PROFIBUS es un estándar de bus de campo abierto, independiente de fabricantes, de origen alemán, que cumple con el estándar europeo EN 50 170, a partir de la norma alemana DIN 19 245 9. Se emplea para la interconexión de dispositivos de campo de entrada/salida simples con PLCs y PCs. Posee un amplio rango de aplicaciones en automatización de procesos. Este artículo tiene como objetivo ofrecer la información necesaria sobre las redes PROFIBUS, analizando sus tipos, funcionamiento, diferencias con PROFINET y la aplicación del IIoT. Después de leer este artículo, estará preparado para mejorar su red o, si aún no dispone de ella, conocerá toda la información esencial para planificar su implantación en su planta industrial.
En este sentido, es importante destacar que la comunidad de usuarios de PROFIBUS crece día a día. PROFIBUS es una red digital diseñada para garantizar la comunicación entre los sensores de campo con el sistema de control o con los distintos controladores. Al principio, el grupo de interés desarrolló PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification). Se trataba de un protocolo complejo que ya no se utiliza hoy en día. Hoy en día, cuando hablamos de PROFIBUS, distinguimos entre PROFIBUS DP y PROFIBUS PA.
PROFIBUS DP: Alta Velocidad para Periferia Descentralizada
Como ya se ha mencionado, en el mercado encontrará PROFIBUS DP y PROFIBUS PA. La red PROFIBUS DP se desarrolló como una solución rápida basada en una capa física RS485 y la norma europea EN-50170. La capa física no tiene por qué ser de cobre: también puede ser inalámbrica o de fibra óptica. El nombre de PROFIBUS DP hace referencia a "periferia descentralizada". Se refiere a las conexiones de E/S, que utilizan una comunicación serie de alta velocidad completamente descentralizada para conectarse a un controlador central.
También es importante señalar que el protocolo PROFIBUS DP se fundamenta en el modelo de Interconexión de Sistemas Abiertos (OSI), definido por la norma ISO 7498, y que cada una de sus capas cumple funciones específicas. La red PROFIBUS DP es una red multimaestro basada en token, lo que significa que, cuando existen dos o más maestros en el sistema, el token que otorga el derecho a comunicarse con los equipos de campo se va transfiriendo entre ellos, de modo que cada maestro dispone de una parte del tiempo de comunicación.
Hay dos clases de maestro. Master Class 01 transmite información cíclica para controlar el proceso. Master Class 02 (opcional) transmite información acíclica y se utiliza en los diagnósticos, las alarmas y la configuración de equipos. En cuanto a la velocidad, la red funciona a 9,6 kbp/s hasta 12 Mbp/s en un sistema de 100 a 1000 metros. En cuanto a la topología, las redes PROFIBUS DP son lineales y se utilizan puertas de enlace, repetidores y terminadores. Por último, las redes DP pueden incluir un perfil ProfiSafe y utilizarse en aplicaciones de seguridad SIL3.
El controlador central (maestro) lee de forma cíclica la información procedente de los esclavos y escribe la información de salida en los esclavos. El tiempo de ciclo del bus debe ser más pequeño que el tiempo de ciclo del programa del PLC central (para la mayoría de aplicaciones es de 10 mseg.). Además, Profibus DP proporciona funciones poderosas para diagnósticos y configuración en las transmisiones de datos de usuario cíclicas. Profibus DP permite sistemas mono-maestro y multi-maestro. Esto proporciona un alto grado de flexibilidad durante la configuración del sistema, pudiendo conectar hasta 126 dispositivos (maestros o esclavos) en un bus.
La descripción de la configuración del sistema consiste en el número de estaciones, la asignación entre la dirección de la estación y las direcciones de las entradas/salidas, el formato de los datos de entrada/salida, el formato de los mensajes de diagnóstico y los parámetros del bus usados.
- DP maestro clase 1 (DPM1): Controlador central que intercambia información con las estaciones descentralizadas (DP esclavos) con un ciclo de mensaje específico.
- DP maestro clase 2 (DPM2): Son programadores, dispositivos de configuración y operadores. Se usan para la identificación de la configuración del sistema DP o para el funcionamiento y supervisión de operaciones.
En los sistemas mono-maestro, sólo se encuentra activo un maestro en el bus durante la fase de operación, siendo el controlador programable el componente de control central. Los DP esclavos distribuidos son enlazados mediante el bus. Estos sistemas presentan el tiempo de ciclo más corto.
En la configuración multi-maestro se conectan varios maestros al bus. Estos maestros son subsistemas independientes consistentes cada uno en un DPM1 maestro y sus correspondientes DP esclavos (o dispositivos adicionales). Las imágenes de las entradas y las salidas de los esclavos pueden ser leídas por todos los DP maestros. Sin embargo, sólo un DP maestro (el asignado durante la configuración) puede tener acceso de escritura en las salidas.
