Buses de Campo y Wireless

Por José Luis Salinas
InTech México Automatización,
Edición Abril – Junio 2011.

Durante el desarrollo de soluciones en control y automatización hemos visto un gran interés en usar estas nuevas tecnologías lo más pronto posible, principalmente por los diseñadores, planeadores y usuarios, tomando el riesgo de incursionar en soluciones que por muchos son vistas como de prueba; en otro tipo de comentarios, son los conejillos de indias. Sin embargo, a lo largo del tiempo se ha comprobado que la implementación de soluciones innovadoras benefician a los usuarios cuando éstas se encuentran desarrolladas de acuerdo a los estándares.

INTRODUCCIÓN

El uso de nuevas tecnologías es nuestro pan de cada día cuando entramos al tema de plantas sustentables con operación de alta eficiencia. Esto se logra mediante las implementaciones de soluciones que cubran todos y cada uno de los requerimientos de instalación, operación y mantenimiento. Durante los desarrollos de los proyectos se cubren los aspectos de instalación y operación, sin embargo una parte que se torna fundamental para que las plantas operen en forma eficiente y segura está íntimamente relacionada con el tema de mantenimiento. Mientras más información tengamos del proceso, del estado físico de las instalaciones y de los sistemas de control e instrumentos de campo, al mantener a las plantas con operaciones eficientes y con un mínimo de paros no programados, llegamos al objetivo de que: Plantas seguras, eficientes, con un ciclo de vida máximo.

Las tecnologías de Buses de Campo y Comunicación Wireless ofrecen en este caso la oportunidad de tomar la mayor cantidad de datos, ponerlos a disposición de los usuarios y así completar el ciclo de información.

La visión que tenemos en el Comité que me honra presidir, es precisamente hacer la difusión de la información; por supuesto no como parte de lo que puede estar disponible en los instrumentos, sino lo que está como solución, los beneficios en su uso y quizá lo más importante: el darnos la oportuI1idad de implementar “cosas nuevas”.

Si hablamos de soluciones como buses de campo, podemos encontrar básicamente cuatro, dos relacionadas a control modulante y dos a control secuencial/combinatorio.

Control Modulante, asociado a procesos industriales

  • Bus; Foundation Fieldbus Bus;
  • Profibus PA

Control secuencial/combinatorio, asociado a procesos de manufactura

  • Bus; AS-i Interfase
  • Bus; l/O-Link

Aún cuando en el caso de l/O Link es un bus de campo, la disponibilidad de diagnósticos está limitada, sin embargo éste es considerado como tal. Tanto AS-i bus como Foundation Fieldbus y Profibus PA cuentan con diagnósticos que facilitan las tareas de mantenimiento.

Cuando hablamos de comunicaciones del tipo wireless, entramos a un tema que ha generado un gran número de comentarios, debido a lo amplio de la aplicación, básicamente cualquier comunicación que llevamos a cabo a través del medio de transmisión “aire” lo consideramos como wireless en el sentido más amplio, sin embargo, para efectos inmediatos nos enfocaremos al tipo de comunicaciones inalámbricas dentro del control de procesos, ya sean estos del tipo industriales o de manufactura.

BUSES DE CAMPO

¿Cuál es la principal característica de éstos? En principio los definimos como 100% digitales en lo relacionado a la comunicación, enlazan las señales provenientes de los instrumentos de campo y las envían a los sistemas de monitoreo y control. Como se indicó anteriormente, podemos enlazar señales del tipo continuo y del tipo discreto, para lo cual haremos uso de los buses relacionados a este fin.

AS-i interfase:En este caso es un bus de comunicaciones que está relacionado a las señales provenientes de sensores y actuadores discretos, de aquí el nombre (Actuador Sensor Interface).

La siguiente figura muestra la arquitectura básica del bus. En este caso tenemos dos alternativas de comunicar los esclavos de AS-i, la primera es usar un Master AS-i que se coloca directamente en el rack del sistema de control y se comunica con el controlador vía el “back plane”; la segunda es usar en Gateway y enlazar a esta vía un protocolo de comunicación al controlador.

Figura 1. Arquitectura AS-1 bus

Como arquitectura general tenemos:

  • Topologías disponibles: Línea, línea con segmentos, estrella y árbol
  • Hasta 62 esclavos conectados a un bus
  • Máximo número de E/S, 248 Entradas y 186 Salidas
  • Se permite el uso de repetidores y extensores de bus
  • Se requiere de una fuente dedicada AS-i
  • Se puede usar cable redondo o cable estándar de bus
  • El uso de energía externa a esclavos de salidas digítales es permitido
  • La máxima longitud del bus es de 100 metros que son repetidores
  • La máxima longitud del bus es de 560 metros usando 4 repetidores y un extensor de bus.

