Fieldbus y AS-i

En esta tercera entrada sobre protocolos de comunicación típicos de la industria, abordaremos dos protocolos especializados en lograr la conexión de dispositivos de campo para su fácil integración al proceso completo, lo cual es la clave para la puesta en marcha de cualquier proyecto automatizable.

Fig. 1: Logos de Fundation Fieldbus y AS-Interface

Es importante mencionar que no existe una relación estrecha entre estos protocolos a pesar de que su finalidad es la misma, sin embargo, la selección de una tecnología depende de los equipos que deseemos utilizar (o de los cuales dispongamos) en nuestra red de comunicaciones pues siempre será más sencillo ampliar una red basada en un protocolo ya existente dentro de nuestro proceso que, arbitrariamente, forzar la inclusión de uno ajeno a éste.

Al igual que en ocasiones anteriores, mencionaré las especificaciones técnicas de los protocolos indicados y detallaré las que considere importantes.

Foundation Fieldbus

El aspecto más importante a destacar de esta tecnología es que, de forma similar a Profibus, no es un protocolo único con un solo tipo de medio de transmisión, sino que está conformado por una agrupación de protocolos útiles para el control en tiempo real que han sido normalizados bajo el estándar IEC 61158 titulado “Redes de comunicaciones industriales. Especificación de Fieldbus”, el cual se divide en seis partes donde se detallan desde sus generalidades hasta los aspectos más específicos de las diversas capas del modelo OSI (Open System Interconnection – Sistema abierto de interconexión). La última actualización que recibió dicho estándar fue en 2019.

Cabe resaltar que el nombre de “Fundation Fieldbus” nace a partir de que las tecnologías de este protocolo son desarrolladas por una asociación de empresas cuyo fin es lograr la integración de los dispositivos de campo al bus principal de comunicaciones.

Existen dos versiones para el medio de transmisión de este protocolo conocidas como Fieldbus H1 y Fieldbus HSE (High-speed Ethernet – Ethernet de alta velocidad), la primera opera con tazas de transmisión de 31.25 [kbps] mientras que la segunda, al ser de alta velocidad, permite transferencia de información en el rango de 100 a 1000 [Mbps]. Originalmente, Fieldbus se concibió como un reemplazo al estándar 4-20 [mA], sin embargo, hoy coexiste con otros protocolos como Profibus, Modbus y Ethernet IP.

Fig. 2: Medio de transmisión para Fieldbus.

Fieldbus con las siguientes especificaciones:

• Medio de transmisión: par trenzado y fibra óptica
• Velocidad de transmisión de 31.25 [kbps] en par trenzado y hasta 1000 [Mbps] en fibra óptica
• Topologías soportadas: anillo, árbol, estrella, daisy chain (o cadena margarita)
• Control de hasta 32 dispositivos o segmentos
• Distancia máxima de 9500 [m] con 4 repetidores
• Direccionamiento automático de dispositivos al conectarse
• Codificación de información mediante el método Manchester
• Conectores M8 y M12 para par trenzado y RJ-45 para la versión HSE

Fig. 3: Conectores para Fieldbus (de izquierda a derecha M8, M12 y RJ45).

Si bien todas las especificaciones se entienden a la perfección, creo que es importante mencionar en qué consiste la codificación Manchester pues es muy distinta a las que hemos mencionado anteriormente.

Codificación Manchester

Es un método de encriptado para señales digitales que se vale de a detección de flancos de bajada y de subida para combinar los valores propios de la señal con el reloj (o tren de pulsos) de la misma, es decir, coexisten la variable dependiente y la independiente. La interpretación de dicha señal es tal que un flanco de subida representa un 0 lógico y, por el contrario, un flanco de bajada es un 1 lógico en los datos.

Fig. 4: Codificación Manchester.

Para lograr la sincronización de los dispositivos de campo primero se transmite un preámbulo que es equivalente a un timbrado de telefónico, además, se envían delimitadores al principio y final de cada transmisión de datos de campo los cuales no se codifican para lograr ser identificados por todos los dispositivos.

Fig. 5: Sincronización de dispositivos bajo la codificación Manchester.

AS-Interface

Siendo iniciado a finales de 1989, este proyecto fue llevado a cabo por una asociación de 11 empresas fabricantes de sensores y actuadores, conceptualizándose como un sistema maestro simple (único para toda la red) que actualizaría los datos de todos los dispositivos de campo (también llamados esclavos) y realizaría iteraciones de lectura a un tiempo fijo de 5 [ms].

