Unidad IVRedes Industriales

Interfases y Redes IndustrialesInstituto Tecnológico de Matamoros

Noviembre, 2009

Redes industriales Fieldbus y sistemas DeviceNet

Los sistemas Fieldbus y DeviceNet son comunicaciones estándar que permiten comunicar instrumentos inteligentes con dispositivos maestros como un PLC.

Introducción•Existen cientos de estándares de comunicaciones análogas y digitales disponibles para realizar la interfase entre un dispositivo adquisitor de datos (DAC o un multímetro) y un dispositivo controlador (como un PLC o una computadora).

•Estos dispositivos comúnmente utilizan estándares abiertos y estándares propios de comunicación.

•Cuando se utilizan estándares propios de comunicación (closed systems) es muy difícil o imposible conectar al bus de comunicación un dispositivo de otro manufacturador.

•La introducción de un sistema abierto, donde no existen protocolos estándares propios para cada dispositivo dio inicio a los sistemas abiertos e interoperables en la industria.

•Dos de estos sistemas abiertos son el Fieldbus y el DeviceNet. DeviceNet generalmente se refiere a dispositivos tipo on/off o dispositivos digitales simples mientras que el Fieldbus tiende a interconectar sistemas de instrumentación, donde se necesita transferir un dato con un mínimo de 16 bits

Introducción

Estas tecnologías de comunicación son recientes, como la tecnología siga progresando sistemas mas complicados y pequeños se van a ir desarrollando.

La figura muestra el cableado que muchas industrias actualmente utilizan en sus sistemas de control.

Introducción

La figura muestra el concepto del Fielbus. En este concepto se puede observar como los instrumentos se conectan con un cable de comunicación. Existen muchos beneficios con este concepto, no solo se minimiza la cantidad de cables sino que se incrementa en forma considerable el nivel de información disponible para el operador del instrumento.

Beneficios del FieldbusAlgunos de los beneficios de utilizar una red Fieldbus en la industria son los siguientes:

1. Reducción del costo de cableado del sistema

2. Reducción del tiempo de instalación y del startup

3. Mejoras en el monitoreo y diagnostico en línea

4. Cambio sencillos de instrumentos y expansiones de la red o sistema

5. Mejoras en la inteligencia local de los dispositivos

6. Mejoras en la interoperabilidad entre dispositivos de diversos manufacturadores

Clases de redes FieldbusEs fácil pensar que un sistema Fieldbus es benéfico para todos los usuarios, pero en la mayoría de las veces este no es el caso.

Existen dispositivos en el campo muy simples como interruptores de proximidad, interruptores tipo limite y algunos actuadores que solo requieren unos cuantos bits de información para comunicarse.

Clases de redes FieldbusAlternativamente existen dispositivos mas complejos como los PLC o las estaciones de los operadores (HMIs) donde se requieren transferir mensajes con longitudes de varios bytes (en algunos casos hasta 256 bytes) .

Se debe seleccionar la red de comunicación que tenga las mejores características para la aplicación.

Las dos opciones existentes en base a la longitud de mensaje a transferir son el Fieldbus y el DeviceNet.

Clases de redes FieldbusEste método de categorización permite colocar a los sistemas Fieldbus y DeviceNet dentro de alguna de las siguientes clases de redes:

1. Bit. Dispositivos de nivel de sensores como el AS-i

2. Byte. Dispositivos de nivel de instrumentos como el Interbus-S, CANbus y DeviceNet

3. Mensaje. Dispositivos de nivel de campo como el Profibus y Foundation Fieldbus.

En los sistemas orientados a bits, se utilizan sensores de proximidad, contactores (interruptores de presión, de flujo, etc.), actuadores neumáticos entre otros. Estos tipos de redes se les denomina red “sensor bus” por la naturaleza de los dispositivos que maneja

Clases de redes FieldbusEn los sistemas orientados a bytes, se utilizan arrancadores para motor, lectores de códigos de barras, transmisores de temperatura y presión, manejadores de velocidad variable entre otros. El sistema se denomina orientado a byte debido a que en el formato en que se transmite la información consta de varios bytes de longitud.

Clases de redes FieldbusLos sistemas orientados a mensajes, son aquellos sistemas que manejan arriba de 16 bytes por mensaje, se usan para interconectar sistemas inteligentes tales como PCs, PLCs, estaciones de ingeniería entre otras, donde comúnmente se realiza un enlace de las redes descritas anteriormente.

