Fieldbus es el nombre de una familia de redes informáticas industriales [1] utilizadas para el control distribuido en tiempo real. Los perfiles de bus de campo están estandarizados por la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) como IEC 61784/61158.
Un sistema industrial automatizado complejo se estructura típicamente en niveles jerárquicos como un sistema de control distribuido (DCS). En esta jerarquía, los niveles superiores para la gestión de la producción están vinculados al nivel de control directo de los controladores lógicos programables (PLC) a través de un sistema de comunicaciones de tiempo no crítico (por ejemplo, Ethernet ). El bus de campo [2] conecta los PLC del nivel de control directo con los componentes de la planta del nivel de campo, como sensores , actuadores , motores eléctricos , luces de consola, interruptores , válvulas y contactores.y reemplaza las conexiones directas a través de bucles de corriente o señales de E / S digitales. Por lo tanto, los requisitos de un bus de campo son críticos en términos de tiempo y costos. Desde el nuevo milenio se han establecido varios buses de campo basados en Ethernet en tiempo real . Estos tienen el potencial de reemplazar los buses de campo tradicionales a largo plazo.
Descripción
Fieldbus es un sistema de red industrial para control distribuido en tiempo real. Es una forma de conectar instrumentos en una planta de fabricación. Fieldbus funciona en una estructura de red que normalmente permite topologías de red en cadena , en estrella, en anillo, en rama y en árbol . Anteriormente, las computadoras se conectaban mediante RS-232 ( conexiones en serie ) mediante las cuales solo dos dispositivos podían comunicarse. Este sería el equivalente al esquema de comunicación de 4-20 mA que se usa actualmente , que requiere que cada dispositivo tenga su propio punto de comunicación a nivel del controlador, mientras que el bus de campo es el equivalente a las conexiones de tipo LAN actuales , que requieren solo un punto de comunicación en el nivel del controlador y permitir que varios (cientos) de puntos analógicos y digitales se conecten al mismo tiempo. Esto reduce tanto la longitud del cable necesario como el número de cables necesarios. Además, dado que los dispositivos que se comunican a través del bus de campo requieren un microprocesador , el mismo dispositivo suele proporcionar varios puntos. Algunos dispositivos de bus de campo ahora admiten esquemas de control como el control PID en el lado del dispositivo en lugar de obligar al controlador a realizar el procesamiento.
Historia
La motivación más importante para utilizar un bus de campo en un sistema de control distribuido es reducir el costo de instalación y mantenimiento de la instalación sin perder la alta disponibilidad y confiabilidad del sistema de automatización. El objetivo es utilizar un cable de dos hilos y una configuración sencilla para dispositivos de campo de diferentes fabricantes. Dependiendo de la aplicación, el número de sensores y actuadores varía desde cientos en una máquina hasta varios miles distribuidos en una planta grande. La historia del bus de campo muestra cómo abordar estos objetivos.
Precursor del fieldbus
Bus de interfaz de propósito general (GPIB)
Podría decirse que la tecnología de bus de campo precursora es HP-IB, como se describe en IEEE 488 [3] en 1975. "Se conoció como Bus de interfaz de propósito general (GPIB) y se convirtió en un estándar de facto para el control de instrumentos industriales y automatizados".
El GPIB tiene su principal aplicación en mediciones automatizadas con instrumentos de diferentes fabricantes. Pero es un bus paralelo con un cable y conector de 24 hilos y está limitado a una longitud máxima de cable de 20 metros.
Bitbus
La tecnología de bus de campo más antigua comúnmente utilizada es Bitbus. Bitbus fue creado por Intel Corporation para mejorar uso de Multibus sistemas en los sistemas industriales mediante la separación lenta i / o funciones de acceso a memoria más rápido. En 1983, Intel creó el microcontrolador 8044 Bitbus agregando firmware de bus de campo a su microcontrolador 8051 existente . Bitbus usa EIA-485 en la capa física , con dos pares trenzados, uno para datos y otro para reloj y señales. El uso de SDLC en la capa de enlace de datos permite 250 nodos en un segmento con una distancia total de 13,2 km. Bitbus tiene un nodo maestro y varios esclavos, y los esclavos solo responden a las solicitudes del maestro. Bitbus no define el enrutamiento en la capa de red . El 8044 permite solo un paquete de datos relativamente pequeño (13 bytes), pero incorpora un conjunto eficiente de tareas RAC (acceso y control remoto) y la capacidad de desarrollar tareas RAC personalizadas. En 1990, IEEE adoptó Bitbus como bus de control en serie del sistema de microcontroladores (IEEE-1118). [4] [5]
Actualmente, BITBUS es mantenido por BEUG - BITBUS European Users Group. [6]
Redes informáticas para la automatización
Las redes de oficina no son realmente adecuadas para aplicaciones de automatización, ya que carecen del retardo de transmisión delimitado superior. ARCNET , que se concibió ya en 1975 para la conectividad de la oficina, utiliza un mecanismo de token y, por lo tanto, encontró usos posteriores en la industria.
