Foundation+Fieldbus

¿Que es? ¿Como surge? ¿Tiene diferentes versiones o perfiles ? ¿está normalizada?
 * Introducción(Martin Altamura)**

Es una organización sin fines de lucro que representa el proceso de los principales proveedores de laindustria de automatización y los usuarios finales en todo el mundo, ha tomado un papel de liderazgo en el desarrollo de las comunicaciones digitales y la arquitectura del sistema integrado basado en las normas regionales e internacionales La tecnología de bus de campo se inició en la década de 1970 con los primeros intentos de distribuir la funcionalidad de control sobre el terreno. Con la introducción del sistema de control distribuido (DCS), las plantas de transformación fueron capaces de distribuir procesos de control inteligente en las instalaciones. En ese momento, la mayoría de los dispositivos se comunicaban a los controladores utilizando sistemas neumáticos, 4-20 mA ó señales analógicas. En la década de 1980, fue desarrollando un estándar de comunicación digital para dispositivos de campo. En el ínterÍn, los principales proveedores de control de procesos comenzaron a trabajar en sus propios estándares de comunicaciones digitales. Estos múltiples esfuerzos dieron como resultado un puñado de protocolos que compiten, ninguno de los cuales podrían trabajar juntos.

A finales de 1994 dos consorcios paralelos proveedores, Sistemas Interoperables de Proyectos (ISP) y WorldFIP se fusionaron para formar la Fieldbus Foundation. La fundación organizó programas de desarrollo, llevando a cabo pruebas de campo y estableció en la industria el más riguroso programa de pruebas y el registro de dispositivos de campo. Fabricantes, usuarios finales, instituciones académicas y otras partes interesadas pasaron a ser miembros de la FF. FF fue creado para sustituir las incompatibilidades en las redes y los sistemas con un proceso abierto, plenamente integrado para la arquitectura y la integración de la información distribuida, control en tiempo real en toda la empresa. En poco más de una década, la FF ha alcanzado la condición de estándar de la industria entre los usuarios finales. El éxito de la tecnología FF se encuentra en industrias como la petroquímica, refinación, productos químicos, petróleo y gas, metales y minería, agua y residuos, pulpa y papel, servicios públicos, comida y bebida.

Con la tecnología FF, la interoperabilidad permite que instrumentos provistos por diferentes fabricantes puedan convivir sobre una misma red y comunicarse unos con otros exponiendo toda su funcionalidad. Todos los dispositivos testeados por la Foundation Fieldbus Organization tienen la garantía de compatibilidad. La interoperabilidad se garantiza por una combinación de descriptores de dspositivos (Device Descriptor, DD) y módulos de función, que cada proveedor de instrumentos suministra y el cual es verificado por la FF Organization.

La tecnología FF incrementa la cantidad y tipo de información disponible desde los dispositivos de campo.Además de las variables medidas, los instrumentos poseen funciones específicas para diagnóstico y alarmas, así como indicadores de la calidad de la medición. Los instrumentos se transforman en servidores de datos, que permiten realizar tareas de mantenimiento preventivo, llevar registros de calibraciones, etc. Facilidad de utilización : Las redes FF poseen autosensado de los elementos de cada segmento. Cuando un transmisor nuevo se incorpora a un segmento FieldBus, aparece como “decomisionado” (o sea presente en la red, pero no formando parte de ella) e identificado a través de su MAC Address (un identificador único de cada transmisor). Por medio de una operación sencilla, el instrumento se “comisiona” y puede formar parte de cualquier estrategia de control. Los diferentes perfiles son: Desde un punto de vista empresarial, ofrece una tecnología de ahorro total en costos de instalación, pues esta reduce el cableado. También reduce los requisitos de hardware permitiendo reducir los gastos de capital. F H1 reduce principalmente gastos de operación a través de la mejora en la eficiencia de las plantas, una mejor gestión de activos, y la reducción de requisitos de mantenimiento. Los principales beneficios son los siguientes : • Reducción de cableado. • Múltiples variables en un único canal • Una sencilla integración y un mantenimiento más sencillo • Descarga de firmware, que da la posibilidad de evitar la obsolescencia, dando plantas de campo de vida más larga que otras plantas. • Es el único protocolo de bus de campo digital desarrollado para satisfacer la original IEC 61158. A diferencia de otros protocolos, F H1 dispone de la sincronización de control y la comunicación para períodos sincrónicos. La comunicación y la ejecución de las funciones de control con tiempo muerto se han reducido al mínimo, como así también el ruido. Además, dispone del establecimiento automático de las direcciones, eliminando la necesidad de ajustar manualmente las mismas fuera de línea mediante una herramienta o interruptores DIP, permitiendo de esta manera evitar errores posteriores. F H1 incluye eventos de presentación de informes de diagnóstico y un eficiente proceso de alarmas. La línea de descarga firmware permite actualizar los dispositivos con el fin de permanecer por delante de la curva de lo obsoleto. Por último, un riguroso programa de pruebas de interoperabilidad asegura la calidad de conexión.
 * Foundation H1** es un protocolo bi direccional de comunicaciones, utilizado para la comunicación entre dispositivos de campo y para sistemas de control. Este fue diseñado específicamente para la automatización de procesos.

