Presentación de Protocolo FIELDBUS para Redes Industriales

1. FIELDBUS
REDES INDUSTRIALES
CARLOS ALVAREZ
107191
MARCO SANCHEZ
104041

2. FIELDBUS
FIELDBUS es el nombre de una familia de
protocolos industriales de redes informáticas
utilizados para redes de control industrial en
tiempo real, estandarizado bajo la norma
IEC61158, como una manera de conectar
los instrumentos en una planta de
fabricación.
Fieldbus puede trabajar en estructuras de
red que normalmente permite la conexión
de topologías de red en cadena, estrella,
anillo, rama, o de árbol.

3. HISTORIA
En los años 40 se empiezan a utilizar los buses de campo cuando la instrumentación
de procesos empezó utilizar señales de presión neumática para monitorear y
controlar dispositivos.
En los años 70, con la introducción de las computadoras, se empezó a controlar y
monitorear los sistemas de instrumentación desde un punto central.
• En septiembre de 1994, dos fundaciones, WorldFIP e ISP (Interoperable Systems Proyect) se
unieron para crear Fieldbus Fundation (FF) con el objetivo de crear un bus de campo internacional
para entornos peligrosos.
• Ya en 1996, la FF contaba con 185 compañías asociadas de entre las más importantes a nivel
global, representando el 90% de la fabricación mundial de productos de instrumentación y control.
• Finalización de las especificaciones del anteproyecto H1, mayo de 1995.
• Demostración de la tecnología H1 en Monsanto Chocolate Bayou, octubre de 1996.

4. El registro de los primeros productos FIELDBUS H1, septiembre de 1998.
Finalización de los proyectos de especificación preliminar del Ethernet de
Alta Velocidad (HSE), septiembre de 1999.
El registro de los primeros dispositivos de enlace HSE, mayo de 2001.
Demostración de HSE y los bloques flexibles de función (ICAR), mayo de
2005.
Finalización de las especificaciones del protocolo SIF, 2005.
Demostración de la Tecnología de SIF en "Shell Global Solutions",
Amsterdam, mayo de 2008.
HISTORIA

5. QUE ES FIELDBUS?
Es una arquitectura abierta para la integración total de la información. Se trata
de un sistema de comunicaciones completamente digital, serie y bidireccional.
Hasta el 2015, se han definido dos versiones:
H1 (31.25Kbps) interconecta equipamiento de campo como sensores,
actuadores y I/O
HSE (100Mbps/1Gbps) provee integración de controladores de alta velocidad
(como PLCs), redes H1, servidores de datos, y estaciones de trabajo.

6. FF es el estándar de una categoría de buses de campo y consiste en un medio de
comunicación digital bidireccional, destinado a comunicar entre sí instrumentación
industrial inteligente. Por tanto, está catalogado como un sistema de comunicación para
sistemas multi agente distribuidos en el ámbito del control de procesos industriales.
QUE ES FIELDBUS?

7. Desde el punto de vista del diseño de sistemas de control
para procesos industriales, los Bloques Función ocupan un
lugar relevante, ya que constituyen las herramientas de
construcción de los algoritmos de control necesarios para
implementar las diversas estrategias objeto del tema a tratar.
Por regla general, un sistema de control consta de áreas de
planta y subáreas. Cada área o subárea está constituida por
módulos de control.
Cada módulo de control está constituido por un conjunto
de Bloques Función capaces de resolver el algoritmo
propuesto. Los bloques función están unidos bajo un orden
causal por medio de líneas de flujo de señal. Cada módulo
de control tiene que ser ubicado al menos en uno de los
lugares físicos o dispositivos FIELDBUS.
QUE ES FIELDBUS?

8. MODELO DE COMUNICACIONES
El modelo de comunicaciones FOUNDATION FIELDBUS tiene tres partes:
• La capa física.
• El enlace de datos y las capas de aplicación.
• La capa de usuario
CAPA FISICA
Esta capa se ocupa de traducir mensajes en señales físicas en el cable, y viceversa.
La capa física también proporciona la interfaz eléctrica común para todos los dispositivos. Los
segmentos FIELDBUS H1 requieren una potencia de CC de 9-32 voltios y aproximadamente 15-20 mA
de corriente por dispositivo. Operan a una velocidad de comunicación de 31.25 kHz. La capa física está
definida por estándares aprobados (IEC 61158-2 y ANSI / ISA 50.02, parte 2). Se puede ejecutar en el
cableado de campo existente a largas distancias, admite dos cables dispositivos, y ofrece seguridad
intrínseca como una opción. En resumen, es una combinación ideal para un típico entorno de
automatización de procesos

9. La Pila de Comunicaciones
El conjunto de capas que van desde el nivel 2 al 7 se suelen denominar de esta
manera. Cumplen el cometido de acceder al medio, codificar y decodificar la
información en paquetes que luego serán enviados o recibidos de la red. Los
dispositivos que quieran ‘'entenderse" deberán utilizar la misma pila.