Protocolo de automatización de fabricación (MAP)
El Protocolo de automatización de fabricación (MAP) fue una implementación de protocolos compatibles con OSI en tecnología de automatización iniciada por General Motors en 1984. MAP se convirtió en una propuesta de estandarización de LAN respaldada por muchos fabricantes y se utilizó principalmente en la automatización de fábricas. MAP ha utilizado el bus de token IEEE 802.4 de 10 Mbit / s como medio de transmisión.
Debido a su alcance y complejidad, MAP no logró el gran avance. Para reducir la complejidad y alcanzar un procesamiento más rápido con recursos reducidos, en 1988 se desarrolló el MAP de Arquitectura de Desempeño Mejorado (EPA). Este MiniMap [7] contiene solo los niveles 1, 2 y 7 del modelo de referencia básico de Interconexión de Sistemas Abiertos (OSI). Este atajo fue asumido por las definiciones de bus de campo posteriores.
El logro más importante de MAP es la Especificación de mensajes de fabricación (MMS), la capa de aplicación de MAP.
Especificación de mensajes de fabricación (MMS)
La Especificación de mensajes de fabricación (MMS) es una norma internacional ISO 9506 [8] que trata sobre un protocolo de aplicación y servicios para transferir datos de proceso en tiempo real e información de control de supervisión entre dispositivos en red o aplicaciones informáticas publicada como primera versión en 1986.
Ha sido un modelo para muchos desarrollos posteriores en otras estandarizaciones de comunicaciones industriales como FMS para Profibus o SDO para CANopen . Todavía está en uso como una posible capa de aplicación, por ejemplo, para la automatización de servicios de energía en las normas IEC 61850 .
Buses de campo para la automatización de la fabricación
En el campo de la automatización de la fabricación , los requisitos para un bus de campo son soportar tiempos de reacción cortos con solo unos pocos bits o bytes para ser transmitidos en no más de algunos cientos de metros.
MODBUS
En 1979 Modicon (ahora Schneider Electric ) definió un bus en serie para conectar sus controladores lógicos programables (PLC) llamados Modbus . Modbus utiliza en su primera versión un cable de dos hilos con EIA 485 con señales UART . El protocolo en sí es muy simple con un protocolo maestro / esclavo y el número de tipos de datos está limitado a los entendidos por los PLC en ese momento. Sin embargo, Modbus sigue siendo, con su versión Modbus-TCP, una de las redes industriales más utilizadas principalmente en el campo de la automatización de edificios.
PROFIBUS
Un proyecto de investigación con el apoyo financiero del gobierno alemán definió en 1987 el bus de campo PROFIBUS basado en la Especificación de mensajes de bus de campo (FMS). [9] Demostró en aplicaciones prácticas que era demasiado complicado de manejar en el campo. En 1994 Siemens propuso una capa de aplicación modificada con el nombre de Periferia Descentralizada (DP) que alcanzó una buena aceptación en la industria manufacturera. 2016, Profibus es uno de los buses de campo más instalados del mundo [10] y alcanza los 60 millones de nodos instalados en 2018. [11]
INTERBUS
En 1987, Phoenix Contact desarrolló un bus en serie para conectar entradas y salidas distribuidas espacialmente a un controlador centralizado. [12] El controlador envía una trama a través de un anillo físico, que contiene todos los datos de entrada y salida. El cable tiene 5 hilos: al lado de la señal de tierra, dos hilos para el marco de salida y dos hilos para el marco de retorno. Con este cable es posible tener toda la instalación en una topología de árbol . [13]
INTERBUS tuvo mucho éxito en la industria de fabricación con más de 22,9 millones de dispositivos instalados en el campo. El Interbus se unió a la tecnología Profinet para el bus de campo basado en Ethernet Profinet y el INTERBUS ahora es mantenido por Profibus Nutzerorganisation eV [14]
LATA
Durante la década de 1980, para resolver problemas de comunicación entre diferentes sistemas de control en automóviles, la empresa alemana Robert Bosch GmbH desarrolló por primera vez la Controller Area Network (CAN). El concepto de CAN era que cada dispositivo se puede conectar mediante un solo conjunto de cables, y cada dispositivo que está conectado puede intercambiar datos libremente con cualquier otro dispositivo. CAN pronto migró al mercado de la automatización industrial (con muchos otros).
