Buses de campo digitales en instrumentación industrial: Foundation Fieldbus y PROFIBUS
Foundation Fieldbus (FF) y PROFIBUS son dos formatos ampliamente utilizados de
bus de datos en serie para la interfaz entre un procesador central y dispositivos de campo
(sensores/actuadores inteligentes) en sistemas de control de procesos. Tradicionalmente, FF tuvo mayor adopción en
EE. UU., mientras que PROFIBUS se difundió especialmente en Europa.
Foundation Fieldbus (FF) es un sistema de comunicaciones bidireccional, serie y
totalmente digital, usado como red de nivel básico en automatización de planta. Es una arquitectura
abierta, desarrollada y administrada por la Fieldbus Foundation.
Un bus serie utiliza típicamente un par trenzado que permite comunicar un host con múltiples puntos
de monitoreo y actuadores. Aunque puede requerir mayor inversión inicial que el cableado punto a punto, reduce el
tendido de cables, simplifica ampliaciones (plug and play) y habilita diagnósticos más potentes y
mejor precisión que métodos analógicos. El sistema utiliza multiplexación por división de tiempo.
Fig. 1 - Conexión del cable Foundation Fieldbus (FF).
Características principales de Foundation Fieldbus (FF)
Diseñado para necesidades de automatización de procesos.
FF H1 utiliza capa física según IEC 61158-2 (históricamente referenciada también como IEC 1158-2).
Soporta requisitos de seguridad intrínseca, incluido el modelo FISCO.
Protocolo peer-to-peer: dispositivos pueden comunicarse sin host y pueden iniciar comunicaciones.
El control puede residir en el dispositivo de campo, en el host o distribuido.
Si el control está en campo, el host puede desconectarse sin detener el ciclo (según arquitectura/estrategia implementada).
Interoperabilidad mediante descripciones de dispositivos y bloques de funciones.
Direcciones asignables manual o automáticamente; permite detectar/identificar nuevos dispositivos y agregarlos en operación.
Soporta etiquetas de dispositivos y de bloques de funciones.
Incluye reloj distribuido (tiempo real) en el bus y es apto para control en tiempo real con o sin host.
Implementaciones FF
FOUNDATION Fieldbus H1: 31,25 kbit/s; conexión a dispositivos de campo y host; comunicación y alimentación por par trenzado en aplicaciones convencionales o intrínsecamente seguras.
HSE (High Speed Ethernet): 100/1000 Mbit/s; interconecta subsistemas de E/S, host, dispositivos de enlace y gateways. (La alimentación por cable puede depender de PoE).
Una desventaja típica de FF es que una falla del bus (por ejemplo, cable abierto) puede afectar al segmento completo.
Esto puede mitigarse mediante redundancia (bus de respaldo) según criticidad del proceso.
Componentes típicos de un segmento Fieldbus
Tarjeta H1: interfaz de bus (a menudo redundante según aplicación).
PS: suministro general de CC hacia la fuente de alimentación del bus.
FPS: fuente de alimentación de bus (Fieldbus Power Supply) y acondicionador de señal.
T: terminadores (exactamente 2 por segmento: uno en el FPS y otro en el punto más alejado).
LD: dispositivo de enlace para terminar varios segmentos H1 y actuar como gateway hacia una troncal HSE.
Dispositivos de campo: transmisores, transductores, actuadores, etc.
Comparación de características
Comparación de las características de los tipos de bus
Fieldbus (H1)
PROFIBUS
Fieldbus (HSE)
Tipo de bus
Par trenzado (cobre)
Par trenzado (cobre) o fibra óptica
Par trenzado (cobre) y/o fibra óptica
Número de dispositivos
Hasta 240 por segmento (según diseño y condiciones)
Hasta 65.000 segmentos (según arquitectura)
Hasta 127 por segmento
Hasta 65.000 segmentos (según arquitectura)
Ilimitado (según infraestructura/red)
Longitud
1900 m
100 m (cobre) +
24 km (fibra)
100 m (cobre) +
24 km (fibra)
Máxima velocidad Tiempo de ciclo (ms)
31,25 kbit/s
< 600
12 Mbit/s
< 2
100/1000 Mbit/s
< 5
Tabla 1. Comparación general de buses serie en instrumentación y automatización.
PROFIBUS
PROFIBUS (Process Field Bus) es un estándar de comunicación de bus de campo usado en tecnologías de automatización.
Fue impulsado inicialmente en Alemania (finales de los 80) y se publica como parte de IEC 61158.
No debe confundirse con PROFINET (Industrial Ethernet).
Principales características (en automatización de procesos - PROFIBUS-PA):
Diseñado para fabricación discreta y automatización (y en PA, para automatización de procesos).