Ethernet de alta velocidad (HSE - High Speed Ethernet) es ideal para su uso como columna vertebral decontrol. Corre a 100 Mbit / s, esta tecnología está diseñada para los dispositivos, subsistema de integración y de empresa. Soporta todas las capacidades del bus del campo, incluidos los bloques de función estándar y descripciones de dispositivos (DDS), así como la aplicación específica de módulos de función flexible (FFBs) para el proceso de avanzada y discretos / híbridos / lote aplicaciones. F HSE soporta complejas funciones lógicas, como las realizadas por controladores lógicos programables (PLC), o datos de proceso, tales como analizadores e intercambio a otras redes. SMS facilita el acceso a la tecnología de bus de campo H1 a través de dispositivos de enlace, proporcionando al mismo tiempo ampliar las capacidades para la alta velocidad y dispositivos de automatización híbrida / lote aplicaciones. F SMS es una tecnología de control de red diseñados específicamente para la automatización de procesos para conectar a más alto nivel, como los dispositivos y controladores remotos-I / O de alta densidad de datos y para la integración de subsistemas. Permite que la información de dispositivos inteligentes pasen a través de sistemas de control sin pérdida, degradación, o la demora que conlleva la propiedad de las redes de control de software de administración de dispositivos. También permite la posibilidad de integración electrónica con alto nivel MIS y aplicaciones ERP. SMS permite la integración y el libre intercambio de información necesaria para la planta de la empresa. Es una Ethernet que proporciona a los usuarios finales interoperablilidad con dispositivos de múltiples proveedores. Y, al igual que H1, HSE es una norma internacional (IEC 51158). SMS proporciona las mismas prestaciones que los H1, pero integra el subsistema, en vez de hacerlo sobre el terreno de los dispositivos. Soporta la interoperabilidad entre diferentes controladores y de la misma manera que H1 apoya la interoperabilidad entre los transmisores y actuadores de diferentes proveedores. FFBs en los dispositivos de SMS pueden ser creados utilizando lenguajes de programación como los que se encuentran en la norma internacional IEC 61131-3. SMS fue diseñado para vigilancia y control de aplicaciones. La totalidad o parte de la HSE y dispositivos de red pueden ser despedidos a alcanzar el nivel de tolerancia a fallos necesarios para una aplicación particular. Lo mejor de todo, la redundancia con el apoyo estándar Ethernet utilizando el equipo, eliminando así el costo de equipo especial a la red. HSE también soporta el cableado estándar Ethernet, incluyendo una fibra óptica de los medios de comunicación opción para proporcionar un eficaz aislamiento eléctrico entre las plantas o zonas de inmunidad frente a la distorsión a través de entornos ruidosos.
 * Foundation HSE**

