

274

Redes de Control

Process Automation

• Las medidas y las variables son análogas.

• Protocolos de tipo fieldbus:

FOUNDATION Fieldbus

PROFIBUS (PA)

HART

275

Trasfondo de las Redes de Control de

Procesos

Hay dos niveles en la

jerarquía de control:

• Field:

transmitters

valve positioners

• Host:

workstations

linking devices

controllers

276

Parte II: Redes Industriales

• Enterprise Networks

Focused on IT applications

• Control Networks

Connect controllers and I/O systems

• Device Networks

Focused on process instrumentation

• Sensor Networks

Support discrete I/O

277

Redes Industriales

• Enterprise Networks (host level)

Ethernet, Token Ring

• Control Networks (field level)

FOUNDATION Fieldbus, PROFIBUS (PA), HART

• Device Networks (byte-level buses)

DeviceNet, ControlNet, PROFIBUS (DP y

FMS)

• Sensor Networks (bit-level buses)

AS-I

278

Características de las Redes de

Control (Field Level)

• Pueden constar de un número grande de

instrumentos.

• Las corridas de cables son largas.

• Los dispositivos extraen la potencia que

necesitan para operar del mismo cable de

red que los alimenta.

• El bus incluye barreras de seguridad.

279



• La velocidad de transmisión es moderada

de forma que se pueda utilizar cable

convencional para instrumentos.

• Los dispositivos conectados al bus no

requieren de CPU’s de alta velocidad,

reduciendo así el consumo de potencia.

• Las redes fieldbus han sido diseñadas

para que puedan operar en ambientes de

mucho ruido.

280



• Como el consumo de

potencia es bajo, es

posible el multidrop

de dispositivos.

281

¿Qué es Fieldbus?

Fieldbus es un sistema de comunicación

digital, serial, con capacidad de

transmisión en ambas direcciones que

interconecta sensores, actuadores y

controladores formando un LAN (local

area network).

Fieldbus nos permite implementar control

distribuido de procesos.

282

Fieldbus

• Una computadora o un controlador con un

interfase controlan el bus.

• Módulos remotos se conectan vía el bus al

controlador central.

bus

PLC

bus

interface

remote

interface

modules

283

FieldbusInput Devices

• Standard switches and

sensors wire to remote

input interface modules

• Includes, limit, push

button, reed, level,

pressure, proximity,

temperature, also

encoders and analogue

devices

• Bus specific sensors wire

direct to the bus

284

FieldbusOutput Devices

• Standard output devices

wire to remote output

interface modules

• Includes solenoid valves,

relays, contactors,

motors, lamps, message

displays, alarms, servo

actuators

• Bus specific devices wire

direct to the bus

285

FieldbusBus

• El bus es la línea de transmisión que transporta

la información.

• La comunicación serial tan sólo requiere de un

par de alambres, los cuales también suplen la

potencia.

bus

PLC

286

Fieldbus

Topología Estrella

287

Fieldbus

Topología Lineal

bus

288

Fieldbus

Topología Lineal con Conecciones T

bus

289

Fieldbus

Topología de Anillo

bus

290

Fieldbus

Topología de Arbol

bus

291

FieldbusNodos e I/O

• Cada módulo en el bus

tiene un address único y

actúa como un nodo.

• Un nodo puede consistir

de: remote input module,

remote output module,

bus single component,

bus group of

components.

• Los nodos pueden ocurrir

en cualquier combinación

de posición o secuencia.

PLC

292

FieldbusGateways

• Es posible unir dos o más

tipos de Fieldbuses en

una red.

• Un gateway hace la

conversión entre

protocolos.

• Un gateway/controller

controla el sistema local

reportando a un Fieldbus

de más alto nivel.

PROFI BUS DP

AS-I

Gateway/

Controller

Gateway/

Controller

AS-I

PLC

293

¿Qué ganamos con Fieldbus?

• Reducir las tiradas de cables.

• Simplificar la ruta del cableado.

• Reducir costos de cableado.

• Diagnósticos y monitoreo centralizado.

• Reducir la cantidad de controladores (no

requiere I/O).

• Aumentar la productividad.

• Aumentar la flexibilidad.

294

¿Qué pasaría si no usáramos

comunicación serial?

• Cada dispositivo de I/O necesitaría un cable para

conectarse al PLC.

