lunes, 28 de septiembre de 2015

INFORME MES DE SEPTIEMBRE : PROFIBUS



PROFIBUS

1.0 OBJETIVO:

Ampliar los conocimientos que tiene el becario acerca de una de las Redes Industriales que mas se usa en distintos procesos del sector automotriz.
Poder identificar las principales características de PROFIBUS tales como topologia, protocolos de transmisión y comunicación, elementos principales del bus, etc.

INDICE 

1.0.........................................................Objetivo
2.0.........................................................Introducción
3.0.........................................................Historia
4.0.........................................................Topologia
5.0.........................................................Elementos del bus
6.0.........................................................Estructura lógica
7.0.........................................................Identificación de dispositivos PROFIBUS
8.0.........................................................Medios físicos de Transmisión
8.1.........................................................RS 485
8.2.........................................................Características
8.3.........................................................Montaje de conector PROFIBUS
8.4.........................................................Fibra Óptica
8.5.........................................................IEC 1158-2 (H1)
8.6.........................................................Características
9.0.........................................................Protocolos de comunicación
9.1.........................................................Arquitectura Protocolar
9.2.........................................................PROFIBUS DP 
9.2.1......................................................Tipos de dispositivos
9.2.2......................................................Tiempo de respuesta PROFIBUS DP
9.3.........................................................PROFIBUS PA
9.3.1......................................................Ventajas 
9.3.2......................................................Elementos de PROFIBUS PA
9.4.........................................................PROFIBUS FMS
9.4.1......................................................Servicios de PROFIBUS FMS
9.4.2......................................................Capas de Aplicación
9.4.3......................................................Modelo de comunicación PROFIBUS FMS
9.4.4......................................................Objetos de comunicación
10.0.......................................................Conclusión
11.0.......................................................Bibliografia 
12.0.......................................................Mapas Mentales


2.0 INTRODUCCIÓN:

PROFIBUS es actualmente el líder de los sistemas basados en buses de campo en Europa y goza de una aceptación mundial. Sus áreas de aplicacion incluyen manufacturacion, automatización y generación de procesos. PROFIBUS es un bus de campo normalizado internacional que fue estandarizado bajo la norma EN 50 170. Esto asegura una protección optima tanto a los clientes como a los vendedores y asegura la independencia de estos últimos.
En términos de desarrollo, vale la pena recordar que la tecnología es estable, pero no estática. Las compañías socias de PROFIBUS INTERNATIONAL siempre se encuentran en Equipos de Trabajo atentos a las nuevas exigencias del mercado y garantizando nuevos beneficios con le llegada de nuevas características.
Hoy en día, todos los fabricantes lideres de tecnología de automatizacion ofrecen interfaces  PROFIBUS para sus dispositivos. La variedad de productos existentes incluye mas de 1500 elementos y servicios, de los cuales 400 están certificados, asegurando un funcionamiento sencillo y correcto incluso en redes de diferentes fabricantes. PROFIBUS ha sido usado satisfactoriamente en alrededor de 200000 aplicaciones en todo el mundo y se han instalado mas de 2000000 dispositivos.


3.0 HISTORIA

1987.- Las firmas alemanas Bosch, Klöckner Möeller y Siemens iniciaron un proyecto de desarrollo de una arquitectura de comunicaciones industriales que permitiera la interconexion de equipos de distintos fabricantes. 
El primer objetivo fue solo el diseño de un bus de campo con una estructura abierta y un protocolo compatible que permitiera enlazar con una red adoptada como base en los niveles superiores (MAP).
1993.- Especificación de PROFIBUS Simple y rápido DP (Decentralized  Peripherals).
1995.- Ampliación de la capa física de PROFIBUS  con una variante que permite la transmisión simultanea de señales de comunicación y alimentación (PROFIBUS PA).
1997.- Perfil de aplicación PROFIdrive: Definición de comportamiento de dispositivos y métodos de acceso a datos de accionamientos de velocidad variable en PROFIBUS.
1998.- Perfil de aplicación PA Devices: Especificación de las propiedades, caracteristicas y comportamientos de dispositivos de diferente tipos para que puedan interoperar dispositivos de diferentes fabricantes o reemplazarse mutuamente.
1999.- Perfil de aplicación PROFIsafe: Definición de la comunicación PROFIBUS entre los controladores de seguridad y los dispositivos de seguridad para tareas de automatizacion hasta categoría 4 según EN954..