PROFIBUS DP y la Seguridad
Por último, las redes DP pueden incluir un perfil ProfiSafe y utilizarse en aplicaciones de seguridad SIL3. Esto significa que PROFIBUS DP es capaz de gestionar funciones de seguridad críticas, garantizando la integridad y fiabilidad de las operaciones en entornos industriales donde la seguridad es primordial. La implementación de ProfiSafe permite la transmisión de señales de seguridad a través del mismo bus de comunicación PROFIBUS DP, simplificando la infraestructura y reduciendo costes, al tiempo que se cumplen los más altos estándares de seguridad funcional.
PROFIBUS PA: Comunicación Robusta para Entornos de Campo
Inicialmente, el protocolo PROFIBUS PA se desarrolló como una evolución de la comunicación HART. Está diseñado para aplicaciones de campo en las que se precisa que exista una comunicación entre los instrumentos de medida y el sistema de control. PROFIBUS PA utiliza pares trenzados apantallados tanto para la alimentación como para la transmisión de datos. Su estructura física de red cumple la norma IEC-61158-2 y la velocidad de transmisión de datos en la red es de 31,25 kbit/s. En realidad, es prácticamente idéntico a FOUNDATION Fieldbus H1: ambos se basan en la misma norma.
En el momento de su desarrollo, 31,25 kbit/s era más que suficiente (y sigue siéndolo) para el tipo de información que envían y reciben los instrumentos de campo. Los equipos PROFIBUS PA no se conectan directamente al controlador. En su lugar, se integran en la red PROFIBUS DP, que opera a mayor velocidad, y se accede a ellos a través de un acoplador o enlace. Este acoplador/enlace actúa como interfaz de red y, además, suministra la alimentación al bus.
Lo mejor de las redes PA es que pueden diseñarse para ser intrínsecamente seguras, lo que permite que los instrumentos conectados puedan operar en áreas de peligro. Por lo general, un bus intrínsecamente seguro admite menos equipos que una red convencional, si bien depende de varios factores que determinan el número óptimo de equipos en cada caso.
Las redes Profibus PA permiten la conexión de transmisores de presión, nivel, caudal, temperatura, PH, posicionadores entre otros, en un bus, incluso en zona con riesgo de explosión, con la capacidad de llevar la energía de alimentación de los instrumentos a través del mismo par de cables encargado de la transmisión de datos. De este modo, es posible disponer de soluciones de instrumentación, monitoreo y accionamientos en un solo cable con una sola herramienta de configuración y diagnóstico, ya que toda red Profibus PA implica la existencia de un maestro clase I único de Profibus DP, que también puede ser redundante al cual se conecta a través de una interfaz o acoplador.
El bus PA utiliza únicamente lazos de corriente y es apto para trabajo en zonas “Ex”. Las funciones acíclicas que soporta el protocolo PA permiten la parametrización de los instrumentos a través de un Maestro clase II. Un esclavo PA puede ser visto como un esclavo DP (conectado al bus DP a través del conversor), es decir, puede ser uno de los 126 participantes que la norma DP admite, o puede estar conectado a un link DP/PA, al cual hasta 31 instrumentos PA pueden vincularse.
PROFIBUS FMS: El Protocolo Universal para Tareas Intensivas de Datos
PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification), es un perfil de comunicación capaz de manejar todas las tareas intensivas de transferencia de datos muy comunes en las comunicaciones industriales, por lo que se le considera la solución universal para la transferencia de información en el nivel superior y de campo del modelo jerárquico de automatización. Es la solución general para tareas de comunicación a nivel de control. Los potentes servicios FMS abren un amplio rango de aplicaciones y proveen de gran flexibilidad. Está concebido para comunicar elementos de campo complejos que dispongan de interface FMS. Una de sus grandes ventajas es que permite la comunicación de datos de sistemas de automatización de distintos fabricantes. Permite solucionar también, de forma descentralizada y precisa, tareas generales de regulación y medición, además de las tareas de control de movimiento.
Opciones de Conectividad en Redes PROFIBUS
El mercado ofrece una amplia gama de componentes de red PROFIBUS para tecnología de transmisión eléctrica (de cobre), óptica e inalámbrica.
Redes de Cobre
La red eléctrica o de cobre utiliza un cable bifilar trenzado y apantallado. El puerto RS485 trabaja con diferencias de tensión. Por tanto, es más inmune a perturbaciones que una interfaz que trabaja con niveles de tensión o corriente. En PROFIBUS, las estaciones se conectan al bus a través de un terminal o un conector de bus (máx. 32 estaciones por segmento).
Redes Ópticas
La red óptica utiliza cables de fibra óptica como medio de transmisión. La fibra óptica está provista de un revestimiento de protección (coating), muchas veces se denota con el término "fibra". Las redes ópticas son especialmente adecuadas para grandes distancias y pueden utilizarse cables de plástico, PCF o vidrio.
