PROTOCOLO FIELDBUS (FIELDBUS FUNDATION)1. IntroduccinFieldbus (Busde Campo) es el nombre de unafamiliadeprotocolosindustriales deredesinformticas utilizados pararedesdecontrolindustrial entiemporeal, estandarizado como norma IEC 61158. Es una manera de conectar los instrumentos en una planta de fabricacin. Fieldbus puede trabajar enestructurasderedque normalmente permite la conexin detopologasde red en cadena, estrella,anillo, ramas,rboles.Finalidad: Fieldbus Foundation busc integrar lascomunicacionesa niveles de campo.2. Estndares: ANSI / ISA, septiembre de 1992 IEC, diciembre de 1999 CENELEC, marzo de 2000

3. Como funciona Fieldbus

Hay dos partes importantes de laarquitecturadelsistemaFieldbus: La interconexin La aplicacinLa interconexin se refiere a la transmisin dedatosdesde un dispositivo a otro, puede ser un dispositivo de campo, operador de consola o un configurador. Esta es la parte del protocolo decomunicacinde bus de campo.La aplicacin es la funcin de automatizacin que el sistema realiza. Mediante la estandarizacin de parte de la aplicacin, Fieldbus ha ido ms lejos que cualquier otro estndar de comunicacin, garantizando la interoperabilidad entre los productos.4. Modelo OSIEl modelo de referencia OSI es un estndar reconocido internacionalmente para arquitecturas de red en la que se basan las redes abiertas. El estndar se ha desarrollado como un modelo para lastelecomunicacionesen todos los niveles. Todas las funciones (tales como: hacer frente a las instalaciones, la comprobacin de errores ycodificaciny decodificacin) de una red se han agrupado enconjuntoslgicos llamados capas, que en total son siete. La parte de la aplicacin realizada por el sistema, se realiza en un dispositivo que se llama elproceso de aplicacin(AP). Una capa de la pila slo interacta con las capas inmediatamente por encima y por debajo.

5. Capas OSI de FIELDBUSUn dispositivo debusde campo tiene tresprocesosde aplicacin (APs): La aplicacin de bloques de funcin,gestinderedes, y gestin delsistema.Desde la capa 3 a la 6 no se utilizan en Fieldbus. Esta simplificacin hace de Fieldbus ms rpido y ms fcil de implementar en dispositivos conpotenciade procesamiento limitada, como instrumentos de campo.CapaFsica(PHL)Slo reconoce bits individuales. La norma define los tipos demediosyseales,velocidadde transmisin ytopologa, incluyendo el nmero de nodos, y lapotenciadel dispositivo (slo en Fieldbus).Capa de Enlace deDatos(DLL): Gestin de redesTransfiere datos entre entidades de lared; realiza elmantenimiento, la activacin y desactivacin de los enlaces de las conexiones de datos, agrupacin de bits en caracteres y tramas,controlde errores, control de acceso al medio y control de flujo ( permitiendo a varios dispositivos compartir la red). La norma define el tipo de control de acceso al medio, formatos de trama, la comprobacin de errores.Capa de Aplicacin (APP): Aplicacin de bloques de funcinEl sistema fue diseado para tener un mnimo degastosgenerales de comunicacin para satisfacer las necesidades de control.Hay varias combinaciones para la capa fsica, cada uno con sus relativas ventajas. Todos los dispositivos de un bus deben usar las mismas opciones parala comunicacin, conexin y velocidad de transmisin. Sin embargo, dispositivos en el bus o no en el bus se pueden mezclar, as como los deseguridadintrnseca o de no seguridad intrnseca.Opciones de medios fsicos:Opciones de tasa de transmisin:

AlambreFibrapticaRadio 31.25 kbit/s1 Mbit/s2.5 Mbit/s

6. Codificacin FIELDBUSLos datos se intercambian utilizando una seal serial half-duplex sncrona. Un dispositivo transmite y recibe en el mismo medio, pero no simultneamente. La seal se auto-temporiza, utilizando lacodificacinManchester (tambin conocido como bifsico L). Dado que la transmisin es sincrnica, no se requiere bits de inicio oparo. En la codificacin Manchester, el reloj y los datos se combinan para que un flanco de subida represente un 0 lgico (cero), y un flanco de bajada representa un 1 lgico (uno) en los datos.