La importancia de AS-i recae en la fácil integración de los elementos de campo al bus principal, esto se debe a que el usuario no debe realizar ningún ajuste a los equipos, como pueden ser derechos de acceso o velocidad de transmisión; aunque sí se pueden configurar las direcciones de cada elemento con la finalidad de ser fácilmente identificables al realizar la programación.

Red AS-i

Una red industrial basada en este protocolo cuenta con 4 componentes esenciales que son los siguientes:

Maestro AS-i: componente encargado de recolectar y transmitir información entre el PLC y los dispositivos de campo.

Fig. 6: Modulo CP 342-2 para el PLC SIMATIC S7-300 de Siemens.

Esclavos: En este apartado encontramos los típicos dispositivos, sectores y/o actuadores.

Fig. 7: Dispositivos de campo.

Cable AS-i: Siendo éste la parte con mayor atractivo visual del protocolo, AS-i cuenta con un cable bifilar engomado con un perfil (o muesca) para impedir la equivocación de su polaridad. Existen 3 versiones de éste, amarillo que se encarga de transmitir los datos de toda la red y la alimentación a los sensores conectados en la misma, adicional a esto y para los actuadores que necesitan alimentación adicional existe el cable negro que funciona a 24 [VDC] o el cable rojo a 230 [VAC].

Fig. 8: Cables de AS-i.

Cabe resaltar que este cable es auto-cicatrizante y no requiere de ningún tipo de alteración pues los dispositivos bajo este protocolo tienen conectores tipo “vampiro”, es decir, que al cerrar su compartimiento de conexión “se aferran” al hilo correspondiente según su polaridad. Esto se puede apreciar en el siguiente vídeo (minuto 1:48):

Vid. 1: Acoplamiento de dispositivos AS-i.

   

Fuente de alimentación: elemento que suministra voltaje entre 29.5 [V] y 31.6 [V] en corriente directa, además de que se vale del acoplamiento integrado de datos y alimentación para realizar las esas dos funciones la transmisión se realiza forma de tren de pulsos. En caso de requerir el cable negro para los actuadores, es posible utilizar una fuente de alimentación normal a 24 [VDC] que tenga protección a tierra.

Fig. 9: Módulo 3RX9 501-0BA00 de Siemens.

Si bien los elementos anteriores son indispensables, existen otros tres que permiten ampliar la red en caso de requerirlo, estos son:

Repetidores: Permiten ampliar la red hasta 300 [m] (originalmente tiene un alcance de 100[m]), el protocolo solo permite un máximo de 2 repetidores en serie.

Fig. 10: Módulo BWU1273 de Bihl+Wiedemann.

Pasarelas: Esto aplica en sistemas de control más complejos pues este tipo de elementos nos permiten acceder a redes superiores (siendo Profibus una de ellas) para realizar el envío de información.

Fig. 11: Módulo BWU2579 de Bihl+Wiedemann.

Dispositivo direccionador: permite dar identificadores a los dispositivos nuevos, dichas direcciones pueden ir de los bits 1 al 31 pues el 0 es el valor por defecto que se asigna al realizar una nueva conexión.

Fig. 12: Dispositivo direccionador de Siemens, modelo 3RK1904-2AB02.

Finalmente, las topologías de red que pueden realizar empleando AS-Interface son árbol, línea o estrella. Esto se debe a la dualidad “maestro-esclavo”.

Conclusiones

Si bien otro tipo de protocolos tratan de otorgar soluciones en los distintos niveles de la pirámide de automatización, considero que esa posible “ambición” lleva a que los protocolos no sean tan uniformes y si bien esto les permite hacer frente a las distintas interrogantes del sector industrial, existe una repercusión en los usuarios y operarios encargados de la puesta en marcha de un sistema automatizado pues incrementa el número de consideraciones a realizarse cuando se planifica su elaboración. Esto nos regresa a los protocolos mencionados anteriormente que, a pesar de tener distintas variantes para las soluciones a cubrir, no pierden el enfoque de ser especializados para los dispositivos de campo, que son aquellos que interactúan y transforman la materia prima de un proceso. Sabemos que ningún nivel de la mide es independiente de los otros y, por eso mismo, cada uno recibe la atención adecuada, sin embargo, considero que el facilitar la integración de los dispositivos de bajo nivel otorga mayor flexibilidad al proceso y permite su desarrollo natural.

-AHN