Demostración Eléctrica de la Resistencia Terminal en un Segmento Fieldbus

El Fieldbus, y en particular el estándar Foundation Fieldbus (FFB), ha revolucionado la automatización industrial al reemplazar el cableado punto a punto tradicional por redes digitales que permiten la comunicación y el suministro de energía a través de un único par de cables. Sin embargo, la correcta implementación y el diagnóstico de estos segmentos requieren una comprensión profunda de sus principios eléctricos. Un escenario común, especialmente en la fase de pruebas y comisionamiento, es la necesidad de verificar el funcionamiento de un dispositivo Fieldbus aislado, lo que a menudo involucra el uso de herramientas portátiles como el Comunicador de Campo Emerson 375. Es crucial entender que este dispositivo, por sí solo, no está diseñado para energizar ni acondicionar un segmento Fieldbus; su función es la de interactuar con un segmento ya existente y operativo.

Fundamentos de Foundation Fieldbus

Foundation Fieldbus H1 y Profibus PA son protocolos de bus de campo digitales que funcionan como alternativas avanzadas a los tradicionales diseños analógicos de 4-20 mA. Estos protocolos permiten la transmisión simultánea de datos de comunicación y energía a través del mismo par de cables. Una red típica de Foundation Fieldbus H1 se compone de una interfaz de bus de campo en el sistema de control (conocida como "Tarjeta H1"), seguida por acondicionadores de energía, acopladores de bus de campo y, finalmente, los dispositivos de campo distribuidos como transmisores y válvulas de control. Todos estos componentes se interconectan mediante un cableado específico.

Las especificaciones clave para la red H1 son:

• Energía y Señal: Comparten el mismo cable.
• Dispositivos por Segmento: Máximo 32 dispositivos de bus de campo.
• Voltaje de Operación: Mínimo 9V, máximo 32V.
• Longitud Máxima del Cable: 1.900 metros (con cableado de par trenzado apantallado).
• Velocidad de Comunicación: 31.25 kHz, utilizando codificación Manchester.

La necesidad de una infraestructura de red robusta y correctamente configurada es fundamental. La tendencia actual en la automatización de plantas industriales se inclina hacia la sustitución de esquemas de control tradicionales, donde cada dispositivo requiere su propio cableado, por sistemas de bus que enlazan múltiples dispositivos a través de un único cable. Una de las ventajas inherentes de un bus de comunicaciones es la reducción significativa en la cantidad de hilos y cables necesarios para conectar los diversos dispositivos a sus controladores. Foundation Fieldbus es uno de los buses de comunicación más populares y ampliamente utilizados en este contexto.

Requerimientos Eléctricos del Segmento Fieldbus

Las redes Foundation Fieldbus H1 operan con un voltaje de Corriente Continua (CC) específico, típicamente entre 9 y 32 VDC, según lo estipulado por la norma IEC 61158-2. Sobre este voltaje de alimentación se superponen las señales de comunicación digital. Para asegurar la integridad de la señal y prevenir la degradación causada por reflexiones, la red debe estar correctamente terminada en ambos extremos con resistencias de 100 Ω. Estas resistencias cumplen la función de adaptación de impedancia.

Además de la terminación, es indispensable la presencia de un acondicionador de energía, o un dispositivo equivalente, que separe la fuente de alimentación de CC de las señales de comunicación. Un acondicionador de energía FFB auténtico emplea inductores para presentar una alta impedancia a las frecuencias de comunicación (31.25 kHz), permitiendo al mismo tiempo el paso de la energía de CC.

Suministro de Energía y Acondicionamiento

La energía requerida por los dispositivos de campo es suministrada por una fuente de alimentación acondicionada a través del propio bus. Esta fuente está diseñada para proveer energía a los dispositivos a la vez que separa los datos mediante filtrado, asegurando que los datos provenientes de los equipos de campo se mantengan junto con la corriente continua suministrada. Un acondicionador de energía típico ofrece un rango de 350 a 500 mA en el bus e incluye aislamiento para prevenir interferencias entre segmentos y problemas de conexión a tierra.

En los segmentos H1, la fuente de poder acondicionada suele estar separada de la tarjeta de interfaz H1. Por otro lado, en los sistemas Profibus PA, el acondicionamiento de energía está integrado en el acoplador DP/PA. Si bien no es estrictamente obligatorio que las fuentes de CC sean independientes por segmento, muchos diseños implementan segmentos aislados mediante convertidores DC/DC. Es una práctica muy recomendable especificar el suministro de energía de forma redundante para permitir el cambio en caliente sin necesidad de detener el bus de comunicaciones. Otra característica importante es la protección contra sobretensión por segmento para salvaguardar el acondicionador de energía y el sistema de control distribuido (DCS) de picos de tensión provenientes del campo.