10. FIELDBUS utiliza una velocidad de comunicación moderadamente alta, debido a
que tiene que dar servicio a sistemas, por ejemplo, de control de lazo cerrado o
variadores de velocidad. El sistema fue diseñado para tener un mínimo de gastos
generales de comunicación para satisfacer las necesidades de control.
Hay varias combinaciones para la capa física, cada uno con sus relativas ventajas.
Todos los dispositivos de un bus deben usar las mismas opciones para la
comunicación, conexión y velocidad de transmisión
Opciones de medios físicos Tasa de transmisión
Alambre 31.25 kbit/s
Fibra óptica 1 Mbit/s
Radio 2.5 Mbit/s

11. PERFIL H1 Y HSE
H1
Transmite a 31,25 Kb/s
Utiliza cable par trenzado hasta 1900 metros sin repetidor
Puede sustituir cable por fibra óptica
Los elementos se conectan al bus mediante un switch, permitiendo hasta 1660
metros de fibra óptica
HSE
Transmite de 100 Mb/s hasta 1 Gb/s
Transmisión de datos a gran escala e integración de sistemas
Utiliza dispositivos Ethernet estándar
Cable estándar par trenzado, con distancias de 100 metros entre dispositivos y
switch
Con cable de fibra óptica se consigue transmisión Full Dúplex a 2,000 metros

12. Con FIELDBUS, los datos digitales se transfieren mediante la codificación
Manchester. Es decir, el dígito 1 se transmite como un flanco de subida en mitad de un
ciclo de reloj (mitad del bit), mientras que el dígito 0 se transmite como un flanco de
bajada. Este mecanismo de codificación presenta varias ventajas frente a la
transferencia de datos binarios directa. Una ventaja importante es que permite
regenerar fácilmente la señal del reloj en el extremo receptor.
CARACTERISTICAS COMUNES DE LOS MEDIOS DE
COMUNICACION

13. CARACTERÍSTICAS DE LOS MEDIOS CABLEADOS
Velocidad Distancia
31.25 kbit/s 1.900 m
1 Mbit/s (modo de Voltaje) 750m
1 Mbit/s (Modo de Corriente) 750m
2.5 Mbit/s 500m

14. ENLACE DE DATOS Y CAPAS DE APLICACIÓN
La segunda parte del modelo de comunicación combina varias tecnologías que juntas controlar la
transmisión de datos en el bus de campo. El enlace de datos y las capas de aplicaciones proporcionan
una forma estándar de "empaquetar" los datos, así como Administrar el cronograma para la
comunicación y la ejecución del bloque de funciones. Permiten el proceso control al tiempo que
proporciona estandarización e interoperabilidad
Las conexiones de Fieldbus se modelan en dos formas:
• El modelo de servidor cliente-servidor, que se utiliza para describir la transferencia de datos acíclicos.
• El modelo de suscripción-editor, que se utiliza para describir la transferencia de datos cíclicos.

15. EJEMPLOS DE SERVICIOS
• Leer el estado del dispositivo.
• Lectura del fabricante del dispositivo, el tipo y la versión.
• Lectura de todo o parte de la configuración.
• Lectura de variables
• Escritura variable.
• Notificar un evento.
• Crear una instancia de bloque.
• Encontrar un índice de la DO de un parámetro.
• Eliminar el bloque.
La intención principal de FIELDBUS es la construcción de aplicaciones que utilizan
bloques de función. Antes de que un dispositivo puede tener acceso a objetos de
comunicación (variables) en otro dispositivo, primero debe saber qué objetos están
disponibles, y su estructura. Esta información puede ser pre-configurada u obtenida del
compañero de comunicación.

16. BLOQUES DE FUNCIONES
Los bloques de funciones son pequeños módulos de software sellados, que tienen
entradas y salidas y una función que relaciona ambas.
Se distinguen tres tipos:
• Bloques de recursos : Relaciona el dispositivo completo (N°serie, Fabricante, Modelo,
etc).
• Bloques transductores : Relaciona las partes (Sensor, material, estatus).
• Bloques de funciones : Relacionan las capacidades de control (AI, AO, PID, PI).