Figura 2. Codificacin ManchesterCuando se transmite, primero hay un prembulo, lo que equivale al timbrado deltelfono, para sincronizar los receptores de otros dispositivos. El principio y final del mensaje se indica con delimitadores de inicio y final. Los delimitadores no se codifican, slo los datos, por lo que puede ser identificados. Los bits no codificados de los delimitadores se les llama N+ (nondata positivo), y N- (nondata negativo). El prembulo y los delimitadores aadidos por la capa fsica en el dispositivo de transmisin, son descartados en la capa fsica del dispositivo receptor.

Figura 3. Fieldbus fotograma de la capa fsica.Caractersticas de los medios Cableados.Losmedios de comunicacinutilizan seales elctricas en un cable de par trenzado normal, aprobado en el estndar IEC / ISA desde 1992.La distancia mxima permitida entre dos dispositivos depende de la velocidad de transmisin escogido.Velocidad:Distancia:

31.25 kbit/s:1.900 m

1 Mbit/s (modo de Voltaje):750m

1 Mbit/s (modo de Corriente):750m

2.5 Mbit/s:500m

El dispositivo debe aislar elhardwarede comunicacin, (MAU Media Attachment Unit) , desdetierrapara evitar bucles de tierra elctrica cuando los dispositivos son multiaterrados.La topologa de bus (Figura 4), la topologa de rbol (Figura 5) y punto a punto sontopologascompatibles. La topologa del rbol slo es compatible con la versin de baja velocidad. El bus tiene un cable troncal (trunk) con dos terminaciones . Los dispositivos estn conectados con el troncal a travs de las espuelas (spurs). Las espuelas pueden ser integrados en los dispositivo permitiendo alcanzar espuelas de longitud cero. Una espuela puede conectar ms de un dispositivo, dependiendo de la longitud. Acopladoresactivospueden utilizarse para ampliar la longitud de las espuelas. Repetidores activos se puede utilizar para extender la longitud del troncal.

Figura 4. Topologa de Bus

Figura 5. Topologa de rbolLas terminaciones estn diseados para tener una impedancia de 100 ohms cada uno alrededor de la frecuencia de transmisin. Un dispositivo transmite mediante lamodulacinde corriente en la red de acuerdo a la seal de codificacin Manchester. Dispositivos de recepcin detectan la cada de tensin generada en los dos terminales de acuerdo como la corriente es modulada. La corriente modulada va de 15 a 20 mA pico a pico en la versin de baja velocidad, con una sensibilidad del receptor de 150 mV.

Figura 6. Modulacin de la seal en medios Cableados.Caractersticas de medios cableados a 31.25 kbit/sLa opcin de menor velocidad, 31.25 kbit / s, es la ms verstil y se espera que sea el tipo ms utilizado. Ofrece versiones de seguridad intrnseca yalimentacinel dispositivo mediante el bus. El nmero de dispositivos est limitado por la siguiente eleccin.Intrnsecamenteseguro/ no intrnsecamente seguraAlimentado por bus / alimentado separadamenteEl nmero tpico de los dispositivos se indica en el cuadro 1, el nmero real vara segn el tipo de dispositivos.