Para los segmentos Foundation Fieldbus H1, se pueden utilizar acondicionadores redundantes para mejorar la fiabilidad general. Sin embargo, cuando el acondicionador de energía forma parte integral del acoplador Profibus DP/PA, no es posible implementar redundancia de acondicionador, ya que solo se puede utilizar un acoplador (que interactúa con un único maestro en la red) por segmento.

Cálculos de Requerimientos de Energía y Longitud del Segmento

Al determinar la cantidad de dispositivos que pueden conectarse en un segmento de bus de campo, los factores cruciales a considerar son los requerimientos máximos de corriente de cada dispositivo, el consumo de corriente de los dispositivos de conexión y la resistencia del segmento de cable, que genera una pérdida de voltaje en función de su longitud. El cálculo se basa en la Ley de Ohm, asegurando que al menos 9V estén disponibles en el extremo más lejano del segmento, después de deducir todas las pérdidas de voltaje a lo largo del mismo.

Por ejemplo, si se tienen 16 dispositivos que requieren 20 mA cada uno, junto con 2 conexiones, el consumo total sería de 340 mA. Si el segmento utiliza un cable con una resistencia de 44 Ohms/km por lazo y los acondicionadores de energía suministran 25V, la longitud máxima del cable podría ser de 1.100 metros para garantizar los 9V en el extremo final. El voltaje disponible por cable sería de 25V - 9V = 16V.

Muchos usuarios especifican un margen por encima de los 9V mínimos de operación para mitigar problemas derivados de cargas no contempladas o para prever la futura adición de nuevos dispositivos a la red. Otros ingenieros incluyen un margen adicional considerando la posibilidad de fallos en uno o más dispositivos debido a cortocircuitos. Es recomendable que los cálculos de los segmentos se realicen considerando segmentos con alta carga y largos recorridos. Un ingeniero debe sumar todos los requerimientos de energía de los transmisores de campo, válvulas de control y otros dispositivos en el segmento, junto con las pérdidas de carga por longitud y resistencia de los cables, para asegurar que los 9V lleguen a los dispositivos más distantes.

Creación de un Segmento de Prueba Mínimo con el Comunicador de Campo Emerson 375

El Comunicador de Campo Emerson 375 es un dispositivo portátil diseñado para la configuración y solución de problemas de dispositivos Fieldbus. Es importante destacar que este comunicador es un dispositivo pasivo y no suministra energía a un segmento de Foundation Fieldbus. Intentar conectarlo directamente a un dispositivo FFB sin una fuente de alimentación externa y un acondicionamiento de red adecuado resultará en falta de comunicación o en la imposibilidad de encender el dispositivo.

Para configurar un segmento de prueba de banco mínimo para un solo dispositivo FFB utilizando un Comunicador de Campo Emerson 375, se requiere una configuración específica que incluya una fuente de alimentación externa y una resistencia limitadora de corriente.

Componentes Necesarios para la Prueba de Banco

1. Fuente de Alimentación de CC: Debe ser ajustable y capaz de proporcionar una salida de 9-24 VDC.
2. Resistencia Limitadora de Corriente: Una resistencia de 50 Ω, con una potencia nominal de 1/2 Vatio o superior.
3. Comunicador de Campo Emerson 375: Para interactuar con el dispositivo FFB.
4. Dispositivo FFB: El dispositivo que se desea probar.

Configuración del Cableado

La configuración del cableado para este segmento de prueba es crucial. Foundation Fieldbus utiliza un par trenzado donde los mismos dos cables transportan tanto energía como datos. Los componentes se cablean en serie de la siguiente manera:

Fuente de Alimentación de CC (+) --- [Resistencia de 50 Ω] --- Dispositivo FFB (+) --- Emerson 375 (+) (Punta)Fuente de Alimentación de CC (-) --- Dispositivo FFB (-) --- Emerson 375 (-) (Anillo)

Es vital entender que el Emerson 375 se conecta en paralelo a través del dispositivo FFB. La resistencia de 50 Ω se coloca en serie con el cable positivo que va desde la fuente de alimentación al dispositivo.

Procedimiento de Configuración y Prueba

1. Ajuste del Voltaje de la Fuente de Alimentación de CC: Comience ajustando el voltaje de la fuente de alimentación de CC en el extremo inferior de su rango operativo (por ejemplo, 12 VDC).
2. Monitoreo de Corriente: Observe la corriente que fluye a través del circuito.
3. Encendido de la Fuente de Alimentación: Una vez configurado el voltaje, encienda la fuente de alimentación.
4. Conexión del Comunicador de Campo: Conecte el Comunicador de Campo Emerson 375 al segmento.

La Función de la Resistencia de 50 Ω en la Prueba de Banco

La resistencia de 50 Ω en esta configuración de prueba de banco actúa como un sustituto pragmático, aunque no ideal, de un acondicionador de energía Fieldbus completo. Su propósito principal es proporcionar una cierta limitación de corriente y un grado de aislamiento de la fuente de alimentación. Sin embargo, es importante reconocer que no ofrece la impedancia dependiente de la frecuencia que un acondicionador de energía FFB verdadero proporciona mediante el uso de inductores.