• El PLC necesitaría múltiples módulos de I/O.

• En aplicaciones con muchos dispositivos de I/O

terminaríamos con cientos de alambres cuya instalación

es costosa.

p

l

c

PLC

295

¿Qué sucede cuando utilizamos

comunicación serial?

• Se reduce el alambraje.

• El PLC no necesita módulos de I/O.

bus

PLC

296

¿Dónde conviene utilizar Fieldbus?

• Máquinas con dispositivos de I/O

distribuidos.

• Control de procesos.

• Plantas de ensamblaje.

• Plantas de manufactura que consistan de

muchas máquinas.

• Sistemas de monitoreo y recolección de

data.

297

Control Networks: Foundation fieldbus

• Es un sistema de

comunicación,

totalmente digital,

serial, en dos

direcciones, que sirve

como red base en un

ambiente de

automatización de

planta o fábrica.

298


Hay dos implementaciones de Foundation

fieldbus:

• H1 - trabaja a 31.25 Kbit/seg e interconecta los

field devices. Provee comunicación y potencia

sobre alambres twisted pair.

• HSE - (High-speed Ethernet) trabaja a 100

Mbit/seg e interconecta subsistemas de I/O,

hosts, gateways y field devices utilizando

cableado de Ethernet.

299


Ventajas:

• Multidrop wiring

• Instrumentos de múltiples variables.

• Comunicación en ambas direcciones.

• Información adicional sobre el desempeño

de los dispositivos.

• Opción para implementar el algoritmo de

control en los dispositivos.

300


Fieldbus provee

interfase a High

Speed Ethernet

(HSE), integrando

así la red de

monitoreo y control

con la red comercial

típica basada en

Ethernet.

301


El modelo de

comunicación se

basa en 3 layers:

• user layer

• data link layer

• physical layer

302


Physical Layer:

• Provee interfase eléctrico.

• Traduce mensajes a señales eléctricas a

31.25 kbaud/seg en el alambre, y

viceversa.

• Permite el uso de los alambres

típicamente utilizados para dispositivos e

instrumentos análogos.

• Provee la opción de intrinsic safety.

303


El physical layer

recibe los mensajes

del communications

stack y convierte las

señales para que

éstas puedan

transmitirse a través

del medio.

304


Data Link Layer:

• Empaca y desempaca la data en frames.

• Controla el itinerario de comunicación y la

ejecución de funciones-bloques.

305


Cada frame incluye

un preamble, un

start-delimiter, la

data, y un end-

delimiter.

306


User Layer:

• Se encuentra en el tope del

communications stack, lo que le permite

interaccionar con otros layers y con otras

aplicaciones.

• Incluye resource blocks, transducer

blocks, y function blocks que describen y

ejecutan diagnósticos y control.

307


Scheduled Communications

• Todos los dispositivos y function blocks

ejecutan y/o comunican información de

control en un ciclo repetitivo.

• El timing para este ciclo lo provee un Link

Active Scheduler, esto es, una función en

el host o en uno de los dispositivos del

segmento.

308


• Los scheduled

communications utilizan

el método de

publisher/subscriber. Esto

es, la data es enviada o

publicada en el bus una

sola vez, y todos los

dispositivos que la

necesitan la escuchan o

se subscriben a dicha

transmisión.

309


Unscheduled Communications• Cierta cantidad de tiempo en el ciclo de comunicación es

reservada para las comunicaciones acíclicas no en

itinerario como mensajes de configuración, alarmas y

eventos, información para el operador, diagnósticos y

condiciones de funcionamiento.

• Un mecanismo de token le da a cada dispositivo la

oportunidad de transmitir estos mensajes hasta que

termine o se le acabe el tiempo asignado para este tipo

de transmisión.

310


Link Active Scheduler

• La función Link Active Scheduler (LAS)

mantiene el itinerario para comunicación

entre dispositivos en el segmento.

• El LAS reside en un dispositivo o host en

el segmento. Si el LAS falla, un backup

LAS en otro dispositivo o host entra en

funcionamiento.

311

Scheduled Data Transfer

• El LAS tiene una tabla que le indica cuando le toca a

cada dispositivo transmitir.

• Cuando el Publisher recibe el Compel Data (CD),

transmite la data a todos los Subscribers.

