Clula de Fabricacin Flexible, MPS-C Buses de Campo

Festo Didactic-2003

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Uso al que se destina Las estaciones MPS han sido desarrolladas y producidas exclusivamente con fines de formacin profesional y continuada, en el campo de la automatizacin y las comunicaciones. La empresa que imparta la formacin y/o los instructores deben asegurar que los alumnos observan las medidas de seguridad descritas en los manuales suministrados. Festo Didactic declina cualquier responsabilidad por daos a los alumnos, a la organizacin, a terceras partes, o a todos ellos, como resultado del uso o aplicacin de los equipos fuera de la situacin de pura formacin, a no ser que sean causadas premeditadamente o por manifiesta negligencia por parte de Festo Didactic. N de artculo: Descripcin: Clula MPS-C , Buses de Campo Fecha: 10/2003 Autor: Aquilino Rodrguez Penin Festo Didactic , 2003 Internet: www.festo.com/didactic e-mail: did@festo.com

Sin nuestra expresa autorizacin, queda terminantemente prohibida la reproduccin total o parcial de este documento, as como su uso indebido y/o su exhibicin o comunicacin a terceros. De los infractores se exigir el correspondiente resarcimiento de daos y perjuicios. Quedan reservados todos los derechos inherentes, en especial los de patentes, de modelos registrados y estticos.

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NDICE

1 BUSES DE CAMPO................................................................................. 7

1.1 INTRODUCCIN A LOS BUSES DE CAMPO..................................................... 7 1.2 CONCEPTOS BSICOS.......................................................................... 9

1.2.1 Topologa ................................................................................. 9 1.2.1.1 Configuracin en bus ......................................................... 9 1.2.1.2 Configuracin en anillo ....................................................... 9 1.2.1.3 Configuracin en estrella .................................................. 10 1.2.1.4 Configuracin en rbol ..................................................... 10 1.2.1.5 Configuracin en red ........................................................ 11

1.2.2 Tipos de interconexin ............................................................. 12 1.2.2.1 Redes Centralizadas (Clustered Systems)............................ 12 1.2.2.2 Redes Distribuidas (Distributed Systems) ........................... 12

1.2.3 Modos de comunicacin ........................................................... 13 1.2.3.1 Comunicaciones Cclicas................................................... 13 1.2.3.2 Comunicaciones Acclicas ................................................. 13

1.2.4 Maestro Esclavo.................................................................... 14 1.2.5 Cliente Servidor .................................................................... 14 1.2.6 Entradas/Salidas..................................................................... 14

1.3 ACCESO A LA RED............................................................................. 16 1.3.1 Modelo de referencia OSI.......................................................... 16 1.3.2 Mtodo de acceso ................................................................... 17 1.3.3 Enlace.................................................................................... 17 1.3.4 Pirmide de la automatizacin (CIM) .......................................... 18 1.3.5 Clases de redes ....................................................................... 19

1.4 ESTNDAR RS485........................................................................... 20 1.4.1 Principio de transmisin ........................................................... 21 1.4.2 Medio fsico ............................................................................ 22

2 BUS PROFIBUS ................................................................................... 25

2.1 INTRODUCCIN ............................................................................... 25 2.1.1 Variantes de Profibus ............................................................... 25

2.2 CONEXIONADO................................................................................ 27 2.2.1 Conectores ............................................................................. 27

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1 Buses de Campo

1.1 Introduccin a los buses de campo Desde la primera mquina automatizada a base de componentes electromecnicos, hasta las grandes instalaciones compuestas por multitud de mquinas trabajando coordinadamente, ha habido un denominador comn que, en mayor o menor medida, siempre ha estado presente: la relacin de la mquina con su entorno. Una mquina aislada no deja de necesitar informacin de su espacio prximo para poder trabajar correctamente (sensores, finales de carrera, detectores, etc). Cuando hay ms de un elemento en un sistema o mquina, es necesario coordinar los diferentes componentes para poder obtener un resultado productivo. Al agrupar varias mquinas para realizar un trabajo determinado, stas deben ponerse de acuerdo para conseguir un resultado fruto de ese agrupamiento. En una primera etapa, todas las seales de control de un sistema se guiaban mediante cables entre la mquina y el armario donde se localizaban los componentes de mando (armario elctrico)