F HSE se basa en no modificar Ethernet IEEE 802,3 y, por tanto, es compatible con el estándar Ethernet. A diferencia de la "topología de anillo," F SMS proporciona un completo " estilo DCS" redundancia con conmutadores de red, dispositivos redundantes. También se basa en el estándar IP, que le permitan coexistir con otros dispositivos y garantizar la compatibilidad con herramientas estándar. Al más alto nivel incluye una capa de aplicación que proporciona interoperabilidad entre los dispositivos más allá de la mera coexistencia proporcionada por Ethernet y TCP / IP. Reduce al mínimo tiempo muerto y con el apoyo de jitter de peer-to-peer comunicación directa entre los dispositivos. Una vez más, un riguroso programa de pruebas de interoperabilidad asegura la calidad de conexión. El hub-and-Tolken Tree de topología de Ethernet hace que sea muy fácil de añadir y quitar dispositivos sin perturbar el funcionamiento de red. Puede utilizar las herramientas estandar de Ethernet para la instalación, para las pruebas y la resolución de problemas. Estas herramientas acelera la resolución de problemas de comunicación. Cuenta con el apoyo de herramientas de solución de problemas no disponible para RS485 y coaxial. Se basa en TCP y UDP, red estándar que emplean herramientas de gestión SNMP, RMON, etc. Del mismo modo, se conocen las direcciones IP que se utilizan incluyendo soporte para DHCP.
 * Capa Física (Martin Altamura)**

Fundamentalmente consta de: a) un nivel físico, b), una pila de comunicaciones (Stack) y c) nivel de usuario. No se implementan los niveles 3, 4, 5 y 6 del modelo OSI a causa que estos no se requerieren en aplicaciones de control de proceso, pero si se tiene en cuenta un importante Nivel de Usuario. El nivel físico (características mecánicas, eléctricas y funcionales para establecer y liberar conexiones física) responde a normas ISA/IEC (ISA 550.02-1992/IEC 1158.2). Poseen velocidades de 31,25 Kbs (baja), 1 Mbps (media) y 2,5 Mbps (alta). En baja se puede alcanzar una distancia de 1900 m, la que disminuye con la cantidad de dispositivos en el bus, oporta especificaciones de seguridad intrinsica y es la velocidad prioritaria del FF.


 * Capa Enlace (Martin Altamura)**

El Nivel Enlace de Datos (Data Link) es del tipo token-ring y establece la vinculación con el Nivel Físico. Su función es la de controlar la transmisión de mensajes hacia y desde el Nivel Físico. El acceso al bus se realiza mediante el programa LAS (Link Active Scheduler) que actúa como un centralizador y arbitrador de uso del bus, permitiendo una comunicación determinista realizando una distribución del tiempo para que todo dispositivo conectado sea sensado. Además permite que todos los datos publicados en el bus están disponibles para todos los dispositivos conectados que los reciben simultáneamente.

 La capa de aplicación utiliza un protocolo sofisticado, orientado a objetos con múltiples formatos de mensaje. Comprende la transferencia de datos desde el Nivel 2 (Enlace) al Nivel 7 (Aplicación) y el tratamiento de los comandos del Nivel de Usuario para direccionar y acceder por su nombre los dispositivos remotos. Distingue entre dispositivos con capacidad de arbitración (Link Master) y normales. En cada momento un solo Link master arbitra el bus, puede ser sustituido por otro en caso de fallo. Utiliza diversos mensajes para gestionar comunicación por paso de testigo, comunicación cliente-servidor, modelo productor-consumidor etc. Existen servicios para configuración, gestión de diccionario de objetos en nodos, acceso a variables, eventos, carga descarga de ficheros y aplicaciones, ejecución de aplicaciones, etc. La codificación de mensajes se define según ASN. 1.
 * capa aplicación /perfiles de aplicación / perfiles de dispositivos (Andrea Pinzón)**


 * Integración con otras redes y arquitecturas CIM (Andrea Pinzón)**

Según la jerarquización de las redes de comunicación en la industria, se pueden definir dos grupos en la empresa:

• Redes de Información • Redes de Campo

Las primeras se ubican en la parte alta de la jerarquía CIM y las últimas en la parte baja. En la figura 1 se muestra cómo se posicionan los tipos de redes en un modelo CIM.