312

Unscheduled Data Transfer

Cuando el LAS

emite un pass token

(PT) el device que lo

recibe puede enviar

mensajes hasta que

termine o hasta que

expire el token hold

time, lo que ocurra

primero.

313

Tareas del Link Active Scheduler

314


Utiliza bloques

funcionales para

implementar los

sistemas de control

reduciendo así la

cantidad de I/O,

equipos de control,

power supplies, etc.

315


Los bloques son

unidades

procesadoras.

Pueden tener inputs,

parámetros para

ajustar, y un algoritmo

que genera outputs.

316


• Es posible tener

varios function blocks

ejecutándose

simultáneamente en

el mismo segmento,

siempre y cuando los

function blocks se

encuentren en

distintos dispositivos

y no comienzen

simultáneamente.

317


Fieldbus Blocks

• Son módulos pequeños y sellados que

realizan una función.

• Cada módulo tiene un conjunto definido

de inputs y de outputs.

318


Tipos de Fieldbus blocks: Resource

• Describe el dispositivo. Contiene

información como cuál es el fabricante, el

tipo de dispositivo, y el número de serie.

• Provee información sobre el status del

dispositivo, permitiéndole a usuario

detectar problemas antes de que éstos

ocurran.

319


Tipos de Fieldbus blocks: Transducer

• Es el enlace o convertidor entre el mundo

físico de sensores y actuadores, y la data

utilizada para control.

• Contiene información de calibración, tipo

de sensor, condición y status de

actuadores y sensores.

320


Tipos de Fieldbus blocks: Function

• Incluye algoritmos de control como PID.

• Incluye I/O blocks, análogos y discretos.

• Es posible implementar en su totalidad el

algoritmo de control en el dispositivo, sin

requerir del host.

322

Funciones para Control Básico

323


Diagnósticos

• Foundation fieldbus provee el marco para

implementar un grupo de diagnósticos

tanto para los dispositivos como para los

procesos.

• Los diagnósticos son específicos de los

dispositivos y de los suplidores.

• Los diagnósticos también pueden

utilizarse para optimizar el proceso.

324


Confiabilidad

• La confiabilidad de un sistema está

determinada por la confiabilidad de sus

componentes.

• A menor número de componentes, más

confiable es el sistema.

• Al implementar el algoritmo de control en

el field, se reducen los puntos potenciales

de fallas, aumentando así la confiabilidad.

325


Intrinsic Safety

• Dispositivos y barreras para áreas

intrínsicamente seguras son diseñados de

forma que en caso de falla eléctrica no se

produzca una ignición, aún en el caso de

una doble falla.

• El punto de ignición es función de la

potencia, la cual a su vez es determinada

por el voltaje y la corriente.

326


Intrinsic Safety: Entity Model

• Asume que los parámetros eléctricos que

representan las características del

alambre están todos concentrados en el

punto en donde ocurre la falla. El alambre

es considerado la fuente de energía

almacenada. La máxima corriente

permitida es de 83 mA DC, y el voltaje

máximo es de 18.4 V.

327


Fieldbus Intrinsically Safe Concept

(FISCO)

• Asume parámetros eléctricos distribuidos

para el alambre. En la falla, la corriente

máxima permitida es de 110 mA.

• FISCO permite un mayor número de

dispositivos en áreas peligrosas que el

Entity model.

328


329


330


331

Referencias sobre Foundation fieldbus

• www.smar.com

• www.yokogawa.com

• www.emersonprocess.com

• www.fieldbus.org

• www.relcom.org

• www.ni.com

• www.norgren.com

332

Control Networks: Profibus

• Profibus es un protocolo que provee

soluciones de propósito general en

manufactura para tareas de comunicación

tipo master-slave con aplicaciones en

automatización, seguridad y control de

movimiento.

333


• Profibus fue creado por un consorcio de 4

compañías y 7 universidades.

• Profibus FMS (Fieldbus Message

Specification) fue completado en el 1989.

• En el 1993 se completó la especificación

de Profibus DP, versión más rápida y fácil

de configurar.

334


• Profibus DP ha sido diseñado para el

intercambio de data a alta velocidad.

• Utilizando Profibus DP controladores

programables como PLC’s, PC’s o

sistemas de control de procesos se

comunican con dispositivos de campo

distribuidos como I/O, válvulas, o

transducers vía una conección serial de

alta velocidad.