Cuando la mquina alcanza una determinada extensin, el volumen de cableado y su complejidad empieza a ser considerable, con todo lo que esto implica; mano de obra, mayor cantidad de material, menor tiempo entre fallos, mantenimiento ms complicado, etc. Si en vez de una mquina tenemos varias, el tema se complica, hay canales de distribucin elctrica repletos de mangueras que transportan energa y seales entre las mquinas y el armario de control, aparecen fenmenos de interferencias, cadas de tensin, etc. El concepto anterior es, a grandes rasgos, lo que se conoce como Control Centralizado; todos los mensajes y las rdenes tienen un punto focal en el que convergen. La necesidad de simplificar las instalaciones y de reducir los costes de mantenimiento de las mismas dio lugar a que sistemas de produccin complejos se dividiesen en clulas sencillas dedicadas a tareas especficas, gobernadas stas por sus propios controles. La aparicin de los autmatas programables permiti reducir en gran medida la cantidad de material necesario para conseguir controlar una mquina, los controles

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se programan en su interior y las modificaciones de funcionamiento no significan cambios fsicos y, adems, el tiempo necesario para el mantenimiento se reduce.

La posibilidad de conectar los autmatas entre s, adems permiti eliminar casi todo el cableado de control entre mquinas, quedando solamente una lnea de comunicacin entre ellas, a travs de la cual se poda coordinar el funcionamiento de todos los componentes de un sistema. Estas lneas de comunicacin son lo que llamamos Buses de Campo, permiten unir todos los elementos de control necesarios de forma que puedan intercambiar mensajes entre ellos. Esta idea se conoce como Control Distribuido; un sistema complejo se divide en subsistemas autnomos con control propio, que se integran gracias a un sistema de comunicaciones comn.

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1.2 Conceptos bsicos

1.2.1 Topologa La Topologa se refiere a la disposicin de los diferentes equipos alrededor del medio de transmisin de datos. Hay varias configuraciones bsicas:

1.2.1.1 Configuracin en bus La distribucin bsica se realiza alrededor de un segmento de cable al cual se conectan los equipos.

El modo de transmisin es aleatorio, un equipo transmite cuando lo necesita. Si hay transmisiones simultneas (colisiones), unos algoritmos especiales solventan el problema. Entre las caractersticas ms destacables se encuentran las siguientes:

?? Elevada velocidad de transmisin. ?? La cada de un equipo no afecta al resto de la red. ?? La comunicacin es bidireccional (todos los equipos pueden transmitir

segn necesidad). ?? Ampliacin sencilla.

1.2.1.2 Configuracin en anillo El medio de transmisin forma un circuito cerrado (anillo) al que se conectan los equipos.

Se basa en una serie de conexiones punto a punto de una estacin con la siguiente. El modo de transmisin se organiza por turnos mediante el paso de un permiso de transmisin de una estacin a otra (paso de testigo o token passing).

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En este tipo de redes est muy extendido el uso de la fibra ptica (prestaciones de seguridad al implementarse anillos redundantes) Los rasgos ms importantes de esta topologa son:

?? Sistema Maestro-Esclavo. ?? Tiempo de transmisin fijo. ?? La cada de un equipo no afecta al resto.

1.2.1.3 Configuracin en estrella En esta configuracin, todos los equipos estn conectados a un equipo o nodo central que realiza las funciones de control y coordinacin (Host).

Las caractersticas principales son:

?? La sencillez de su mantenimiento. ?? El equipo central, el Host, controla toda la red. ?? El rendimiento de la red (su velocidad) depender del Host. ?? La cada de un equipo no afecta al resto. ?? Si el Host se para, la red queda inutilizada.

1.2.1.4 Configuracin en rbol Mezcla las caractersticas de la estrella y la lnea.

Se encuentra en los sistemas de bus tipo sensor-actuador (AS-i)

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1.2.1.5 Configuracin en red Permite la conexin entre dos estaciones a travs de mltiples caminos.

Las caractersticas principales:

?? Fiabilidad y tolerancia a fallos. La cada de una lnea de transmisin se solventa redirigiendo el trfico por otro camino.

?? Alto coste de implementacin. ?? No utilizado en buses de campo.