DeviceNet fue desarrollado por la empresa estadounidense Allen-Bradley (ahora propiedad de Rockwell Automation ) y ODVA (Open DeviceNet Vendor Association) como un estándar de bus de campo abierto basado en el protocolo CAN. DeviceNet está estandarizado en el estándar europeo EN 50325. La especificación y el mantenimiento del estándar DeviceNet es responsabilidad de ODVA. Al igual que ControlNet y EtherNet / IP, DeviceNet pertenece a la familia de redes basadas en CIP. CIP ( Common Industrial Protocol ) forma la capa de aplicación común de estas tres redes industriales. Por lo tanto, DeviceNet, ControlNet y Ethernet / IP están bien coordinados y proporcionan al usuario un sistema de comunicación graduado para el nivel de gestión (EtherNet / IP), el nivel de celda (ControlNet) y el nivel de campo (DeviceNet). DeviceNet es un sistema de bus orientado a objetos y opera según el método productor / consumidor. Los dispositivos DeviceNet pueden ser cliente (maestro) o servidor (esclavo) o ambos. Los clientes y servidores pueden ser productores, consumidores o ambos.
CANopen fue desarrollado por CiA ( CAN in Automation ), la asociación de usuarios y fabricantes de CANopen, y se ha estandarizado como estándar europeo EN 50325-4 desde finales de 2002. CANopen utiliza las capas 1 y 2 del estándar CAN (ISO 11898 -2) y extensiones con respecto a la asignación de pines, las velocidades de transmisión y la capa de aplicación.
Fieldbus para la automatización de procesos
En la automatización de procesos, tradicionalmente, la mayoría de los transmisores de campo están conectados a través de un bucle de corriente con 4-20 mA al dispositivo de control. Esto permite no solo transmitir el valor medido con el nivel de la corriente, sino también proporcionar la energía eléctrica requerida al dispositivo de campo con solo un cable de dos hilos de una longitud de más de mil metros. Estos sistemas también se instalan en áreas peligrosas. Según NAMUR, un bus de campo en estas aplicaciones debe cumplir estos requisitos. [15] Una norma especial para instrumentación IEC / EN 60079-27 describe los requisitos para el concepto intrínsecamente seguro de bus de campo (FISCO) para instalaciones en la zona 0, 1 o 2.
WorldFIP
El estándar FIP se basa en una iniciativa francesa de 1982 para crear un análisis de requisitos para un futuro estándar de bus de campo. El estudio condujo a la iniciativa europea Eureka para un estándar de bus de campo en junio de 1986 que incluyó a 13 socios. El grupo de desarrollo (réseaux locaux industriels) creó la primera propuesta que se estandarizó en Francia. El nombre del bus de campo FIP se dio originalmente como una abreviatura del francés "Flux d'Information vers le Processus" mientras que luego se refería a FIP con el nombre en inglés "Factory Instrumentation Protocol".
FIP ha perdido terreno frente a Profibus que llegó a prevalecer en el mercado europeo en la década siguiente; la página de inicio de WorldFIP no ha visto ningún comunicado de prensa desde 2002. El primo más cercano de la familia FIP se puede encontrar hoy en Wire Train Bus para vagones de tren. Sin embargo, un subconjunto específico de WorldFIP, conocido como protocolo FIPIO, se puede encontrar ampliamente en los componentes de la máquina.