335


336


• Profibus está disponible en tres versiones:

DP-V0, DP-V1 y DP-V2.

• Las funciones más sencillas se realizan

por DP-V0.

• Las funciones más complejas se realizan

por DP-V2.

337


338


Hay tres distintos tipos de dispositivos en un

sistema Profibus DP:

• DP master class 1

• DP master class 2

• esclavos

339


• Class 1 master devices son PLC’s o PC’s actuando

como controlador central que en forma cíclica

intercambian información con los esclavos.

• Class 2 master devices son estaciones de operación,

configuración o ingeniería.

340


• Profibus DP-V1 contiene mejoras para

facilitar la automatización de procesos.

• Permite la transmisión de data acíclica

para la asignación de parámetros,

operación, e interrupts, en conjunto con la

transmisión cíclica.

• La transmisión de data acíclica se realiza

en paralelo con la data cíclica, pero a una

menor prioridad.

341


• El class 1 master

tiene el token y

ejecuta el intercambio

cíclico de data con

cada esclavo, y luego

le pasa el token al

class 2 master.

• El class 2 master

establece conección

acíclica con cualquier

esclavo.

342


• Profibus PA utiliza el protocolo Profibus

DP-V1 para la automatización de

procesos.

• Utilizando codificación Manchester se

transmite a 31.25 Kbit/sec

343

Control Networks: HART

• HART (Highway Addresable Remote

Transducer) provee comunicación digital a

instrumentos inteligentes para el control

de procesos análogos.

• Provee comunicación digital en ambas

direcciones, simultáneamente con las

señales análogas 4-20 mA.

344


345

Conventional

Process

Loop

Process

loop with

HART

added

346


Señalización para sistema HART

347

Device Networks: DeviceNet

• DeviceNet es un sistema de comunicación

de bajo costo utilizado para interconectar

dispositivos industriales como limit

switches, sensores fotoeléctricos,

sensores, bar code readers, e interfases a

una red eliminando alambraje costoso.

348


• DeviceNet

communication protocol

and Application layer

(layer 7)

• CAN and its use in

DeviceNet (layer 2)

• DeviceNet physical

layer and media

(layer 1)

349


350


• DeviceNet utiliza el protocolo CAN

(Controller Area Network).

• CAN chips son utilizados por la industria

automotriz y por toda una gama de

productos comerciales, abaratando así el

costo.

351

Device Networks: ControlNet

• ControlNet es una red de control para el

transporte a alta velocidad (5 Mbits/sec)

de información crítica en tiempo, así como

mensajes, programación, configuración, y

mensajes de estación a estación.

• Permite que múltiples controladores

controlen I/O en el mismo alambre.

352


Ventajas de ControlNet:

• Alto ancho de banda

• Múltiples controladores en el mismo link

• La data puede ser multicast o peer-to-

peer.

• Instalación sencilla que no requiere de

herramientas especiales.

• Acceso a la red desde cualquier nodo.

353


• El acceso a la red es

controlado por el

algoritmo Concurrent

Time Domain Multiple

Access (CTDMA).

• El usuario selecciona

el network update

time (NUT).

354


• La información crítica en

tiempo es enviada

durante la porción

asignada del network

interval.

• La información que no es

crítica en tiempo, como la

de configuración, es

transmitida durante las

porciones no asignadas

del network interval.

355


• ControlNet es utilizado en aplicaciones de

automatización y control.

• ControlNet es ideal para sistemas de

múltiples controladores (PC’s, PLC’s).

356


• ControlNet permite

que múltiples

controladores en un

mismo enlace

compartan inputs

mientras controlan

sus outputs.

• Los controladores

también pueden

comunicarse entre si.

357


• ControlNet utiliza el modelo de

comunicación Producer/Consumer.

• Bajo este modelo, múltiples nodos pueden

utilizar la misma data del mismo producer,

resultando en una mejor utilización del

ancho de banda.

358

Device Networks: Ethernet / IP

• Ethernet / Industrial Protocol es unsistema de comunicación que con granconfiabilidad puede utilizarse enambientes industriales y en aplicacionesen donde los instantes de tiempo soncríticos.

359


• Utiliza Ethernet y TCP/IP, y al nivel deapplication layer utiliza el Control andInformation Protocol (CIP).