4.0 TOPOLOGIA:

La topologia puede ser simplemente en forma de bus lineal o en forma de árbol, en el que los repetidores constituyen el nudo de partida de una expansión del bus.


PROFIBUS admite una estructura lógica de maestro flotante y una estación activa, ejerciendo el papel de maestro, que puede estar físicamente conectada a lo que se pudiera considerar una expansión del bus. Por tanto, incluso en caso de ramificaciones debe considerarse como un bus único.



El numero máximo de nodos conectables a cada tramos del bus, sin necesidad de repetidores es de 32. A efectos de esta limitación los propios repetidores cuentan como un nodo. El numero máximo de nodos del bus es de 127, de los cuales un máximo de 32 pueden ser nodo activos.

No existe ninguna limitación en cuanto a poder configurar una estructura con buses anidados (un esclavo puede ser, a su vez, maestro de otro bus de nivel inferior), aunque deben considerarse como buses independientes, dado que el protocolo no permite direccionar desde arriba las estaciones de niveles inferiores. 

5.0 ELEMENTOS DEL BUS:

El elemento esencial del bus es el nodo. PROFIBUS prevé la existencia de dos tipos de nodos:
  1. Activos:  Son nodos que pueden actuar como maestro del bus, tomando enteramente el control del bus.
  2. Pasivos:  Son nodos que únicamente pueden actuar como esclavos y, por tanto, no tienen capacidad para controlar el bus. Estos nodos pueden dialogar con los nodos activos mediante un simple mecanismo de pregunta-respuesta, pero no pueden dialogar directamente entre si.
Aparte de estos dos tipos de nodos, existen otros dos bloques esenciales en la arquitectura del bus:

  1. Expansiones E/S:    Este tipo de bloques constituyen la interfaz con las señales de proceso y pueden estar integrados tanto en un nodo activo como en un nodo pasivo.
  2. Repetidores:          Los repetidores ejecutan el papel de simples transceptores bidireccionales para regenerar la señal. 


6.0 ESTRUCTURA LÓGICA :

La estructura lógica es de tipo híbrido: las estaciones activas comparten una estructura de maestro flotante, relevándose en el papel de maestro mediante paso de testigo. Las estaciones pasivas solo pueden ejercer el papel de esclavos, sea cual sea el maestro activo en cada momento. 


Naturalmente esta estructura admite la posibilidad de que exista un solo nodo activo en el bus, con lo que se convertiría en un bus con una estructura del tipo maestro/esclavo.
Cuando una estación activa posee el testigo , considera a todas las demas como esclavos, incluyendo también al resto de estaciones activas que no poseen al testigo en aquel momento.


7.0 IDENTIFICACIÓN DE DISPOSITIVOS PROFIBUS:

  • Conector de bus
Los conectores de bus Rs 485 para PROFIBUS sirven para conectar una estacion PROFIBUS  o un componente de la red.



  • Terminales de bus
Los terminales de bus PROFIBUS sirven para conectar una estación de bus a una red PROFIBUS.
Hay diferentes versiones disponibles:
  • hasta 1,5 Mbits/s: Terminal de bus RS 485
  • Hasta 12 Mbits/s: Terminal de bus 12M

Los terminales de bus llevan una conexión de equipo preparada para estaciones PROFIBUS.


  • Terminador Activo
el elemento de cierre activo RS485 sirve para terminar segmentos del bus. La alimentación es independiente de las estaciones del bus. La resistencia de cierre se alimenta de forma permanente o conmutada por la periferia con independencia de los otros componentes de la periferia. Cerrando el bus es posible conectar y desconectar estaciones.



  • Repetidor RS 485
Conecta 2 segmentos de bus PROFIBUS o MPI de tecnologia RS 485.
El repetidor sirve para:
  1. Aumentar el numero de estaciones (max. 127 estaciones) y la extension.
  2. Aislar galavanicamente segmentos
  3. Regenerar las señales en amplitud y tiempo.