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1.2.2 Tipos de interconexin A partir de estas definiciones de conexionado de equipos, a grandes rasgos se definen dos estructuras generales en la organizacin de sistemas de comunicacin:

1.2.2.1 Redes Centralizadas (Clustered Systems)

Todos los equipos estn supeditados a un equipo central (Host) que controla todo el sistema. El Host debe ser un equipo potente para gestionar el trfico de datos con eficiencia. El fallo de un terminal no afecta al funcionamiento de la red, pero si el fallo es en el Host, se paraliza todo.

1.2.2.2 Redes Distribuidas (Distributed Systems) En este tipo de red, los equipos pueden ser mquinas sencillas que comparten las cargas de trabajo, los recursos y comunicaciones. El fallo de un terminal no afecta al resto de equipos. A escala industrial, las topologas ms extendidas son las de Bus y Anillo, debido a su robustez ante fallos, velocidad de transmisin y sencillez de ampliacin.

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1.2.3 Modos de comunicacin La forma de comunicacin utilizada se puede observar desde el punto de vista de la frecuencia con la que se intercambian los datos entre los equipos. De esta manera, las comunicaciones se pueden clasificar en dos tipos:

?? Cclicas (peridicas) ?? Acclicas (Aperidicas).

1.2.3.1 Comunicaciones Cclicas A la hora de transmitir va Bus de Campo, interesa que el tiempo empleado en enviar y recibir todos los datos entre estaciones (tiempo de scan), sea lo ms corto posible. En un caso ideal no debera haber retraso, por ejemplo, entre pulsar un botn de paro de estacin en el sistema de visualizacin del Maestro, y el paro real de la misma.

1. Es inevitable que transcurra un tiempo determinado entre estos dos sucesos: El Maestro tiene un ciclo de trabajo de una duracin determinada (ciclo de scan)

2. El sistema de comunicaciones tarda un tiempo en enviar-recibir todos los datos programados.

3. El Esclavo tiene su ciclo de scan propio. Centrndonos en las comunicaciones, una manera de reducir el tiempo de emisin-recepcin, sin variar la velocidad de transmisin, es reducir la cantidad de datos a gestionar por el sistema de transmisin, enviando nicamente los datos necesarios (marcha, paro, alarmas, etc.) Las comunicaciones relacionadas con seales transmitidas a intervalos de tiempo conocidos se conocen como Comunicaciones Cclicas entre estaciones. En determinadas situaciones, puede ser necesaria la transferencia grandes cantidades de datos entre estaciones. Si esto se realizase de forma cclica, la carga de trabajo del sistema de comunicaciones podra aumentar de tal manera que ste podra volverse inoperante debido a los tiempos de retraso.

1.2.3.2 Comunicaciones Acclicas

En el caso del intercambio de grandes cantidades de informacin no crtica (piezas producidas, tiempo de funcionamiento, visualizacin de algunas variables analgicas, etc.), se puede optar por realizar el envo de la misma en momentos determinados del proceso, o slo cuando se solicite sta. Esta modalidad se conoce como Comunicaciones Acclicas. As como la comunicacin Cclica se realiza de forma automtica, la lectura y escritura de datos en modo Acclico debe ser realizada mediante la ejecucin de instrucciones especficas de comunicacin (lectura y escritura). La comunicacin de tipo Acclico representa una carga adicional a las comunicaciones de tipo Cclico, que se ejecutan de modo automtico. Por lo tanto, un exhaustivo o muy frecuente uso de la comunicacin de tipo Acclico repercutir en el tiempo total de procesamiento necesario para las comunicaciones.

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1.2.4 Maestro Esclavo Al organizar las comunicaciones, generalmente se establece una jerarqua entre los equipos, en la que uno de ellos tiene el control de las comunicaciones (de forma temporal o permanente). Es lo que se conoce como relacin Maestro-Esclavo. En el entorno industrial, el Maestro es un autmata que puede leer o escribir sobre los esclavos de la red que controla, mientras que el esclavo recibe los mensajes enviados por el maestro y emite hacia ste cuando le llega la orden de hacerlo. Dentro de los Esclavos hay dos categoras:

?? Esclavos Activos: Son equipos con un PLC que recibe rdenes y ejecuta un programa propio.

?? Esclavos Pasivos: Se comportan como terminales tontos, no ejecutan programa alguno y realizan la funcin de Entradas-Salidas remotas del autmata Maestro.