Foundation Fieldbus (FF)
Foundation Fieldbus fue desarrollado durante un período de muchos años por la Sociedad Internacional de Automatización (ISA) como SP50. En la actualidad, Foundation Fieldbus disfruta de una base instalada cada vez mayor en muchas aplicaciones de procesos pesados, como refinación, petroquímicos, generación de energía e incluso aplicaciones de alimentos y bebidas, farmacéuticas y nucleares. [dieciséis]
A partir del 1 de enero de 2015, Fieldbus Foundation se ha convertido en parte del nuevo FieldComm Group. [17]
PROFIBUS-PA
Profibus PA (automatización de procesos) se utiliza para la comunicación entre instrumentos de medición y de proceso, actuadores y sistema de control de procesos o PLC / DCS en la ingeniería de procesos. Profibus PA es una versión Profibus con capa física adecuada para la automatización de procesos, en la que se pueden conectar varios segmentos (segmentos PA) con instrumentos de campo a Profibus DP a través de los denominados acopladores. El cable de bus de dos hilos de estos segmentos se hace cargo no solo de la comunicación, sino también del suministro de energía de los participantes ( tecnología de transmisión MBP ). Otra característica especial de Profibus PA es el perfil de dispositivo ampliamente utilizado "Dispositivos PA" (Perfil PA), [18] en el que las funciones más importantes de los dispositivos de campo están estandarizadas entre los fabricantes.
Fieldbus para la automatización de edificios
El mercado de la automatización de edificios también tiene diferentes requisitos para la aplicación de un bus de campo:
- bus de instalación con muchas E / S sencillas distribuidas en un gran espacio.
- bus de campo de automatización para el control de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC)
- red de gestión para la gestión de instalaciones
El BatiBUS definido en 1989 y utilizado principalmente en Francia, el Instabus ampliado al Bus de instalación europeo (EIB) y el Protocolo europeo de sistemas domésticos (EHS) se fusionaron en 1999 con la norma Konnex ) (KNX) EN 50090 , (ISO / IEC 14543 -3). En 2020, 495 empresas miembros ofrecen 8.000 productos con interfaces KNX en 190 países de todo el mundo. [19]
LonWorks
Volviendo a la década de 1980, a diferencia de otras redes, LonWorks es el resultado del trabajo de los informáticos de Echelon Corporation . En 1999, el protocolo de comunicaciones (entonces conocido como LonTalk) fue enviado a ANSI y aceptado como estándar para redes de control (ANSI / CEA-709.1-B), en 2005 como EN 14908 (estándar europeo de automatización de edificios). El protocolo es también una de las varias capas físicas / de enlace de datos del estándar BACnet ASHRAE / ANSI para la automatización de edificios.
BACnet
El estándar BACnet fue desarrollado inicialmente y ahora es mantenido por la Sociedad Americana de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado ( ASHRAE ) a partir de 1987. BACnet es un Estándar Nacional Americano ( ANSI ) 135 desde 1995, un estándar europeo, un estándar nacional en muchos países, y la norma mundial ISO 16484 desde 2003. [20] BACnet tiene en 2017 una cuota de mercado del 60% en el mercado de la automatización de edificios. [21]
Estandarización
Aunque la tecnología de bus de campo existe desde 1988, con la finalización del estándar ISA S50.02, el desarrollo del estándar internacional llevó muchos años. En 1999, el comité de normas IEC SC65C / WG6 se reunió para resolver la diferencia en el borrador de la norma de bus de campo IEC. El resultado de esta reunión fue la forma inicial del estándar IEC 61158 con ocho conjuntos de protocolos diferentes llamados "Tipos".
Esta forma de estándar se desarrolló por primera vez para el Mercado Común Europeo , se concentra menos en los elementos comunes y logra su propósito principal: eliminar las restricciones del comercio entre naciones. Los problemas de similitudes ahora se dejan a los consorcios internacionales que apoyan cada uno de los tipos estándar de bus de campo. Casi tan pronto como se aprobó, cesó el trabajo de desarrollo de normas IEC y se disolvió el comité. Se formó un nuevo comité IEC SC65C / MT-9 para resolver los conflictos de forma y sustancia dentro de las más de 4000 páginas de IEC 61158. El trabajo sobre los tipos de protocolos anteriores está sustancialmente completo. Los nuevos protocolos, como los buses de campo de seguridad o los buses de campo Ethernet en tiempo real, se están aceptando en la definición del estándar de bus de campo internacional durante un ciclo de mantenimiento típico de 5 años. En la versión 2008 del estándar, los tipos de bus de campo se reorganizan en familias de perfiles de comunicación (CPF). [22]
Estructura de los estándares de bus de campo
Había muchas tecnologías en competencia para fieldbus y la esperanza original de un solo mecanismo de comunicaciones unificadas no se ha realizado. Esto no debería ser inesperado, ya que la tecnología de bus de campo debe implementarse de manera diferente en diferentes aplicaciones; fieldbus automotriz es funcionalmente diferente del control de la planta de proceso.