Foundation fieldbus hace parte de las redes de campo, las cuales se ubican, en un sentido ascendente, en los niveles de sensor/actuador, campo y célula dentro del modelo CIM. Son redes utilizadas para conectar distintos procesos de aplicación con el propósito de asegurar la explotación de la instalación (comando, supervisión, mantenimiento y gestión). Provee servicios bajo restricciones temporales (tiempo real) y están constituidas por protocolos capaces de gestionar estas restricciones (garantiza que las restricciones de tiempo serán respetadas con cierta probabilidad). A diferencia de las redes de información, están diseñadas para enfrentar un tráfico formado por un gran número de pequeños paquetes, intercambiados con frecuencia entre un alto número de estaciones que forman la red y que muchas veces trabajan en tiempo real .

Es un bus de funcionalidad alta. A esta categoría pertenecen los niveles de control y de información. Es decir, comunican las capas superiores del modelo CIM con las inferiores. Por ello, estas redes deben ser capaces de soportar comunicaciones a nivel de todos los niveles de la producción CIM. Aunque se basan en buses de alta velocidad, algunos presentan problemas debido a la sobrecarga necesaria para alcanzar las características funcionales y de seguridad que se les exigen. Entre sus características incluyen:

• Redes multi-maestro con redundancia. • Comunicación maestro-esclavo según el esquema pregunta-respuesta. • Recuperación de datos desde el esclavo con un límite máximo de tiempo • Capacidad de direccionamiento unicast, multicast y broadcast, • Petición de servicios a los esclavos basada en eventos. • Comunicación de variables y bloques de datos orientada a objetos. • Descarga y ejecución remota de programas. • Altos niveles de seguridad de la red, opcionalmente con procedimientos de autentificación. • Conjunto completo de funciones de administración de la red.

[|SenJA02.pdf] [|1221-XXVIIIJA%20CR4.pdf]
 * Ejemplos de aplicación (Andrea Pinzón)**


 * Programación /configuración de la red . Ejemplos (Jorge Restrepo)**

La configuración de un sistema Fieldbus consiste, básicamente, en dos etapas: Diseño del sistema y configuración de los dispositivos.


 * **Diseño del Sistema**: Ésta etapa es muy similar al diseño de un Sistema de Control Distribuido (DCS) aunque con algunas diferencias. La primera diferencia está en el cableado físico, debito a el cambio de cableado punto a punto de 4-20 mA análogo a un bus digital donde muchos dispositivos pueden ser conectados a un cable. Cada dispositivo en Fieldbus debe tener una única identificación física del mismo y una dirección de red correspondiente. La segunda diferencia es la capacidad de distribuir el control y las funciones de subsistemas de entradas y salidas entre un sistema de control y un dispositivo Fieldbus. Ésta característica permite reducir el número de controladores dispuestos en racks y equipos remotos de entradas y salidas necesarios para el diseño del sistema. (ver Figura 2)



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 * **Dispositivo de configuración:** Despues de que el diseño del sistema ha sido realizado y los dispositivos han sido seleccionados, la configuración de los dispotivos es realizada por la conexión de los Bloques de Función de entradas y salidas en cada dispositivo, según se requieran en la estrategia de control. (ver Figura 3). Después de que todos los bloques de conexión y otros elementos de configuración tales como los nombres de dispositivos, identificación y ejecución de lazos han sido ingresados, la configuración genera información para cada dispositivo que pertenece al sistema Fieldbus. Un lazo único puede ser configurado si hay un dispositivo de campo que actúe como enlace maestro. Ésta configuración permitirá la operación contínua de el lazo sin un dispositivo de configuración o una consola central. (ver Figura 4). Una vez los dispositivos han recibido sus respectivas configuraciones, el sistema se convierte en operacional.



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