PROFIBUS-PA utiliza capa física según IEC 61158-2 (históricamente referenciada como IEC 1158-2).
Soporta seguridad intrínseca (incluido FISCO).
En PA, el esquema típico es maestro–esclavo: el dispositivo responde al comando del maestro.
El control reside en el host (en PA), que debe estar presente para operar el control.
Acceso a funcionalidades mediante perfiles estándar y, para funciones específicas, software/descripciones del fabricante.
Direcciones por llaves DIP o configuración por software; para agregar dispositivos, suele requerirse intervención según la práctica de planta.
No proporciona reloj en tiempo real distribuido en el bus (en el esquema descrito).
Variantes PROFIBUS
PROFIBUS DP: periféricos descentralizados; alta velocidad; típico en automatización de fábrica.
PROFIBUS PA: automatización de procesos; 31,25 kbit/s; apto para áreas peligrosas y alimentación por el bus; puede vincularse a DP mediante acopladores.
Conceptos destacados :
Foundation Fieldbus (FF)
(Foundation Fieldbus). Bus de campo digital, bidireccional y en serie, usado para interconectar un host con dispositivos de campo inteligentes en automatización de procesos.
PROFIBUS
(PROFIBUS). Estándar de comunicación de bus de campo para automatización industrial (fabricación y procesos), publicado dentro de IEC 61158.
serial fieldbus
(bus de datos en serie). Red donde múltiples dispositivos comparten un mismo medio (típicamente par trenzado) para intercambiar datos con un controlador/host, reduciendo cableado punto a punto.
twisted pair
(par trenzado). Par de conductores de cobre trenzados que mejora la inmunidad al ruido electromagnético y se usa como medio físico común en buses de campo.
plug and play
(conexión y uso). Capacidad del sistema para detectar e integrar dispositivos nuevos en el bus con mínima intervención, simplificando ampliaciones y puesta en marcha.
time-division multiplexing
(multiplexación por división de tiempo). Técnica donde el bus comparte intervalos de tiempo para que distintos dispositivos transmitan datos, evitando colisiones y organizando el tráfico.
FF H1
(Foundation Fieldbus H1). Implementación de FF orientada a dispositivos de campo, con velocidad típica de 31,25 kbit/s y posibilidad de comunicación y alimentación sobre el mismo par trenzado.
HSE
(High Speed Ethernet). Versión de alta velocidad asociada a Foundation Fieldbus basada en Ethernet (100/1000 Mbit/s) para interconectar subsistemas, hosts y gateways como red troncal.
IEC 61158
(IEC 61158). Norma internacional que define familias de buses de campo; incluye tecnologías como Foundation Fieldbus y PROFIBUS.
intrinsic safety
(seguridad intrínseca). Enfoque de diseño que limita energía eléctrica disponible en campo para evitar ignición en atmósferas explosivas (áreas peligrosas).
FISCO
(Fieldbus Intrinsically Safe Concept). Modelo para simplificar el diseño/validación de segmentos fieldbus en áreas peligrosas, manteniendo límites de energía compatibles con seguridad intrínseca.
peer-to-peer protocol
(protocolo punto a punto entre pares). Modo de comunicación donde dispositivos de campo pueden intercambiar datos entre sí e iniciar mensajes sin depender de un comando específico del host.
master–slave
(maestro–esclavo). Arquitectura típica donde un maestro inicia las comunicaciones y los dispositivos de campo (esclavos) sólo responden a solicitudes del maestro.
device description
(descripción de dispositivo). Archivo/modelo que contiene parámetros, funciones y estructura del equipo de campo, permitiendo a un host configurarlo e interpretarlo de forma interoperable.
function block
(bloque de función). Unidad de software estandarizada en dispositivos/sistemas de control que implementa funciones (medición, control, salida), facilitando estrategias distribuidas.
distributed control
(control distribuido). Estrategia donde parte del control se ejecuta en dispositivos de campo y parte en el host, reduciendo dependencia central y mejorando continuidad operativa.
bus redundancy
(redundancia de bus). Uso de un bus paralelo de respaldo para mantener operación ante fallas del bus principal (por ejemplo, cable abierto), aumentando disponibilidad del proceso.
fieldbus segment
(segmento de bus de campo). Porción física/lógica del bus que agrupa fuente, terminadores y varios dispositivos de campo conectados a un mismo par de comunicación.
terminator
(terminador). Elemento de terminación de línea (normalmente dos por segmento) que adapta impedancias y reduce reflexiones, mejorando integridad de señal en el bus.
linking device
(dispositivo de enlace). Equipo que integra varios segmentos H1 y actúa como gateway hacia una red troncal (por ejemplo HSE), organizando tráfico y conectividad.