• El Control and Information Protocol (CIP)

también es utilizado por ControlNet y por

DeviceNet.

360


Ethernet / IP es el único standard que

actualmente es apoyado por tres distintas

organizaciones de redes:

• ControlNet International (CI)

• Industrial Ethernet Association (IEA)

• Open DeviceNet Vendor Association

(ODVA)

361

CIP Networks share a common

Application and User Layer

SEMI

Devices

Pneu

Valve

AC

Drives

Position

Cntrllrs

Other

Profiles

Application Object Library

Application Layer

Explicit, I/O, Routing

DeviceNet

DLL &

Transport

ControlNet

DLL &

Transport

Future ?

encapsulation

UPD TCP

IP

DeviceNet

Physical

Layer

ControlNet

Physical

Layer

Ethernet

Physical

Layer

Future ?

ATM, Firewire

USB, Blue Tooth, etc

Application

Layer

User

Layer

Transport

and Data Link

Layer

Physical

Layer

362


Ventajas de Ethernet / IP

• Permite la utilización del actual cableado

de redes Ethernet.

• Utiliza chip sets Ethernet estandardizados.

• Utiliza los protocolos estandardizados

TCP, UDP, IP.

• Permite el uso de aplicaciones como FTP,

HTTP, SNMP que son compatibles con

Ethernet.

363


• El intercambio de data crítica en tiempo

está basado en el modelo

productor/consumidor en el que el

dispositivo que transmite genera data y

múltiples receptores reciben

simultáneamente la información. Esto se

logra gracias al servicio de multicast del

Internet Protocol.

364


El tráfico crítico en tiempo consiste principalmente

de paquetes unicast y multicast de los protocolos

UDP/IP.

Ejemplos:

• I/O data generada por dispositivos remotos deI/O a ser utilizada por controladoresprogramables.

• Data generada por un programadorprogramable y destinada a otro(s)programador(es) programable(s).

365


• Ethernet / IP genera en forma continuamuchos cortos paquetes de IP multicast.

• Mediante la implementación de VLAN’s(virtual local area networks) el tráficocontinuo de paquetes IP multicast nodegrada en forma significativa el servicio.

• Aquellos dispositivos que dependan dedata crítica en tiempo deberán estarconectados en un mismo VLAN.

366

Routing Diagram

Ethernet

(PC)

Programming

SW

ENET

(PC)

Data

Collection

DeviceNet

I/O

D

N

E

T

P

L

C

I/O I/O

Router

I/O

ENet to DNet

DNet to ENet

I/O

DNet to DNet

ENet to ENet

DNET

DNET

DNET

ENET

DNETI/O

DeviceNet

DeviceNet

DNet to ENet to DNet

Router

Router

367

TCP/IP Protocol Suite

Any IP based network (i.e., Ethernet)Network Access

Layer

ARP IP RARP

ICMP

OSPF

TCP UDP

FTP HTTP

BOOTP

DHCPDNS

“The

Application

Layer ”

SNMP

Internet

Layer

Host - to - Host

Layer

Process

Layer

IGMP

IGRP

“”The DeviceNet Application Protocol

368

DeviceNet vs. Ethernet / IP

DeviceNet Ethernet / IP

369

ControlNet vs. Ethernet / IP

ControlNet Ethernet / IP

370

Sensor Networks: AS-I

• AS-I (Actuator Sensor Interface) es la red para el más sencillo de los fieldbuses.

• AS-I ha sido diseñado para sensores y actuadores binarios.

• Utiliza un cable sencillo de dos hilos para llevar potencia y data.

• Tamaño de los mensajes: 8 bits (4 para input y 4 para output), por nodo, por mensaje.

371


Aplicaciones Típicas

• máquinas de ensamblaje, empaque, y de manejo de materiales

• sensores inteligentes

• válvulas neumáticas

• switches

• indicadores

372


Ventajas

• Sistema sencillo

• Es fácil de configurar

• Bajo costo

• Velocidad (167 Kbits/seg)

• El cable de data suple la

potencia.

• Los dispositivos se

conectan directamente al

cable, sin conectores.

Desventajas

• No es apropiado para

conectar I/O análogo

• Tan sólo aplica para

redes pequeñas (31

slaves y un master).

• Todavía no se ha

popularizado su uso en

Norte América.

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