La automatización industrial ha experimentado una transformación radical con la migración de los esquemas de control tradicionales, caracterizados por un cableado individual para cada dispositivo, hacia sistemas de bus de comunicaciones. Estos sistemas enlazan múltiples dispositivos a través de un único cable, reduciendo significativamente la cantidad de hilos y cables necesarios. En este panorama, el Foundation Fieldbus emerge como uno de los protocolos de comunicación más populares y extendidos, ofreciendo una solución robusta para la interconexión de dispositivos de campo.
La Arquitectura de Foundation Fieldbus: H1 y HSE
Fieldbus, una iniciativa desarrollada y gestionada por la Fieldbus Foundation, un consorcio de fabricantes de equipos de automatización, sensores y actuadores, abarca dos protocolos principales diseñados para satisfacer las diversas demandas de los entornos de fabricación automatizada. Ambos protocolos emplean medios físicos y velocidades de comunicación distintos.
El primer protocolo es el H1, que opera a una velocidad de 31,25 kb/s. Este protocolo se destina principalmente a la conexión de dispositivos de campo como sensores, actuadores, válvulas, luces de control y unidades de entrada/salida (E/S). Una de sus características distintivas es la capacidad de comunicación bidireccional entre los dispositivos y el controlador, además de proporcionar tanto la comunicación como la alimentación eléctrica a través de un sistema de dos cables. Para minimizar las interferencias de ruido en la red, se recomienda el uso de cableado de par trenzado apantallado.
El segundo protocolo es HSE (High-Speed Ethernet), que funciona a 100 Mb/s. Este protocolo se emplea generalmente para conectar controladores de alta velocidad, como los Controladores Lógicos Programables (PLC), subsistemas H1 (a través de un dispositivo de enlace), servidores de datos y estaciones de trabajo. Si bien HSE ofrece una mayor velocidad, la presente nota se centrará en las funcionalidades y el diagnóstico del protocolo H1.
Estructura de Red Fieldbus H1: De lo General a lo Particular
Una configuración típica de una red Fieldbus H1 se compone de un cable de red principal que interconecta una serie de cajas de conexiones o acopladores. Estos acopladores actúan como puntos de conexión, permitiendo que los dispositivos y el controlador se enlacen al cable principal, también conocido como línea troncal. Los cables más cortos que conectan las cajas de conexiones con los dispositivos individuales se denominan derivaciones.
Las cajas de conexiones pueden diseñarse para conectar uno o varios dispositivos a la línea troncal. Cuando cada dispositivo dispone de su propia caja de conexiones dedicada, se habla de una topología de derivaciones. Si, por el contrario, varios dispositivos se conectan a la misma caja de conexiones, la configuración se denomina topología en árbol. En la práctica, las redes mixtas, que combinan topologías de derivaciones y en árbol, son las más comunes, ofreciendo una flexibilidad considerable en el diseño de la red.
Si bien teóricamente es posible tender la línea troncal directamente entre dispositivos sin necesidad de cajas de conexiones (una configuración conocida como cascada), la experiencia práctica ha demostrado que este enfoque presenta inconvenientes. La topología en cascada implica una interrupción de la línea troncal cada vez que se añade o se retira un dispositivo de la red, lo que puede complicar el mantenimiento y la expansión.
Limitaciones y Consideraciones de Diseño en Redes Fieldbus
La tecnología Fieldbus impone ciertas limitaciones en cuanto al tamaño de una red. La longitud máxima combinada de la línea troncal y todas sus derivaciones es de 1.900 metros (aproximadamente 6.250 pies) por sección. Para superar esta limitación, se pueden añadir secciones adicionales mediante el uso de repetidores. Al insertar un repetidor en lugar de un dispositivo, se pueden extender hasta 1.900 metros adicionales de cableado. Una red Fieldbus puede albergar un máximo de cuatro repetidores, lo que permite alcanzar una longitud total de hasta 9.500 metros.
Es fundamental prestar atención al apantallamiento del cableado. Este debe conectarse a la resistencia de tierra en un único punto de todo el sistema. La conexión del apantallamiento en múltiples puntos puede generar tensiones y corrientes de dispersión que interfieren con la comunicación de datos.