  • Repetidor de diagnostico
Iniciado desde STEP 7 o COM PROFIBUS, el repetidor de diagnostico determina ls topologia del sistema del bus y la guarda en la memoria de diagnostico interna.


 8.0 MEDIOS FÍSICOS DE TRANSMISIÓN:

  • 8.1 RS 485


La tecnología de transmisión mas usada es la RS 485, conocida habitualmente como H2, sin embargo la fibra óptica puede usarse en largas distancias (80km). Su área de aplicación comprende aquellas aplicaciones donde prima su simplicidad, la velocidad de tranmision y lo barato de la instalación.  se usa un par diferencial con cable trenzado, previsto para la comunicación semi-duplex, aunque también puede implementarse con fibra óptica y enlaces con estaciones remotas vía módem o vía radio. La velocidad de transmisión  varia entre 9.6 Kbits/s y 12Mbits/s, dependiendo del medio físico.


8.1 Características:
  • TRANSMISIÓN ASÍNCRONA NRZ
  • Baud rates de 9.6 kBit/s a 12 Mbit/s, seleccionable
  • Par torcido con blindaje
  • 32 estaciones por sección, max 127 estaciones.
  • Distancia según la transmisión
  • Distancia extensible hasta 10 km con el uso de repetidores.
  • Conector D-Sub de 9 pinos. 

Al conectar varias estaciones, hay que comprobar que el cable de las lineas de datos no sea trenzado. El uso de lineas apantalladas es absolutamente esencial para el logro de una alta inmunidad del sistema en ambientes con emisiones altas de electromagnetismo (como en la fabricación de automóviles). El apantallamiento se usa para mejorar la compatibilidad electromagnética.


8.3 Montaje de conector PROFIBUS:


  1. Pelar el cable de bus.
  2. Abrir la carcasa del conector de bus soltando los tornillo de la carcasa y quitando la tapa.
  3. Empujar el cable de bus en el dispositivo de contratraccion (La pantalla del cable ha de descansar descubierta sobre la guía metálica)
  4. Poner los hilos en las guías sobre los bornes cortantes. Para ello, observar que se conecten siempre los mismos hilos a la misma conexión  A o B. (Se recomienda cablear la conexión A con el hilo verde y la conexión B con el hilo rojo):
  5. Presionar ligeramente con el pulgar los hilos verde y rojo en los bornes cortantes.
  6. Apretar de nuevo la tapa.

  •  8.4 Fibra Óptica:



La solución a través de fibra óptica responde a la necesidad de inmunidad a ruidos, diferencias de potenciales, largas distancias, arquitectura en anillo, redundancia física y altas velocidades de tranmision. 
La siguiente tabla muestra los tipos de fibra óptica que hay:


Muchos fabricantes ofrecen conexiones especiales que posibilitan una conversión integrada de señales RS 485 para trabajar con conductores de fibra óptica y viceversa. Esto proporciona un método muy sencillo de intercambio entre transmisión Rs 485 y transmisión por fibra óptica en un mismo sistema.

  • 8.5 IEC 1158-2 (H1)

8.6 Características:
  • Transmisión sincrona Manchester de doble fase 31.25 Kbits modo corriente
  • Seguridad Intriseca (opcional) y alimentación de las estaciones a través del mismo bus.
  • Par trenzado apantallado o no apantallado 
  • Distancia hasta 1900 m por segmento, extendida por repetidores hasta 10 km.
  • 127 estaciones máximo, de 10 a 32 por segmento (depende del tipo de dispositivo y consumo) 

9.0 PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN:

PROFIBUS especifica las características técnicas y funcionales de un sistema de buses de campo serie con el cual controladores digitales descentralizados pueden trabajar juntos en red desde el nivel de campo hasta el nivel de célula. Esto lo hace distinguiendo entre elementos Maestro y elementos Esclavo.
Los dispositivos Maestro determinan la comunicación de datos en el bus. Un Maestro puede enviar mensajes sin una petición externa cuando mantiene el derecho de acceso al bus.
Los dispositivos Esclavo son dispositivos periféricos. Algunos de ellos son las estradas y salidas, las válvulas y los transistores de medida.No tienen derecho de acceso al bus y solo pueden reconocer mensajes recibidos o enviar mensajes al Maestro cuando este se lo ordena (por lo que se les llama estaciones pasivas). Su implementacion es especialmente económica ya que solo requieren de una pequeña parte del bus.