Cuadro 1.El nmero mximo de nodos de la redEn los sistemas de seguridad intrnseca, la barrera de seguridad debe colocarse entre la fuente de alimentacin y el terminal de alimentacin final.Los dispositivos pueden ser alimentados por el bus, requiriendo solo dos cables para el suministro y la comunicacin. Una fuente de alimentacin nica, comn a todos los dispositivos, est conectada a la red en cada extremo del troncal. La tensin puede estar en el rango de 9 a 32 VDC. La impedancia de la fuente de alimentacin debe tener un mnimo de 3 kilo ohms alrededor de la frecuencia de transmisin a fin de no causar un cortocircuito en la seal de comunicacin. Una seal codificada en Manchester tiene el ciclo de exactamente 50% y puede ser visto como una seal de CA. Elconsumode corriente directa (potencia consumida) de un dispositivo es por tanto constante.Capa de enlace de datos de Fieldbus - FDLLa capa de enlace de datos de Fieldbus, capa se compone de dos subcapas: la porcin ms baja es Fieldbus MediaAccessControl (FMAC) y la parte superior es Fieldbus Data Link Control (FDLC).Un dispositivo en Fieldbus es uno de los dos tipos de estaciones:Estacin MaestraEstacin Esclavo.Una estacin maestra tiene el derecho de acceso a los medios (iniciar la comunicacin). Los esclavos slo tienen el derecho a responder a una solicitud de un maestro.Control de acceso al Medio de FieldbusEl medio de acceso a la comunicacin es unafusinentre losprincipiosde token y passing and Polling . Varios dispositivos enuna redpueden ser estaciones maestras. Slo la estacin que tiene el token se le permite iniciar la comunicacin. El maestro puede solicitarinformacina los dispositivos esclavos, mientras tengan token. El token se pasa al siguiente maestro en una trma especial.A los dispositivos se les dan las direcciones individuales de estacin. Todos losframescontienen ladireccinde destino (DA) y la direccin de origen (SA) del mensaje.Fieldbus cuenta con servicios que liberan al usuario de laresponsabilidadde asignar y hacer el seguimiento de las direcciones.Un requisito para el control fiable es datos fiables. Una Frame Check Sequence (FCS) de dos Bytes se calcula sobre todos los datos del marco utilizando un polinomio en el dispositivo de transmisin, y se agrega al marco. El dispositivo receptor realiza el mismoclculoy compara el resultado con el FCS, para as detectar cualquier error. El FCS es equivalente a la paridad de bits de redundancia cclica y controles de losprotocolosasncronos.Hay dos prioridades: alta, por ejemplo, alarmas, y baja, por ejemplo, los datos de configuracin ydiagnstico. La FDL transmite los mensajes de alta prioridad primero.Datos de Control de Enlace de Fieldbus FDLCEl FDLC ofrece varias posibilidades para la capa de aplicacin para enviar datos a otras estaciones.Hay dos tipos de mensajes que pueden ser identificados en un sistema de Fieldbus:Operacional.Background.El trfico de datos operacionales se transfieren entre dispositivos como parte de laestrategiade control, por ejemplo, lasvariablesdelproceso. Se caracteriza por ser de bajovolumen, momento crtico y cclico. El trafico de Background es el trfico de datos transferidos entre el dispositivo y la interfaz de usuario, por ejemplo, configuracin y diagnstico. Tiene las caractersticas opuestas de trfico operativos: alto volumen, no detiempocrtico y es acclico (espordica).Capa de Aplicacin de Fieldbus.Las conexiones de Fieldbus se modelan en dos formas:ModeloCliente-Servidor.Modelo Editor - Suscriptor.Elmodelode servidor cliente-servidor, se utiliza para describir la transferencia de datos acclicos. El AP a distancia se llama servidor . Por ejemplo, si el operador de la consola quiere leer un parmetro de ajuste en un regulador en el campo, el AP en la consola es el cliente, y la AP en el controlador es el servidor.El modelo de suscripcin-editor se utiliza para describir la transferencia de datos cclicos. El mando a distancia AP se llama el editor. El editor en realidad edita (edicin) los datos, un usuario est consumiendo (suscrito) los datos. Por ejemplo, un transmisor es la publicacin de una variable de proceso que se consume por un controlador. El controlador est publicando una salida que es consumida por un actuador. La transmisin es controlada por un tercero, el solicitante , que emite una solicitud al editor para publicar sus datos.La intencin principal de Fieldbus es laconstruccinde aplicaciones que utilizan bloques de funcin. Esto se hara enthe Function Block Application Process(FBAP).Un transmisor depresinno es un conjunto desensoresde presin conelectrnicay un housing, sino un nodo de red que contiene los parmetros. Este punto de vista de la red recibe el nombre dedispositivo virtual de campo(VFD, Virtual Field Device ). Un dispositivo (estacin) contiene slo una FBAP. El FBAP puede contener varias VFD.El VFD es la interfaz entre la pila de protocolos y el bloque de AP. El VFD es la parte de la aplicacin real que ese visible y accesible a travs de la red, los objetos de comunicacin, tales como variables y bloques, etc.Antes de que un dispositivo puede tener acceso a objetos de comunicacin (variables) en otro dispositivo, primero debe saber qu objetos estn disponibles y suestructura. Esta informacin puede ser pre-configurada u obtenida del compaero de comunicacin. Hay dos tipos de servicios: servicios operativos para manipular objetos y servicios para la manipulacin de sus atributos descriptivos.Todos los objetos (variables, etc.) tienen un ndice para una fcil referencia. Todos los parmetros en el sistema se identifican por su ndice a ms de la conexin. El usuario no tiene que preocuparse por llevar un seguimiento de los ndices y las direcciones que se hace por la red y puede ser totalmente transparente para el usuario, dependiendo del tipo de interfaz.Ejemplos de serviciosleerel estadodel dispositivo.lectura del fabricante del dispositivo, el tipo y la versin.lectura de todo o parte de la configuracin.lectura de variables.Escritura variable.notificar un evento.Crear una instancia de bloque.encontrar un ndice de la DO de un parmetro.Eliminar el bloque.Proceso de Aplicacin de Bloques de funcin.En los bloques de funcin de AP (FBAP) es donde el usuario configura sus aplicaciones demediciny control. Partes del mismo se distribuye a los distintos dispositivos en el campo. No se ejecuta en una sola tarjeta de control.La funcionalidad de un dispositivo Fieldbus se modela como objetos. El objeto de bloque tiene tres clases que a su vez tienen subcategoras en las que los distintos bloques se agrupan.Objeto de BloqueFuncin del objeto del bloqueEntrada del bloque de funcinSalida de bloques de funcinControl de bloques de funcinClculos de bloques de funcinTransductor de objeto de bloqueEntrada del bloque transductorSalida del bloque transductorMostrar bloque transductorBloque objeto fsicoAlarmas del objeto.Eventos del objeto.Tendencias del objeto.Visualizacin de la lista.