El número máximo de dispositivos Fieldbus que se pueden conectar por cada sección de la red es de 32.
Alimentación y Terminación en Redes Fieldbus H1
La correcta alimentación eléctrica es crucial para el funcionamiento de una red Fieldbus H1. Se requiere una fuente de alimentación de CC para proporcionar la corriente o tensión de polarización necesaria. Si la fuente de alimentación de CC se conecta directamente a la línea troncal, se produciría un cortocircuito para las señales de CA. Por lo tanto, la red debe incorporar una fuente de alimentación conforme a Fieldbus, que consiste en una fuente de CC con un filtro dedicado. Este filtro permite el paso de la corriente de CC con una mínima pérdida, al tiempo que presenta una alta impedancia a las señales de CA de la red.
La línea troncal actúa como una línea de transmisión, donde la velocidad de propagación de las señales de CA es un factor importante. Para garantizar la integridad de la señal, la línea troncal debe contar con terminadores apropiados en cada extremo, y únicamente en los extremos. Estos terminadores consisten en resistencias con una impedancia igual a la impedancia característica del cable, generalmente de 100 ± 20 Ω. Dado que la red también soporta una tensión de alimentación de CC, los terminadores deben incluir condensadores en serie para evitar el flujo de corriente de CC.
Diagnóstico de Redes Fieldbus H1: Identificación de Anomalías
La resolución de problemas en una red Fieldbus H1 puede facilitarse mediante el uso de herramientas de diagnóstico como el Fluke ScopeMeter. A continuación, se detallan algunos conceptos básicos de diagnóstico, con énfasis en la detección de reflejos, un fenómeno que impacta negativamente en las comunicaciones.
Detección de Reflejos
Los reflejos en una red se producen cuando una señal eléctrica se propaga por un cable y se encuentra con una discontinuidad o un cambio en la impedancia. Esta discontinuidad provoca que parte de la señal se "refleje" y regrese hacia la fuente. En una red Fieldbus, cualquier anomalía, desde cortocircuitos y conexiones defectuosas hasta la adición de dispositivos no deseados, puede generar reflejos.
Consideremos el caso de aplicar una tensión tipo escalón al principio de un cable largo con un cortocircuito en el otro extremo. Inicialmente, la tensión aplicada se propaga por el cable a una velocidad determinada por sus características. En los cables Fieldbus H1, esta velocidad es aproximadamente dos tercios de la velocidad de la luz en el vacío, es decir, alrededor de 2 x 10⁸ m/s.
Al alcanzar el cortocircuito, el nivel de tensión cambia abruptamente a cero. Este cambio se manifiesta como un escalón de tensión de polaridad inversa que viaja de regreso hacia la fuente. El tiempo que tarda esta señal reflejada en regresar al punto de origen es crucial para el diagnóstico. Este tiempo es directamente proporcional a la longitud del cable y a la velocidad de la señal. Para una línea troncal de longitud máxima de 1.900 metros, el tiempo de ida y vuelta de la señal reflejada puede ser de hasta 19 μs.
Dado que una red H1 Fieldbus opera a 31,25 kb/s, con un ciclo de reloj de 32 μs, la presencia de anomalías en el cable puede generar reflejos que se observan como pulsos retrasados hasta 19 μs. El tiempo de reflejo real dependerá de la distancia entre la fuente del pulso y la anomalía.
Si bien un cortocircuito completo produce un reflejo de máxima amplitud, cualquier perturbación en la homogeneidad de la línea, como una conexión deficiente o la adición de un dispositivo con impedancia inadecuada, puede generar un reflejo. La amplitud de este reflejo dependerá de la naturaleza de la anomalía.
Para asegurar comunicaciones de red fiables, es imperativo evitar los reflejos y mantener conexiones de cableado adecuadas. Esto incluye la correcta aplicación de un único terminador en cada extremo de cada sección troncal.
Codificación y Generación de Señales Eléctricas en Fieldbus
Fieldbus utiliza la codificación Manchester para la transferencia de datos digitales. En este esquema, el dígito "1" se representa mediante un flanco ascendente en la mitad de un ciclo de reloj (medio bit), mientras que el dígito "0" se codifica con un flanco descendente. Esta técnica de codificación ofrece ventajas significativas, como la facilidad para regenerar la señal de reloj en el extremo receptor.