Un ejemplo de una red con relaciones Maestro-Esclavo podra ser una red de protocolo Profibus-DP (Siemens), o Festo Fieldbus (Festo).

1.2.5 Cliente Servidor

Otro tipo de comunicacin se basa en la prestacin de servicios por parte de algunos interlocutores de una red, y el aprovechamiento de estos servicios por parte del resto. Se denominan relaciones de tipo Cliente-Servidor. Un Cliente de la red es un equipo que solicita los servicios a una estacin. El Servidor es una estacin que proporciona esos servicios solicitados. Un Servidor puede ser un esclavo de la red. Una estacin puede ser, a la vez, Cliente y Servidor. Un ejemplo de una red con relaciones Cliente-Servidor podra ser una red de protocolo MPI, o Profibus-FDL (Siemens).

1.2.6 Entradas/Salidas

Cuando hay un bus de comunicaciones, hay que distinguir dos tipos de seales de Entradas-Salidas.

?? Locales: Son las E\S cableadas al PLC. Por tanto, cuando hablamos de E\S locales de un maestro o de un esclavo, nos estamos refiriendo a las entradas-salidas cableadas a su PLC.

?? Remotas: Son entradas y salidas lgicas (no existen fsicamente) que conectan punto a punto el maestro con los esclavos. Es decir, las salidas de bus del maestro estn conectadas directamente a las entradas de bus de campo de los esclavos; a su vez, las salidas de bus de los esclavos estn conectadas a las entradas de bus del maestro. Ejemplos de salidas remotas pueden ser:

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?? Un PLC FEC, de Festo, trabajando como expansin de

Entradas/Salidas ?? Un mdulo de periferia descentralizada ET-200, de Siemens.

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1.3 Acceso a la red

1.3.1 Modelo de referencia OSI La ISO (International Standards Organization) especific un modelo de 7 niveles que se ocupara de especificar el sistema de transmisin, el mtodo de acceso a la red, y todo lo referente a cmo realizar un intercambio de informacin eficiente entre dos o ms interlocutores. El modelo de referencia se conoce como OSI (Open System Interconnection).

Nivel Nombre Funcin Caractersticas

7 Aplicacin

(Application Layer) Funciones de usuario y servicios de comunicacin.

R/W Start/Stop

6

Presentacin (Presentation Layer)

Conversin de los datos a un formato comn entendible por todos los equipos.

Lenguaje propio del equipo para transmitir y recibir

5 Sesin

(Session Layer) Control de las sesiones de comunicacin (inicio, transcurso y final)

Coordinacin

4

Transporte (Transport Layer)

Garantizar un enlace fiable entre terminales. Formacin y gestin de los paquetes de informacin.

Transmisin segura

3 Red

(Network Layer) Direccionamiento a travs de sistemas (routing) y control de flujo.

Comunicacin entre redes

2

Datos (Data Link Layer)

Mtodo de acceso. Control de la transmisin de bits y deteccin y correccin de los errores.

CRC CSMA/CD Token

1 Fsico

(Physical Layer) Caractersticas mecnicas y elctricas del sistema fsico de transporte.

Tipo de cable

De las siete capas, son indispensables los niveles 1,2 y 4 1 Fsico: Tipo de cable, niveles de tensin y corriente, distancias, etc. 2 Datos: Cmo se accede a la red y se direcciona un equipo. 4 Transporte: Seguridad y coherencia del flujo de datos, mecanismos de recepcin y envo. En la capa 7 se establecen una serie de normas estndar para realizar los servicios de comunicacin. En Automatizacin se utiliza mayoritariamente el MMS (Manufacturing Message Specification), en el que se incluyen los servicios y protocolos MAP (Manufacturing Automation Protocol).

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1.3.2 Mtodo de acceso Debe gestionarse el envo de telegramas por parte de las estaciones, el mtodo de acceso se ocupa de esta tarea: ?? Centralizado

Es el sistema Maestro-Esclavo, el Maestro dirige el trfico por el bus. Se dirige a los esclavos (polling) cuando necesita enviar o recibir informacin de stos (Profibus DP).