Figura 8.ArquitecturaFBAP.La parte de la FPAP, que est normalizado por Fieldbus, se llama el depsito de bloques de funcin . Por ejemplo, losalgoritmosde bloque no estn estandarizados. Por cada bloque hay un conjunto de parmetros que, en cierta medida, definen la funcionalidad mnima que un bloque va a tener. Sin embargo, el fabricante podr implementar el bloque a su manera. Por ejemplo, en el bloque de controlPIDdebe haber un parmetro de ganancia y por lo tanto, el fabricante podr utilizar este parmetro como ganancia o banda proporcional.Bloques de FuncinLos Function Block son pequeos mdulos desoftwaresellados, que tienen entradas y salidas y una funcin (no intervenible) que relaciona ambas.Se distinguen tres tipos:Resource blocks.Relaciona el dispositivo completo (N serie, Fabricante, Modelo, etc).Transducer blocks .Relaciona las partes humedas (wetted) (Sensor, material, estatus).Function blocks .Relacionan las capacidades de control (AI, AO, PID, PI).Foundation Fieldbus define un set de bloques funcionales bsicos y avanzados, el fabricante decide cuantos incluir.InterOperabilidad: Garantiza que un Function Block es interoperable y opera junto a otros bloques, no garantiza la funcionalidad de (distintos equipos), ya que los algoritmos pueden ser distintos. Otros Bloques desarrollados por otro fabricante, tambin son interoperables ya que fieldbus especifica como hacerlo.Basic Specified Continuous Blocks