En este caso los esclavos AS-i pueden ser sensores AS-i, actuadores AS-i o módulos de Entradas, Entradas/Salidas y/o Salidas en combinaciones del número de éstas. Si se usan sólo sensores y actuadores AS-i el número de esclavos es 64, 32 sensores y 32 actuadores, con las direcciones lA, lB, 2A, 2B hasta 31A y 31B.

En el caso de elementos de AS-i que pueden soportar hasta 8 entradas, el número de señales de sensores se incrementa a las 248 disponibles, para el caso de las salidas está limitado al 186 usando elementos de AS-i. Algo importante de resaltar es el tiempo de “scan”, (versión AS-i 2.1) para la versión AS-i 2.1 el tiempo es de 10 ms para escanear las 248 Entradas y las 186 Salidas, por lo que lo hace un bus veloz y confiable.

Una característica adicional es que se considera un bus de voltaje, sin el uso de terminadores, por lo que en caso de que se presente una falla o corte en algún lado del bus, el extremo que permanece conectado no pierde la comunicación y el diagnóstico del Master o Gateway envía una señal de error al control para indicar fallas en los elementos que están en error en este caso desconectados. Por último pero no menos importante mencionaremos que AS-i cuenta con una particularidad, elementos que sean cambiados pueden ser luciones y no las diferencias que hemos en direccionados en forma automática desde el marcado, este punto de vista nos beneficia Master o Gateway.

l/O Link, en este caso se puede considerar este bus como una solución para máquinas en la industria de la manufactura. La arquitectura básica del sistema se muestra en la figura 2.

Figura 2. I/O – Link

En este caso, l/O Link es el enlace perfecto de sensores y actuadores a bajo costo, sin embargo este beneficio se ve afectado cuando hablamos de diagnósticos; si bien es un medio económico de enviar señales, no cuenta con los diagnósticos para verificar el estado de la red.

La arquitectura permite la implementación de esta solución en aplicaciones donde las distancias no son muy grandes, siendo que la máxima distancia permitida son 15 metros entre Masters l/O Link y los dispositivos, la conexión es “estrictamente Punto a Punto” y no existe versión de bus como tal en la forma de enlazar a los dispositivos, sin embargo en la parte superior del bus, se puede utilizar vía Ethernet a cualquier sistema de control.

La arquitectura permite manejar un gran número de sensores y actuadores, sin embargo la restricción punto a punto y las longitudes disponibles hacen un bus para aplicaciones “locales”. Aun cuando el lanzamiento del l/O Link ya tiene algunos años, la incursión en el mercado ha sido hasta la fecha muy pobre o nula, esto posiblemente ocasionado por falta de difusión de la solución. Esperemos que con el inicio del Comité podamos revertir esta tendencia e iniciar con la apertura al uso de esta tecnología.

Buses de Campo Foundation Fieldbus y Profibus PA, en este caso conviene iniciar con las características que los unen a estas dos so tes, vigentes y con un amplio panorama de desarrollo en México.

Es importante mencionar que tanto Foundation Fieldbus y Profibus PA tienen el mismo concepto del medio físico o lo que se conoce como Capa Física o “Physical Layer”, esto es, usan el mismo estándar (medio) para hacer el enlace físico, con las mismas prerrogativas y limitaciones, las mismas fuentes o acondicionadores de señal son usados, los mismos accesorios de protección para la parte eléctrica son usados, el cable es el mismo, por lo que en resumen se puede decir que Foundation Fieldbus y Profibus PA tienen el mismo “physicallayer”, al ser la diferencia el “protocolo de comunicación”. Alguna vez alguien hizo una analogía con la comunicación telefónica, al decir: ” Yo me pude comunicar a China en este momento, sin embargo que me entiendan esa es la diferencia,” esto se repite con estos buses de campo. Se pueden conectar tanto instrumentos Foundation Fieldbus como Profi bus PA en un mismo segmento, se energizan en forma correcta y están protegidos por los medios implementados, sin embargo la comunicación nunca va a poder ser establecida, dado que los instrumentos Fieldbus no se comunicaran con los enlaces Profibus y viceversa. La arquitectura básica se muestra en la figura 3.

Figura 3.

Aun cuando se muestra una solución Foundation Fieldbus, esta misma arquitectura aplica para Profibus PA; en la tabla 1 se muestran las características de cada bus.

Tabla 1.