?? Descentralizado

Determinstico (previsible) El ms conocido es el token passing. El token es un permiso de emisin que se va pasando entre estaciones. El tiempo de posesin del token est determinado, por lo que se conoce el tiempo mximo de circulacin del testigo. ?? Token-bus es la utilizacin de ste mtodo dentro de una red

con topologa de lnea (utiliza un anillo lgico). ?? Token-ring es la utilizacin de ste mtodo dentro de una red

con topologa de anillo (utiliza un anillo lgico). Estocstico (aleatorio)

El ms conocido es el CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Cualquier estacin puede emitir si el bus no est ocupado (Ethernet)

1.3.3 Enlace Un enlace es una unin lgica entre dos estaciones con f inalidad de comunicacin. En el enlace se incluyen todas las informaciones necesarias para establecer ste y gestionar el dilogo entre los dos puntos. Se establecen y disuelven a peticin del interlocutor. ?? Esttico

Permanecen activos todo el tiempo. Se establecen de forma fija entre estaciones (ocurre cuando sobran recursos)

?? Dinmico

Es un enlace que cambia varias veces de interlocutor para aprovechar los recursos disponibles.

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1.3.4 Pirmide de la automatizacin (CIM) La denominada Pirmide de la automatizacin, (Computer Integrated Manufacturing) nos intenta resumir, de forma grfica, la estructuracin de los sistemas de comunicacin en un entorno productivo.

Se divide en niveles, de acuerdo al trfico y tipo de informacin que se intercambia: ?? Nivel de gestin

Procesa tareas de tipo corporativo que implican, generalmente, grandes cantidades de informacin. Se puede acceder a todos los puntos de la red. Puede haber cientos de puestos de trabajo (estaciones). Los equipos que aparecen aqu son Ordenadores personales (PC), minicomputadores y grandes equipos informticos.

?? Nivel de clula

Procesa las tareas de automatizacin. Aqu aparecen los Autmatas, PCs y equipos de visualizacin.

?? Nivel de campo

Realiza la unin entre las instalaciones y los equipos que las controlan. Permite la comunicacin entre los equipos de control de maquinaria y los equipos del nivel de clula.

?? Nivel Actuador/Sensor

Un equipo de nivel de clula se comunica con un grupo de actuadores y sensores conectados a una red de comunicaciones. Se transmiten cantidades reducidas de informacin (pocos bits).

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1.3.5 Clases de redes Segn el nivel del sistema productivo en el cual nos encontremos, tendremos un tipo de bus de comunicaciones adecuado a las necesidades concretas de comunicacin: AS-Interface (Actuator Sensor Interface)

Es un bus orientado a la comunicacin con Sensores y actuadores. Pretende sustituir el cableado convencional de una mquina por un par de hilos que permite transmitir los datos de los diferentes sensores y actuadores. Es posible conectar hasta 248 seales binarias de entrada y 186 seales de salida mediante un solo cable. Cableado simple y sencillo. La alimentacin y los datos van por el mismo cable Reduccin de espacio. Tiempo de ciclo mximo de 5ms. Hasta 100m de longitud en un solo cable. Funcionamiento como Maestro-Esclavo.

Profibus (Process Field Bus)

Red orientada a los niveles de campo y clula. Permite la conexin de sistemas digitales descentralizados. Hasta 127 estaciones. Cantidades de datos medias (hasta 240 bytes) La velocidad va de 9,6Kbit/s a 12Mbit/s Hasta 100Km, segn el tipo de transmisin utilizado. Mtodo de token passing y Maestro-Esclavo

Industrial Ethernet

En el nivel de gestin. Se encarga de la conexin de grandes sistemas de automatizacin. Grandes cantidades de datos y grandes distancias. Hasta 100Mbit/s (Fast Ethernet) Acceso aleatorio al bus (CSMA/CD) Ms de 1000 estaciones. 1500m en red elctrica y 200Km en fibra ptica.

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1.4 Estndar RS485 Las comunicaciones industriales utilizan generalmente el estndar de transmisin RS485 o RS422.

RS 485 es la configuracin de hardware (capa 1, la capa fsica de OSI) ms extendida para los buses de campo.

?? Hasta 32 estaciones ?? Resistencias de adaptacin en extremos ?? Rango de velocidades que abarca de 9.6kBit/s a 12MBit/s ?? Cable de par trenzado apantallado. ?? Segn velocidad, hasta 1200m de distancia de transmisin. ?? Buena inmunidad a las interferencias al tratarse de seales de diferencia de

tensin.