IEC 61158: Redes de comunicaciones industriales - Especificación de bus de campo
En junio de 1999, el Comité de Acción (CA) de la IEC decidió adoptar una nueva estructura para los estándares de bus de campo comenzando con una primera edición válida el 1 de enero de 2000, a tiempo para el nuevo milenio: Existe una gran norma IEC 61158, donde todos los buses de campo encuentran su lugar. [23] Los expertos han decidido que la estructura de IEC 61158 se mantiene de acuerdo con diferentes capas, divididas en servicios y protocolos. Los buses de campo individuales se incorporan a esta estructura como tipos diferentes.
La norma IEC 61158 Redes de comunicaciones industriales: especificaciones de bus de campo se divide en las siguientes partes:
- IEC 61158-1 Parte 1: Descripción general y orientación para las series IEC 61158 e IEC 61784
- IEC 61158-2 PhL: Parte 2: Especificación de la capa física y definición del servicio
- IEC 61158-3-x DLL: Parte 3-x: Definición del servicio de la capa de enlace de datos - Elementos de tipo x
- IEC 61158-4-x DLL: Parte 4-x: Especificación del protocolo de la capa de enlace de datos - Elementos de tipo x
- IEC 61158-5-x AL: Parte 5-x: Definición del servicio de la capa de aplicación - Elementos de tipo x
- IEC 61158-6-x AL: Parte 6-x: Especificación del protocolo de la capa de aplicación - Elementos de tipo x
Cada parte todavía contiene varios miles de páginas. Por lo tanto, estas partes se han subdividido en subpartes. Los protocolos individuales simplemente se han numerado con un tipo. Por tanto, cada tipo de protocolo tiene su propia subparte si es necesario.
Para encontrar la subparte correspondiente de las partes individuales de la norma IEC 61158, se debe conocer el tipo de protocolo correspondiente para una familia específica.
En la edición 2019 de IEC 61158 se especifican hasta 26 tipos diferentes de protocolos. En la estandarización IEC 61158, el uso de nombres de marca se evita y se reemplaza por términos técnicos y abreviaturas. Por ejemplo, Ethernet se reemplaza por el CSMA / CD técnicamente correcto o una referencia a la norma ISO 8802.3 correspondiente. Este también es el caso de los nombres de bus de campo, todos se reemplazan por números de tipo. Por lo tanto, el lector nunca encontrará una designación como PROFIBUS o DeviceNet en todo el estándar de bus de campo IEC 61158. En la sección Cumplimiento de IEC 61784 se proporciona una tabla de referencia completa.
IEC 61784: Redes de comunicaciones industriales - Perfiles
Está claro que esta colección de estándares de bus de campo en IEC 61158 no es adecuada para su implementación. Debe complementarse con instrucciones de uso. Estas instrucciones muestran cómo y qué partes de IEC 61158 se pueden ensamblar en un sistema en funcionamiento. Esta instrucción de montaje se ha compilado posteriormente como perfiles de bus de campo IEC 61784.
Según IEC 61158-1 [24], la norma IEC 61784 se divide en las siguientes partes:
- IEC 61784-1 Conjuntos de perfiles para fabricación continua y discreta en relación con el uso de bus de campo en sistemas de control industrial
- IEC 61784-2 Perfiles adicionales para redes de comunicación basadas en ISO / IEC 8802 3 en aplicaciones en tiempo real
- IEC 61784-3 buses de campo de seguridad funcional: reglas generales y definiciones de perfil
- Bus de campo de seguridad funcional IEC 61784-3-n - Especificaciones adicionales para CPF n
- IEC 61784-5-n Instalación de buses de campo - Perfiles de instalación para CPF n
IEC 61784-1: Perfiles de bus de campo
La norma IEC 61784 Parte 1 [25] con el nombre Conjuntos de perfiles para la fabricación continua y discreta en relación con el uso de bus de campo en sistemas de control industrial enumera todos los buses de campo propuestos por los organismos nacionales de normalización. En la primera edición de 2003 se introducen 7 familias de perfiles de comunicación (CPF) diferentes:
- CPF 1 FOUNDATION Fieldbus
- CPF 2 ControlNet
- CPF 3 PROFIBUS
- CPF 4 P-NET
- CPF 5 WorldFIP
- CPF 6 INTERBUS
- CPF 7 SwiftNet
Swiftnet, que se utiliza ampliamente en la construcción de aviones (Boeing), se incluyó en la primera edición del estándar. Esto más tarde resulta ser un error y en la edición 2 de 2007 este protocolo se eliminó del estándar. Al mismo tiempo, se añaden el CPF 8 CC-Link , el protocolo CPF 9 HART y CPF 16 SERCOS . En la edición 4 de 2014 se incluyó en el estándar el último bus de campo CPF 19 MECHATROLINK . La edición 5 en 2019 fue solo una revisión de mantenimiento sin ningún perfil nuevo agregado.