La codificación Manchester da lugar a impulsos de una duración de medio ciclo de reloj o de ciclo completo, en contraste con la secuencia de bits original que puede incluir impulsos de uno o varios ciclos completos. La tensión resultante en el bus se puede esquematizar, y un registro de la forma de onda real de un paquete de datos, con la tensión de CC de polarización filtrada, ilustra la señal transmitida.
Desde el punto de vista eléctrico, la línea troncal de Fieldbus se comporta como una línea de transmisión. Si se pudiera acceder a los dos hilos del cable en cualquier punto, se observarían dos secciones de cable que se extienden en direcciones opuestas. Eléctricamente, estas secciones parecen conectadas en paralelo, lo que resulta en una impedancia observable en cualquier punto de la línea que es la mitad de la impedancia característica del cable (aproximadamente 50 Ω en una caja de conexiones).
La señal del bus se genera aplicando una corriente diferencial en el sistema de dos hilos. La amplitud pico a pico nominal (Vpp) de la señal generada por cualquier dispositivo Fieldbus debe ser de al menos 750 mVpp, según las especificaciones. Idealmente, esta sería también la amplitud de la señal recibida por los dispositivos. Sin embargo, la atenuación en la red provoca que la señal de entrada sea generalmente menor. Las especificaciones de Fieldbus exigen que los dispositivos funcionen correctamente con señales de entrada de al menos 150 mVpp. Una amplitud de señal que supere los 1.000 mVpp suele indicar un error en la red, como la ausencia de un terminador.
Impacto de Anomalías en la Señal Eléctrica
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 esta carga adicional se conecta en paralelo a la impedancia del cable. Una menor impedancia del bus se traduce directamente en una menor amplitud de las señales del bus. Dado que las señales del bus son esencialmente impulsos, esta carga adicional actúa como una discontinuidad en la línea de transmisión, generando reflejos de los impulsos originales. Estos reflejos distorsionan la forma de onda del impulso, lo que puede llevar a una detección incorrecta de la señal.
Por ejemplo, si se conecta un tercer terminador, la impedancia total de la red y la amplitud de la señal descienden a dos tercios del valor nominal. Esta pérdida de señal provoca impulsos más distorsionados, dificultando la correcta detección de la señal.
Soluciones de Interfaz y Control con Relés Fieldbus
Los relés de interfaz y optoacopladores de ABB ofrecen una solución para la conversión de tensión fiable entre los periféricos del sistema y los sistemas de control de nivel superior. Estos relés aseguran una conmutación de señales fiable para todo tipo de máquinas y proporcionan aislamiento eléctrico para componentes electrónicos sensibles, como los autómatas programables. Diseñados para entornos exigentes, los relés de interfaz de ABB presentan una amplia gama de tensiones de bobina y módulos funcionales enchufables. Además, son respetuosos con el medio ambiente, ya que su selección y producción de materiales carecen de cadmio y plomo, cumpliendo así con la directiva ROHS.
El relé Fieldbus FRI302 de ABB es un ejemplo destacado. Este relé se puede montar directamente en campo, cerca de equipos convencionales, eliminando la necesidad de tender cableado convencional hasta la sala de control. El FRI302 proporciona salidas discretas convencionales, lo que facilita la configuración de estrategias de control. Una extensa biblioteca de bloques de funciones permite que el FRI302 ejecute funciones lógicas y de control dentro del sistema, integrándose con salidas discretas. Los bloques de funciones instanciables ofrecen una gran flexibilidad en las estrategias de control, permitiendo la implementación de lógicas simples o complejas directamente en el dispositivo de campo, convirtiéndolo en una parte integral del sistema de control.
Para aprovechar plenamente los beneficios de los bloques de funciones en el dispositivo de campo, se recomienda encarecidamente el uso de un sistema Foundation Fieldbus genuino. El FRI302 puede albergar hasta 20 bloques de funciones instanciables dinámicamente, lo que abre un abanico de posibilidades para optimizar el rendimiento y la eficiencia de los sistemas de automatización industrial.