Redes Híbridas
Las redes híbridas combinan las ventajas de las redes de cobre y las redes ópticas, permitiendo una mayor flexibilidad y alcance en la topología de la red.
PROFIBUS vs. PROFINET: Evolución hacia Ethernet Industrial
Podemos considerar que PROFINET puede considerarse una evolución del protocolo PROFIBUS. Hoy en día, en la industria se utilizan protocolos basados en Ethernet (IEEE 802.3) y en el modelo OSI. PROFINET puede aplicarse desde los niveles de control hasta la comunicación en campo, proporcionando una red uniforme y vertical, además de incorporar todas las ventajas de las tecnologías de la información en las áreas de producción de la empresa. Actualmente, numerosos fabricantes ya ofrecen instrumentos de campo con un protocolo nativo basado en Ethernet. Otra ventaja que ofrece su adopción es que este tipo de protocolo resulta sencillo de implementar, ya que se apoya en un modelo ampliamente conocido y requiere una infraestructura de bajo coste.
PROFINET no debe considerarse como PROFIBUS Ethernet. PROFINET es un estándar abierto basado en Ethernet y una evolución del protocolo PROFIBUS. Una ventaja significativa de PROFINET es su coexistencia nativa con TCP/IP, lo que aporta ventajas adicionales. Todos los equipos se integran en una única red en la que se llevan a cabo las funciones de control, diagnóstico y otras tareas relacionadas. Normalmente no se necesitan puertas de enlace. La normativa permite construir la red de muchas formas distintas, por ejemplo, en anillo, línea, árbol, estrella, etc. PROFINET funciona a velocidades de hasta 1.000 megabits por segundo, y los cables pueden tener hasta 100 metros de longitud. Gracias a su funcionamiento a alta velocidad, ofrece un tiempo de respuesta inferior a 1 milisegundo.
Cuando hablamos de PROFIBUS, nos referimos a un protocolo de comunicación digital tradicional y ampliamente reconocido, que se ha implantado en numerosas industrias y aplicaciones. PROFINET es un protocolo basado en Ethernet Industrial. PROFINET permite una comunicación más rápida y ofrece un mayor ancho de banda. Esto significa que un mensaje intercambiado en una red PROFINET puede transportar mucha más información que un mensaje en PROFIBUS. Es una de las mejores soluciones disponibles.
PROFINET vs. Ethernet: Complementing or Competing Technologies? - Complete Comparison
La Comunidad PROFIBUS & PROFINET International
PROFIBUS y PROFINET International es una gran comunidad de automatización presente en diferentes partes del mundo. Son responsables de PROFIBUS y PROFINET, dos de los protocolos de comunicación más relevantes del mercado. La organización está trabajando para reducir la brecha de conocimiento sobre el protocolo de campo en las distintas industrias. Organizan actos para hablar de la tecnología y acercar los conocimientos a los usuarios finales.
Aplicación del IIoT en Soluciones PROFIBUS
Algunos usuarios de PROFIBUS implementan la red como si fuera un sistema de 4-20 mA. Sin embargo, es posible aprovechar los datos disponibles en la propia red para entender qué está ocurriendo y actuar antes de que se produzca un problema. La monitorización tradicional puede resultar bastante compleja en algunos casos. Ahora, los servicios IIoT permiten monitorizar fácilmente el estado de los equipos y acceder rápidamente a la información y los documentos de las bases de datos, incluso de forma remota.
Para recopilar la información de diagnóstico y estado del campo, es necesario disponer de la denominada puerta de campo. Un buen ejemplo es el Fieldgate SFG500. Funcionará como un maestro DP de Clase 02, recopilando todos los datos de los equipos de campo. Toda la información de los equipos se transfiere a la nube utilizando un entorno seguro. Aquí puede utilizar distintos tipos de servicios IIoT, como Netilion Health para monitorizar el estado de salud de los equipos de campo. Por último, pero no menos importante, podrá ejercer un mejor control sobre su base instalada.
La monitorización avanzada de la red PROFIBUS, potenciada por soluciones IIoT, permite no solo detectar averías de forma proactiva, sino también realizar diagnósticos detallados desde cualquier ubicación. Esto se traduce en una reducción significativa del tiempo de inactividad y una optimización de los procesos de mantenimiento. La capacidad de acceder a datos de diagnóstico y estado de los equipos de campo en tiempo real, incluso de forma remota, empodera a los equipos de operación y mantenimiento para tomar decisiones informadas y preventivas. La implementación de "puertas de campo" inteligentes, como el Fieldgate SFG500, actúa como un puente esencial entre el mundo físico de la planta industrial y el entorno digital de la nube, facilitando la recopilación y el análisis de datos para una gestión integral de los activos. La posibilidad de utilizar servicios IIoT específicos, como Netilion Health, para el monitoreo del estado de salud de los equipos, proporciona una visión clara y accionable del rendimiento y la fiabilidad de la infraestructura, asegurando así una mayor eficiencia operativa y un control más robusto sobre la base instalada.