Analog InputAIReads analog input

Analog OutputAOSends analog output

Bias GainBScaling

Control SelectorCSOverride control

Manual LoaderMLManual Control

PID ControlPIDPID Control

PD ControlPDPD only control

Ratio ControlRARatio Control

Basic Specified Discrete Blocks

Discrete InputDIReads discrete input

Discrete OutputDOSends discrete output

Advanced Specified Continuous Function Blocks

Complex AOProvides extensive interlocking

Splitter1-in-3-out + logic -- for split ranging

Selector4-in-1-out (min., max., mid., avg.)

Setpoint GeneratorSP generator for Batch applications

CharacterizerHas interpolation and tracking

IntegratorIntegrate flow or pulse + reset

Calc_A1131-C inst. - 50 steps - analogs

Lead/LagDynamic compensation

Dead TimeDelay for analog feedforward control

Analog AlarmProvides alarm response

Advanced Specified Discrete Function Blocks

Digital HMIOperator input - reference by tag

Pulse InputPass pulses to integrator

TimerCount up/down, debounce

Digital AlarmProvides alarm response

Step ControlSP control using discrete actuators

Calc_D1131-C inst. - 50 steps - discretes

Complex DOProvides extensive interlocking

DeviceSimple 2 or 3 state devices (pumps)

Dead TimeDelay for analog feedforward control

Analog AlarmProvides alarm response

No todos los dispositivos trae el mismo nmero de bloques, sino que traen una base mnima.Si uno desea y el fabricante lo permite se puede copiar (instance) un bloque al dispositivo para agregarle una funcionalidad, esto se llama instantation. Por ej. Agregar un segundo PID a una vlvula de control.Ventaja del coste de FieldbusUna ventaja importante de la puesta en prctica de Fieldbus son los ahorros que se asocian a la eliminacin del cable; los mltiples dispositivos comparten pares para comunicarse. Otras ventajas de Fieldbus, a continuacin:Puede funcionar en ambientes industriales y/o peligrosos.Lleva la energa por el mismo cable.Puede reutilizar cables existentes.Soporta Seguridad intrnseca.Control deterministico.Mantiene informado al usuario.Desventajas del fieldbusHay desventajas a usar el fieldbus:Los sistemas de Fieldbus son ms complejos, as que los usuarios necesitan ser entrenados ms extensivamente o ser calificados ms altamenteElpreciode los componentes del fieldbus es ms altos.Los dispositivos de prueba de Fieldbus son ms complejos.Los fabricantes de dispositivos tienen que ofrecer diversas versiones de sus dispositivos (e.g. sensores, actuadores) debido al nmero de diversos estndares (incompatibles) de fieldbus.Unos o ms estndares del fieldbus pueden predominar en un futuro y otros pueden llegar a ser obsoletos. Esto aumenta elriesgode lainversinal poner fieldbus en ejecucin.Progresos actualesEstos ltimos aos lascomunicacionesde sistemas industriales estn incorporandoEthernetcomo medio de comunicacin, entre otras razones por el advenimiento de Pv6. La mayora de los dispositivos industriales de medida y control necesitan ser accionados utilizando el bus y Energa-Sobre-Ethernet (PoE).Aqu est una lista parcial de los nuevos sistemas de comunicacin industriales basados Ethernet:EtherCAT.Ethernet Powerlink.SERCOS III.PROFINET IO.ETHERNET/IP.VARAN.SafetyNET p.Ethernet industrial.Seguridad de FieldbusFieldbus se puede utilizar en sistemas donde se debe cumplir estndares seguridad relevantes como IEC 61508 o EN 954-1. Dependiendo delprotocoloreal, fieldbus puede proporcionar mediciones como para: contadores, CRC, eco, tiempos de paro, identificacin nica del remitente y del receptor o chequeo cruzado. Fieldbus y Profibus (PROFIsafe) tienen variables en su protocolo de comunicacin para que sean compatibles con los sistemas de seguridad.