Consulte la Lista de protocolos de automatización para bus de campo que no están incluidos en este estándar.
IEC 61784-2: Ethernet en tiempo real
Ya en la edición 2 del perfil de bus de campo se incluyen los primeros perfiles basados en Ethernet como capa física. [26] Todos estos nuevos protocolos de Ethernet en tiempo real (RTE) desarrollados se compilan en IEC 61784 Parte 2 [27] como Perfiles adicionales para redes de comunicación basadas en ISO / IEC 8802 3 en aplicaciones en tiempo real . Aquí encontramos las soluciones Ethernet / IP , tres versiones de PROFINET IO - las clases A, B y C - y las soluciones de P-NET, [28] Vnet / IP [29] TCnet, [30] EtherCAT , Ethernet POWERLINK , Ethernet para automatización de plantas (EPA), y también el MODBUS con un nuevo MODBUS-RTPS de publicación-suscripción en tiempo real y el perfil heredado MODBUS-TCP.
La solución SERCOS es interesante en este contexto. Esta red del campo del control de ejes tenía su propio estándar IEC 61491. [31] Con la introducción de la solución basada en Ethernet SERCOS III , este estándar se ha desarmado y la parte de comunicación está integrada en IEC 61158/61784. La parte de aplicación se ha integrado junto con otras soluciones de convertidores en una norma especial de convertidores IEC 61800-7.
Entonces, la lista de RTE para la primera edición en 2007 ya es larga:
- CPF 2 CIP
- CPF 3 PROFIBUS Y PROFINET
- CPF 4 P-NET [28]
- CPF 6 INTERBUS
- CPF 10 Vnet / IP [29]
- CPF 11 TCnet [30]
- CPF 12 EtherCAT
- CPF 13 ETHERNET Powerlink
- CPF 14 Ethernet para automatización de plantas (EPA)
- CPF 15 MODBUS
- CPF 16 SERCOS
En 2010 ya se publicó una segunda edición para incluir CPF 17 RAPIEnet y CPF 18 SafetyNET p . En la tercera edición de 2014 se agregó la versión Industrial Ethernet (IE) de CC-Link . Las dos familias de perfiles CPF 20 ADS-net [32] y CPF 21 FL-net [33] se añaden a la cuarta edición en 2019.
Para obtener detalles sobre estos RTE, consulte el artículo sobre Ethernet industrial .
IEC 61784-3: seguridad
Para la seguridad funcional , diferentes consorcios han desarrollado diferentes protocolos para aplicaciones de seguridad hasta Safety Integrity Level 3 (SIL) según IEC 61508 o Performance Level "e" (PL) según ISO 13849 . Lo que la mayoría de las soluciones tienen en común es que se basan en un canal negro y, por lo tanto, se pueden transmitir a través de diferentes buses de campo y redes. Dependiendo del perfil real, el protocolo de seguridad proporciona medidas como contadores, CRC , eco, tiempo de espera, ID únicos de remitente y receptor o verificación cruzada.