9.1 Arquitectura protocolar:

PROFIBUS está basado en normas internacionalmente reconocidas. La arquitectura protocolar está orientada al sistema OSI.


La capa 1 o Capa Física es la encargada de la topologia de la red y de las conexiones globales de la computadora a la red, medio físico como la forma en la que se transmite la información.
La capa 2 o Capa de Enlace se ocupa del direccionamiento físico, del acceso al medio, de la detección de errores, de la distribución ordenada de tramas y del control del flujo.
La capa 7 o Capa de Aplicación  ofrece a las aplicaciones la posibilidad de acceder a los servicios de las demás capas y define los protocolos que utilizan las aplicaciones para intercambiar datos.

La arquitectura de PROFIBUS se divide en 3 tipos principales:

9.2 PROFIBUS DP (PERIFERIA DESCENTRALIZADA)

Esta es la solución de alta velocidad de PROFIBUS. Su desarrollo fue perfeccionado principalmente para la comunicación entre sistemas de automatización y los equipos descentralizados. Es aplicable en los sistemas de control, donde se destaca el acceso a los dispositivos de I/O. 
PROFIBUS DP ofrece funciones para servicios de acceso cíclico, tal como configuración, monitoreo, diagnósticos y supervision  de alarmes en equipos de campo.
En 12Mbits/s PROFIBUS DP requiere solo 1ms para transmitir 512 bits de entrada y 512 bits de salida, distribuidos entre 32 estaciones. Este perfil es ideal para controles discretos, exigiendo alta velocidad de procesamiento.


9.2.1 Tipos de dispositivos:

Cada sistema DP puede contener 3 tipos de diferentes dispositivos:
  • AMO DP CLASE 1 (DPM1)
Es un controlador principal que cambia informaciones ciclicamente con los esclavos. Los Controladores Lógicos (PLC"s) son ejemplos de estos dispositivos.
La transmisión de datos del DPM1 a los esclavos se ejecuta automáticamente por el DPM1 y se divide en 3 etapas: parametrizacion, configuración y transferencia de datos.
Seguridad y confiabilidad son indispensables para adicionarse a PROFIBUS DP, las funciones de protección contra errores de parametrizacion o fallo del equipo de tranmision. Para tanto, el monitoreo es implementado  tanto el amo DP como en los esclavos.




  • AMO DP CLASE 2 (DPM2)
Son estaciones de ingeniería utilizadas para configuración, monitoreo o sistemas de supervision como, por ejemplo, Simatic PDM, Commuwinii, Pactware, etc.
  • ESCLAVO
Un esclavo DP es un dispositivo periférico, tal como: dispositivos de I/O, actuadores, HMI, válvulas transductores, etc.
Existen aun dispositivos con una sola entrada, una sola salida o una combinación de entradas y salidas. Podemos incluir también los esclavos PA, puesto que son vistas por el sistema como si fueran esclavos DP.





9.2.2 Tiempo de respuesta en PROFIBUS DP:


El tiempo de respuesta de un sistema DP depende esencialmente de los siguientes factores:
  • MaxTSDR (tiempo de respuesta tras la estación que puede responder)
  • La tasa de comunicación seleccionada.
  • Min slave Interval (tiempo entre 2 ciclos de polling, cambio de datos entre 2 esclavos) 
Actualmente, 90% de las aplicaciones relativas a esclavos Profibus utilizan Profibus DP. esta variedad esta disponible en 3 versiones: DP-VO/ DP-V1/ DP-V2. Cada versión tuvo su origen segun el el adelanto de la tecnología y la búsqueda de nuevas aplicaciones a lo largo del tiempo.