RS422 no permite aplicaciones de bus (es punto a punto)

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1.4.1 Principio de transmisin

RS485 se basa en la transmisin de seales como diferencia de potencial, sin referencia de tierra. En el caso de haber interferencias, afectarn por igual a las dos seales.

En el destino, la seal definitiva se obtiene de restar las dos seales recibidas, con lo cual la interferencia se anula.

Para compensar las diferencias de potencial que aparecen en las grandes instalaciones, suele tenderse un cable de igualacin de potencial, para evitar corrientes que fluyan a travs de la malla del cable de seal.

interferencia

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1.4.2 Medio fsico

El cable utilizado para la transmisin RS485 no tiene interrupciones, y est terminado en sus extremos con resistencias de adaptacin de lnea.

Las estaciones (hasta 32) se conectan, en paralelo, al cable de bus.

Se aconseja conectar directamente la estacin al bus mediante los conectores especiales diseados a tal efecto (el cable de bus atraviesa el conector).

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Es posible realizar conexiones con cable de, hasta 1 m (stub). Esto no se recomienda debido a las interferencias que se pueden generar en la lnea (capacidades, reflexiones de seal...)

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2 Bus Profibus

2.1 Introduccin Los buses de campo de tipo serie se utilizan principalmente como sistemas de intercambio de datos entre sistemas automatizados y todos los dispositivos de campo distribuidos por las instalaciones que controlan. La principal caracterstica es que solo se utilizan dos hilos para transmitir la informacin, los programas de control (routing) y la tensin de alimentacin para la periferia distribuida. Profibus est introducido en todos los niveles de automatizacin, desde la comunicacin al nivel de mquina (actuadores, sensores, con la variante DP), hasta sistemas complejos que gestionan grandes cantidades de datos (con la variante FMS) El estndar Profibus garantiza la interconectividad entre productos de diferentes fabricantes sin necesidad de realizar modificaciones en los equipos.

2.1.1 Variantes de Profibus Dentro de Profibus hay tres familias diferenciadas, pero compatibles entre s: Profibus-DP (Periferia Descentralizada)

Orientado a la comunicacin con periferia descentralizada con tiempos de ciclo muy cortos. El tiempo de ciclo de bus es menor que el tiempo de ciclo de programa del PLC central.

Profibus-PA (Automatizacin de procesos, Process Automation)

Es una variante de Profibs DP que permite la conexin de elementos de periferia con clasificacin Ex (seguridad intrnseca, zonas con riesgo de explosin)

Profibus-FMS (Fieldbus Message Specification)

Orientado al intercambio de grandes cantidades de datos entre autmatas. En este tipo de transmisin es ms interesante la funcionalidad que la rapidez, con lo que los tiempos de reaccin son ms lentos. Generalmente, la transmisin de datos es de tipo Acclico, controlada por programa.

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Siemens tiene, adems, dos variantes del protocolo especficas para sus productos: S7

Orientadas a conectar sistemas S7, M7 y PC SEND/RECEIVE (FDL o, antiguamente, enlaces AG-AG)

Para la comunicacin entre S7, S5 y PC de forma sencilla.

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2.2 Conexionado

2.2.1 Conectores Conectaremos los equipos por medio de cables especficos para la comunicacin Profibus (RS485: dos hilos ms pantalla).

El conexionado debe realizarse tal como se indica en las instrucciones del fabricante. Al conectar las estaciones al bus de comunicaciones, es indiferente la posicin y el orden de conexin de las mismas. Solamente hay que tener en cuenta la posicin del interruptor de los conectores que irn en los extremos del cable (ver apartados siguientes).

Resistencia de terminacin

La posicin de una estacin en el cable no es relevante, pues se accede a la misma a travs de su

direccin de red.

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Los conectores tienen unos alojamientos para colocar el extremo del cable.

Si el conector est en un extremo del cable, debe conectarse a los terminales marcados como entrada, y poner en ON el selector de la resistencia de terminacin (situado en un lateral del conector).

Entrada de cable

Salida de cable

Resistencia

Es importante respetar la posicin del cable en las conexiones (el mismo color de cable al mismo

terminal, A o B, a lo largo de toda la red)

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