La primera edición publicada en 2007 de IEC 61784 Parte 3 [34] denominada Redes de comunicaciones industriales - Perfiles - Buses de campo de seguridad funcional incluye las familias de perfiles de comunicación (CPF):
- CPF 1 FOUNDATION Fieldbus [35]
- CPF 2 CIP con seguridad CIP
- CPF 3 PROFIBUS y PROFINET con PROFIsafe
- CPF 6 INTERBUS
SERCOS también utiliza el protocolo de seguridad CIP . [36] En la segunda edición publicada en 2010 se añaden CPF adicionales a la norma:
- CPF 8 CC-Link
- CPF 12 EtherCAT con seguridad sobre EtherCAT
- CPF 13 Ethernet POWERLINK con openSAFETY
- CPF 14 EPA
En la tercera edición de 2016 se añadió el último perfil de seguridad CPF 17 SafetyNET p . Se espera que se publique una nueva edición 4 en 2021. La norma tiene ahora 9 perfiles de seguridad diferentes. Todos están incluidos y referenciados en la tabla de cumplimiento global en la siguiente sección.
Cumplimiento de IEC 61784
Las familias de protocolos de cada marca se denominan Familia de perfiles de comunicación y se abrevian como CPF con un número. Cada familia de protocolos ahora puede definir buses de campo, soluciones Ethernet en tiempo real, reglas de instalación y protocolos para la seguridad funcional. Estas posibles familias de perfiles se establecen en IEC 61784 y se compilan en la siguiente tabla.
Familias de perfiles de comunicación (CPF) y tipos de servicios y protocolos | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Como ejemplo, buscaremos los estándares para PROFIBUS-DP. Pertenece a la familia CPF 3 y tiene el perfil CP 3/1. En la Tabla 5 encontramos que su alcance de protocolo está definido en IEC 61784 Parte 1. Utiliza el protocolo tipo 3, por lo que los documentos IEC 61158-3-3, 61158-4-3, 61158-5-3 y 61158-6-3 son necesarios para las definiciones de protocolo. La interfaz física se define en el común 61158-2 bajo el tipo 3. Las normas de instalación se pueden encontrar en IEC 61784-5-3 en el Apéndice A. Se puede combinar con el FSCP3 / 1 como PROFIsafe, que se define en el IEC 61784-3-3 estándar.
Para evitar que el fabricante tenga que enumerar todos estos estándares explícitamente, la referencia al perfil se especifica en el estándar. En el caso de nuestro ejemplo para PROFIBUS-DP, la especificación de las normas relevantes debería por tanto ser
Cumplimiento de IEC 61784-1 Ed.3: 2019 CPF 3/1
IEC 62026: Interfaces controlador-dispositivo (CDI)
Los requisitos de las redes de bus de campo para aplicaciones de automatización de procesos (caudalímetros, transmisores de presión y otros dispositivos de medición y válvulas de control en industrias como el procesamiento de hidrocarburos y la generación de energía) son diferentes de los requisitos de las redes de bus de campo que se encuentran en aplicaciones de fabricación discretas como la fabricación de automóviles, donde Se utilizan una gran cantidad de sensores discretos, incluidos sensores de movimiento, sensores de posición, etc. Las redes de bus de campo discretas se denominan a menudo "redes de dispositivos".
Ya en el año 2000 la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) decidió que un conjunto de interfaces controlador-dispositivo (CDI) serán especificadas por el Comité Técnico TC 121 Aparamenta de baja tensión y control para cubrir las redes de dispositivos. Este conjunto de normas con el número IEC 62026 [37] incluye en la edición actual de 2019 las siguientes partes:
- IEC 62026-1: Parte 1: Reglas generales
- IEC 62026-2: Parte 2: Interfaz de sensor de actuador (AS-i)
- IEC 62026-3: Parte 3: DeviceNet
- IEC 62026-7: Parte 7: CompoNet
Las siguientes partes se retiraron en 2006 y ya no se mantienen:
- IEC 62026-5: Parte 5: Sistema distribuido inteligente (SDS)
- IEC 62026-6: Parte 6: Seriplex (bus de control multiplexado en serie)
Ventaja de costo
La cantidad de cableado necesaria es mucho menor en el bus de campo que en las instalaciones de 4–20 mA. Esto se debe a que muchos dispositivos comparten el mismo conjunto de cables de forma múltiple en lugar de requerir un conjunto de cables dedicado por dispositivo como en el caso de los dispositivos de 4–20 mA. Además, se pueden comunicar varios parámetros por dispositivo en una red de bus de campo, mientras que solo se puede transmitir un parámetro en una conexión de 4-20 mA. Fieldbus también proporciona una buena base para la creación de una estrategia de mantenimiento predictiva y proactiva. Los diagnósticos disponibles de los dispositivos de bus de campo se pueden utilizar para abordar problemas con los dispositivos antes de que se conviertan en problemas críticos. [38]
Redes
A pesar de que cada tecnología comparte el nombre genérico de fieldbus, los distintos fieldbus no son fácilmente intercambiables. Las diferencias entre ellos son tan profundas que no se pueden conectar fácilmente entre sí. [39] Para comprender las diferencias entre los estándares de bus de campo, es necesario comprender cómo se diseñan las redes de bus de campo. Con referencia al modelo OSI , los estándares de bus de campo están determinados por los medios físicos del cableado y las capas uno, dos y siete del modelo de referencia.