  • 9.3 PROFIBUS-PA. (PROCESS AUTOMATION)
PROFIBUS-PA es la solución que satisface las exigencias de la automatización de procesos, donde hay la conexión de sistemas de automatización y los sistemas de control de proceso con equipos de campo, tales como: transmitores de presión, temperatura, conversores o posicionadores.
Este sistema permite la medición y control a través de linea de 2 hilos simples. Tambien permite accionar los equipos de campo en zonas con seguridad intriseca. PROFIBUS-PA permite aun el mantenimiento y la conexión/desconexion de equipos sin afectar otras estaciones en zonas de potencial explosivo.

9.3.1 Ventajas:
  • Transmisión de información confiable
  • Funcionalidad y seguridad
  • Equipos con capacidad de auto-diagnosis
  • Alta resolución en mediciones
  • Integración con el control discreto en alta velocidad.
  • Beneficios económicos pertinentes a las instalaciones
  • Menos tiempo de puesta en marcha

9.3.2 Elementos de PROFIBUS PA:

En general, se puede enumerar los siguientes elementos de una res PROFIBUS-PA
  • Clase 1: responsable por las operaciones (lectura/escritura) y el control de los lazos abiertos y cerrados del sistema de control y automatización (PLC).
  • Clase 2: responsable de los accesos aciclicos de parametros y funciones de los equipos PA 
  • Acopladores (couplers): son dispositivos utilizados para traducir las caracteristicas de PROFIBUS DP y PROFIBUS PA 
  • Dipositivos de Enlace: funcionan como esclavos en la red PROFIBUS DP y son amos en la red PROFIBUS PA. Se utilizan para lograr altas velocidades (hasta 12Mbits/s).

  • 9.4 PROFIBUS FMS (FIELDBUS MESSAGE SPECIFICATION)
PROFIBUS FMS esta diseñado para la comunicación a nivel celular. A este nivel los controladores programables (PLC"s) se comunican en principio entre si. En esta área de aplicación es mas importante un alto grado de funcionalidad que unos tiempos rápidos de reacción del sistema.

9.4.1 Servicios de PROFIBUS FMS:
  • Establece y desconecta conexiones lógicas
  • Lee y escribe variables
  • Carga y lee áreas de memoria
  • Compila, empieza y detiene programas
  • Transmite mensajes de sucesos con mas o menos prioridad
  • Peticiones de estado y de identificación de dispositivos
  • Servicios para la dirección del diccionario de objetos
9.4.2 Capas de aplicacion:

La capa de aplicación proporciona a los servicios de comunicación que pueden ser usados por el usuario. Estos servicios hacen posible al acceder a las variables, transmitir programas y controlar su ejecución así como la transmisión de sucesos.
Formado por las siguientes partes:
  • La especificación de mensajes del bus de campo, la cual describe los objetos y servicios de comunicación.
  • El interface de la capa mas baja que es usado para adaptar los servicios de la anterior con esta segunda capa.
9.4.3 Modelo de Comunicación en PROFIBUS FMS:

El modelo de comunicación de PROFIBUS FMS  permite a los procesos de aplicación distribuidos ser unificados en un proceso común usando relaciones de comunicación. Esa porción de un proceso de aplicación en un dispositivo de campo que puede ser alcanzado  vía comunicación se llama "Dispositivo Virtual de Campo" 

9.4.4 Objetos de comunicacion y diccionario de objetos:

Todos los objetos de comunicación de un dispositivo FMS están por completo en el diccionario de objetos locales en el dispositivo. El diccionario de objetos contiene la descripción, estructura y tipos de datos, así como la relación entre las direcciones internas del dispositivo de los objetos de comunicación y su designación en el bus (indice/nombre). 
El diccionario de objetos se compone de los siguientes elementos:
  • Cabecera
  • Lista de tipos de datos estáticos
  • Diccionario de objetos estáticos 
  • Lista dinámica de listas de variables
  • Lista dinámica e programa 


10.0 CONCLUSIÓN.

 Como conclusión podemos determinar que PROFIBUS se ha transformado en el líder mundial del mercado de los buses de campo, es muy ocupada en sectores automotrices gracias a su avanzada tecnología y fácil manejo. 
Las ventajas mas importantes de PROFIBUS comparado con otros buses de campo son sus características universales que cubren un amplia gama de aplicaciones en fabricación, procesado y automatización de procesos.

 11.0 BIBLIOGRAFIA:





12.0 MAPAS MENTALES 

























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