El modelo OSI y los sistemas FieldbusEl modelo ISO/OSI es el punto de partida en el proceso de diseño de los sistemas Fieldbus.

Como ya se ha señalado, el modelo OSI especifica y define las interfases necesarias para cada una de sus capas. El modelo que se utiliza en los sistemas industriales es una versión simplificada con solo tres capas: aplicación, enlace de datos y capa física.

En adición a las tres capas del modelo OSI, los sistemas Fieldbus requieren una capa de Usuario.

Las funciones de cada capa son las siguientes:

Capa física. Define los voltajes y las conexiones físicas. La información recibida de la capa de enlace de datos es codificada en información eléctrica de acuerdo al medio físico actual. De forma similar, las señales eléctricas recibidas de los cables son convertidas a información binara antes de pasarla a la capa de enlace de datos.

Capa de enlace de Datos. Define el protocolo y el método a utilizar para detectar errores cuando el mensaje enviado es codificado a un medio físico y cuando el mensaje recibido es decodificado la capa de enlace

El modelo OSI y los sistemas Fieldbus

Capa de Aplicación. Define el contenido del mensaje y los servicios requeridos para dar soporte al proceso de intercambio de información.

Las capas de red y de transporte han sido omitidas en el protocolo Fieldbus. Esto significa que el protocolo no puede realizar conexiones con otras redes Fieldbus como en el caso del protocolo TCP/IP o Ethernet.

InteroperabilidadLa interoperabilidad se encuentra definida como la capacidad de utilizar dispositivos de campo similares pero manufacturados por distintas compañías de tal forma que cuando se realice un reemplazo no se pierda la funcionabilidad o se sacrifique el grado de integración del sistema.

El usuario debe tener la disponibilidad de escoger los dispositivos necesarios para una aplicación aunque estos sean de distintos proveedores, sistemas de control o protocolos.

Sistema No - Interoperable

Sistema orientado a Byte: CANbus

Con la creciente demanda de eficiencia y seguridad del manejo del combustible se fueron adhiriendo mas y mas dispositivos electrónicos como parte del sistema. La tarea de que estos dispositivos pasaran su información entre ellos rápidamente fue rápidamente una necesidad.

Un tipo de bus de datos serial fue desarrollado por la empresa Bosch para cumplir con estas demandas. Fue llamado controlador de área de red o CAN por sus siglas en ingles (controller area network).

Las redes CAN fueron desarrolladas en la industria automotriz en respuesta al creciente uso de los sistemas electrónicos de control en los automóviles.

CANbus

El CAN es una red tipo bus que no requiere un controlador del bus (bus master) o algún método como el token passing para accesar al bus.

Para accesar al bus se utiliza un método único llamado “ bit inteligente de arbitraje no destructivo” (nondestructive bit-wise arbitration).

Este tipo de acceso utiliza el bit de identificación del dispositivo en si para accesar al bus. La prioridad de la estación que se conecta al bus se encuentra determinada por la dirección que se le asigno al dispositivo durante la configuración de la red y por la estación que obtenga el bit de arbitraje para acceso al bus.

La estación con la mas alta prioridad es la que tiene preferencia al acceso del bus.

CANbus

La estación CAN que obtiene el bit de arbitraje continuará transmitiendo su mensaje ininterrumpidamente y sin ninguna corrupción por los intentos de otras estaciones de acceder al bus.

DeviceNet

El protocolo DeviceNet fue desarrollado por Allen-Bradley, es un red de dispositivos de bajo nivel basados en una red CAN. Esta diseñada para interconectar dispositivos de bajo nivel (sensores y actuadores) con dispositivos de alto nivel (controladores).

La capacidad de manejo de varios bytes por mensaje del CAN es aprovechada en este sistema para comunicar mucha mas información por mensaje que los sistemas orientados a bits.

DeviceNet

DeviceNet puede soportar hasta 64 nodos, con un total de 2048 dispositivos. Un cable con cuatro conductores provee ambas cosas voltaje y comunicación.

Existen varios dipositivos que permiten la interconexión de dispositivos de entrada y salida como el que se muestra en la figura.

DeviceNet™ Module from Rockwell Automation

Scanner port

DeviceNetInterconexión de dispositivos utilizando el scanner port de Rockwell Automation .

El método de interfase entre los dispositivos de alto nivel con los dispositivos de bajo nivel es similar al maestro – esclavo, pero con el beneficio de utilizar la rapidez de acceso al bus del CAN original .