Al utilizar esta resistencia, se producirá una caída de voltaje en el dispositivo (V = I * 50 Ω). Es imperativo asegurarse de que el voltaje en los terminales del dispositivo FFB permanezca dentro de su rango de operación especificado, que típicamente es de 9-32 VDC bajo condiciones de comunicación.

La disipación de potencia de la resistencia también debe ser calculada (P = I² * 50 Ω). Por ejemplo, para un dispositivo que consume 30 mA, la potencia disipada sería P = (0.03 A)² * 50 Ω = 0.045 W. Esto indica que una resistencia de 1/2 W es más que suficiente para esta aplicación.

Esta configuración es principalmente una Configuración Solo para Verificación. Es adecuada para verificar la "vida" del dispositivo y la comunicación básica ("¿está vivo?"). Para diagnosticar códigos de falla complejos, errores de comunicación o problemas de integración más profundos, se requerirán herramientas y configuraciones más avanzadas, a menudo bajo la supervisión de un ingeniero profesional con experiencia en ingeniería de control y automatización.

Diagnóstico y Solución de Problemas en Redes Fieldbus

La correcta operación de un segmento Fieldbus depende de la integridad de las señales eléctricas y la ausencia de anomalías que puedan generar reflexiones o distorsiones. Herramientas como el Fluke ScopeMeter permiten realizar procedimientos básicos de diagnóstico y resolución de problemas en redes Fieldbus H1.

Detección de Reflexiones

Las reflexiones en una red pueden afectar negativamente las comunicaciones. Una reflexión ocurre cuando una señal que viaja por el cable encuentra una discontinuidad o un cambio en la impedancia. Esto puede ser causado por cortocircuitos, conexiones defectuosas o incluso la adición de dispositivos que alteran la impedancia del bus.

Cuando una señal de tensión tipo escalón se propaga por un cable y alcanza un punto de impedancia diferente (como un cortocircuito), se genera una señal reflejada que viaja de regreso hacia la fuente. El tiempo que tarda esta reflexión en completarse depende de la longitud del cable y de la velocidad de propagación de la señal (aproximadamente dos tercios de la velocidad de la luz en el vacío para cables Fieldbus H1). En una red H1 que opera a 31.25 kHz (con un ciclo de reloj de 32 μs), las reflexiones de pulsos retrasados hasta 19 μs pueden ser esperadas si existe una anomalía.

Cualquier perturbación en la homogeneidad de la línea puede generar una reflexión. Un cortocircuito completo produce una reflexión de máxima amplitud, pero otras anomalías pueden generar reflejos de menor amplitud. Para garantizar una comunicación de red correcta, es esencial evitar las reflexiones y mantener conexiones adecuadas, incluyendo la correcta terminación del bus en cada extremo.

Codificación Manchester

Foundation Fieldbus utiliza la codificación Manchester para la transferencia de datos digitales. En este esquema, el dígito binario '1' se transmite como un flanco ascendente a mitad de un ciclo de reloj, mientras que el dígito '0' se transmite como un flanco descendente. Esta codificación facilita la regeneración de la señal de reloj en el receptor y permite la transmisión simultánea de datos y energía.

Generación y Amplitud de las Señales Eléctricas

La señal del bus se genera aplicando una corriente diferencial en el sistema de dos hilos. La amplitud pico a pico (Vpp) nominal de la señal generada por cualquier dispositivo Fieldbus debe ser de al menos 750 mVpp, según las especificaciones. Idealmente, esta sería la amplitud recibida por los dispositivos. Sin embargo, debido a la atenuación de la señal en la red, la señal de entrada suele ser menor. Las especificaciones de Fieldbus requieren que los dispositivos funcionen correctamente con señales de entrada de al menos 150 mVpp. Una amplitud de señal superior a 1000 mVpp suele indicar un error en la red, como la ausencia de un terminador.

Anomalías y sus Efectos

La conexión de un dispositivo adicional de baja impedancia al bus en cualquier punto de la red reduce la impedancia total observable en las cajas de conexiones, ya que la carga adicional se conecta en paralelo a la impedancia del cable. Una menor impedancia del bus resulta en una menor amplitud de las señales del bus. Esta carga adicional se manifiesta como una discontinuidad en la línea de transmisión, generando reflejos de los impulsos originales que distorsionan la forma de onda y pueden llevar a una detección incorrecta de la señal. Por ejemplo, la adición de un tercer terminador puede reducir la impedancia total y la amplitud de la señal a dos tercios del valor nominal, lo que dificulta la detección correcta de la señal.

En resumen, la correcta implementación de la terminación de resistencia, el suministro de energía adecuado y la comprensión de los principios eléctricos son fundamentales para el diagnóstico y la solución de problemas en segmentos Fieldbus, asegurando una comunicación fiable y un funcionamiento óptimo de los sistemas de automatización industrial.

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