Estas características son las más representativas, sin embargo no son las únicas. La práctica determina el uso de alguno de estos buses, así como la geografía de la aplicación; es sabido que en Europa la tendencia a usar como protocolo de comunicación Profibus es grande, de ahí el uso predominante de esta solución, sin embargo las tendencias están cambiando en la actualidad y el uso de Foundations Fieldbus en Europa está creciendo, mientras que en América el uso de soluciones Foundation Fieldbus es ampliamente dominante.

Dado que en la mayoría de las aplicaciones de la industria de procesos son consideradas como áreas con peligro de explosión, las soluciones ya no son tan fáciles de implementar; se deben cuidar los aspectos de protección para este tipo de áreas y así cumplir con los estrictos requerimientos, por lo que partiendo del hecho de que la parte física es la misma, las soluciones en áreas explosivas son las mismas.Para esto se muestra la tabla 2.

Tabla 2.

Las soluciones en áreas clasificadas o con Peligro de Explosión son decisión de los usuarios generalmente, la más usada actualmente por sus ventajas es la de Seguridad Intrínseca (Ex “i”) en combinación con el método de seguridad incrementada (Ex “e”), debido a que se obtienen los máximos beneficios del bus, sin descuidar la parte relacionada con las protecciones.

Aunque la Fundación en la parte del Physical Layer no indica limitan tes en cuanto a las aplicaciones, cuando hablamos de áreas clasificadas cuyo método de protección seleccionado es la seguridad intrínseca (IS) nos vemos en la necesidad de considerar la parte de limitación de energía disponible en el campo.

Originalmente la solución IS consideró dos alternativas de implementación, la que dictaba la propia fundación y la que se desarrolló como FISCO Model, para lo cual se desarrollaron soluciones que cumplieran con los requerimientos de cada una de estas.

Por ello se desarrollaron fuentes especiales para este tipo de aplicación, esto es, fuentes del tipo Intrinsecamente Seguras para Entity y para FISCO; las dos diferencias principales son:

  • Fuente Entity: Salida triangular
  • Fuente FISCO: Salida rectangular
  • Energía disponible: 10.6V @70 mA
  • Energía disponible: 12.8V @110 mA

Con esta limitación de energía se reducen tanto el número de participantes en el bus como la longitud total de este. A tal tipo de solución se le conoce como “FULL IS”, esto es que desde la fuente (en cuarto de control o gabinetes) hasta los instrumentos de campo son del tipo Intrínsecos. Esto aplica cuando se tienen áreas clasificadas como Clase 1, División 1 o Zona O y 1. Sin considerar si la soluciÓn es full IS Entity o FISCO la solución se implementa. Si hablamos de la solución Entity, el número de participantes y longítud del bus es limitada a 3 ó 4 instrumentos de campo y una longítud máxima de aproximadamente 560 mts, en el caso de FISCO se incrementan estos valores a 5 ó 6 instrumentos y alrededor de 700 metros como longitud total del bus.

A pesar de que esta solución es práctica y realizable, no obtenemos los beneficios reales del bus; en este caso se puede optar por implementar una solución combinando métodos de protección (como se indica en la tabla anterior), el bus principal tendrá una protección del tipo Seguridad Incrementada (Ex “e”) y las señales de los instrumentos de campo se llevarán a lo que se conoce como Fieldbus Barrier (FBB). Éstas cuentan con 3 tipos de protección para poder ser usadas en áreas clasificadas, la primera y de alimentación es del tipo Ex “e”, la interfase entre la energía del bus principal y las salidas a campo es del tipo Ex “m” y las protecciones de las salidas de campo son del tipo Ex “i”.

Adicional a las técnicas de protección implementadas, las FBB cuentan con protección de cortocircuito y sobrevoltaje. Por último a este tipo de dispositivos de protección se les pueden conectar instrumentos de campo de acuerdo al método Entity y/o FISCO, esto las hace interfases versátiles y que proveen el nivel de protección máximo.

Para concluir, es importante hacer notar que la clasificación de área es de suma importancia para seleccionar correctamente el tipo de protección a implementar. En la tabla anterior se indican las clasificaciones de área en las que se puede efectuar la solución, sin embargo estas se indican de forma general. Para una correcta solución se debe considerar lo siguiente:

a) La clasificación de área es por el método Americano

  • I) Clases, Divisiones y Grupos
  • II) Clases y Zonas

b) La clasificación de área es por el método Internacional

  • 1) Zonas y Grupos

¿Por qué es importante definir esta parte? Esto es debido a que no todos los métodos de protección están reconocidos para ser usados en una determinada clasificación de área.

Sabemos que los temas aquí expuestos requieren de más información y difusión, sin embargo es el comienzo. Como está estipulado en la visión del comité, la difusión de estas tecnologías es la meta, mientras más conocimiento tengamos mejor y más eficientes serán las soluciones implementadas.

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