Para cada tecnología, el medio físico y los estándares de la capa física describen completamente, en detalle, la implementación de la sincronización de bits, la sincronización, la codificación / decodificación, la velocidad de banda, la longitud del bus y la conexión física del transceptor a los cables de comunicación. El estándar de la capa de enlace de datos es responsable de especificar completamente cómo se ensamblan los mensajes listos para su transmisión por la capa física, el manejo de errores, el filtrado de mensajes y el arbitraje de bus y cómo estos estándares se implementarán en el hardware. El estándar de la capa de aplicación, en general, define cómo se interconectan las capas de comunicación de datos con la aplicación que desea comunicarse. Describe las especificaciones de los mensajes, las implementaciones de gestión de la red y la respuesta a la solicitud de la aplicación de servicios. Las capas tres a seis no se describen en los estándares de bus de campo. [40]
Características
Los diferentes buses de campo ofrecen diferentes conjuntos de características y rendimiento. Es difícil hacer una comparación general del rendimiento del bus de campo debido a diferencias fundamentales en la metodología de transferencia de datos. En la siguiente tabla de comparación, simplemente se indica si el bus de campo en cuestión generalmente admite ciclos de actualización de datos de 1 milisegundo o más rápidos.
Bus de campo | Poder del bus | Redundancia de cableado | Dispositivos máximos | Sincronización | Ciclo submilisegundo |
---|---|---|---|---|---|
AFDX | No | sí | Casi ilimitado | No | sí |
AS-interfaz | sí | No | 62 | No | No |
Puedo abrir | No | No | 127 | sí | No |
CompoNet | sí | No | 384 | No | sí |
ControlNet | No | sí | 99 | No | No |
CC-Link | No | No | 64 | No | No |
DeviceNet | sí | No | 64 | No | No |
EtherCAT | sí | sí | 65,536 | sí | sí |
Ethernet Powerlink | No | Opcional | 240 | sí | sí |
EtherNet / IP | No | Opcional | Casi ilimitado | sí | sí |
Interbus | No | No | 511 | No | No |
LonWorks | No | No | 32 000 | No | No |
Modbus | No | No | 246 | No | No |
PROFIBUS DP | No | Opcional | 126 | sí | No |
PROFIBUS PA | sí | No | 126 | No | No |
PROFINET IO | No | Opcional | Casi ilimitado | No | No |
PROFINET IRT | No | Opcional | Casi ilimitado | sí | sí |
SERCOS III | No | sí | 511 | sí | sí |
Interfaz SERCOS | No | No | 254 | sí | sí |
Foundation Fieldbus H1 | sí | No | 240 | sí | No |
Foundation Fieldbus HSE | No | sí | Casi ilimitado | sí | No |
RAPIEnet | No | sí | 256 | En desarrollo | Condicional |
Bus de campo | Poder del bus | Redundancia de cableado | Dispositivos máximos | Sincronización | Ciclo submilisegundo |
Mercado
En los sistemas de control de procesos, el mercado está dominado por Foundation Fieldbus y Profibus PA. [41] Ambas tecnologías utilizan la misma capa física (modulación de corriente codificada en Manchester de 2 hilos a 31,25 kHz) pero no son intercambiables. Como guía general, las aplicaciones controladas y monitoreadas por PLC (controladores lógicos programables) tienden a PROFIBUS, y las aplicaciones controladas y monitoreadas por un DCS (sistema de control digital / distribuido) tienden a Foundation Fieldbus. La tecnología PROFIBUS está disponible a través de Profibus International con sede en Karlsruhe, Alemania. La tecnología Foundation Fieldbus es propiedad y está distribuida por la Fieldbus Foundation de Austin, Texas.
Ver también
- Protocolo de redundancia paralela
- Protocolo de redundancia de medios
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