17. La subcapa de acceso de bus de campo FAS (FIELDBUS Access Specification) y la
especificación de mensaje de bus de campo FMS (FIELDBUS Message Specification)
forma la interfaz entre la capa de enlace de datos y la aplicación del usuario. Los
servicios de FAS crean relaciones de comunicación virtual que son utilizado por la capa
FMS de nivel superior para ejecutar sus tareas.
HSE utiliza FDA (Field Device Access).
CAPA USUARIO
La capa de usuario se encuentra en la parte superior de la pila de comunicaciones, donde
le permite interactuar con las otras capas y con las otras aplicaciones. La capa de usuario
contiene bloques de recursos, bloques de transductores y bloques de funciones que
describen y ejecutan: capacidades del dispositivo como control y diagnóstico.
Descripciones de dispositivos habilitados.
El sistema host para interactuar y comprender estos bloques sin programación
personalizada.

18. COMUNICACIONES PROGRAMADAS
Todos los dispositivos y bloques de funciones de FIELDBUS ejecutan y comunican
información de control de proceso en un ciclo repetitivo. El tiempo para este tipo de
comunicaciones esta determinado por un programa maestro en el Link Active Scheduler
(LAS) función de sistema Host.
Esta comunicaciones también llamadas cíclicas, usan un método publicador/suscriptor
estos significa que los datos se mandan al bus y los dispositivos que necesitan de los
datas se suscriben a la transmisión.
Estas comunicaciones son determinísticas siempre ocurren sobre un programa
determinado así la información se transmite y recibe precisamente cuando se transmita.

19. COMUNICACIONES NO PROGRAMADAS
FIELDBUS soporta muchos tipos de información aparte de los datos de control de lazo de
proceso que incluyen Información de configuración de enviada a dispositivos, datos de
alarma, eventos y tendencias, información para los desplegados de los operadores e
información de diagnostico y estado.
Esta información es importante pero no critica por lo que si el siclo de comunicación se
adelanta o se atrasa no hay impacto en el control del proceso. El tiempo flexible le da a
esta una menor prioridad que a las comunicaciones programadas relacionadas con el lazo
de control, sin embargo se reserva una cierta cantidad de tiempo para estas
comunicaciones acíclicas para que el segmento no se carne y se sature de información.
El método “Token Passing” da a cada dispositivos la oportunidad de transmitir mensajes
hasta que termine o hasta que se agote el tiempo asignado.

20. PROGRAMADOR ACTIVO DE ENLACE (LINK ACTIVE
SCHEDULER (LAS))
Mantiene el programa determinístico central para comunicación entre los dispositivos
de un segmento.
Este permite que cada dispositivo transmita datos cíclicos cuando se le programa para
hacerlo.
Los reintentos de mensajes incrementa la fiabilidad de la comunicación.
Si un dispositivo no responde al mensaje “Compel Data” de las volverá a enviar el
mensaje para obligar al dispositivo a publicar su información.
La función de LAS reside en un dispositivo o componente del sistema host en el
segmento.
Si el LAS falla, otro LAS de respaldo ubicado en otro dispositivo o componente del
sistema host toma el control como el programador maestro.

21. Sumario

22. Sumario
 El fabricante es quien decide dónde va situado el control. En el
Maestro (PC,PLC), en el elemento de campo, o entre ambos.
 Los problemas de colisiones quedan a cargo de los switches (Nodos
de interconexión, como en una red Ethernet cualquiera)
 Soporta redundancia en interfaces, y dispositivos H1 y HSE
proporcionan los servicios de:
 Cliente-Servidor: para comunicar elementos de control y dispositivos de
campo.
 Productor-Consumidor: para la transferencia de datos cíclicos entre
Bloques de Función y adquisición de datos.
 Notificación de eventos: para la notificación de alarmas y registros por
parte de dispositivos de campo.

23. CUESTIONARIO
¿En que fecha se implemento por primera vez fielbus?
¿Nombres de los segmentos de bus utiliza y que velocidad de transmisión de datos
tiene cada uno?
¿Qué tipo de cable utiliza fieldbus y cuantos metros máximo puede utilizar sin
necesidad de repetidor?
¿Nombra las capas del modelo de comunicación fieldbus para H1 y HSE?
¿Que función tiene el programador activo de enlace?