“Integrando PROFIBUS PA en PROFINET: SIEMENS CFU review”

Introducción

Actualmente, muchos usuarios de PROFIBUS DP están pensando en la eventual migración a la tecnología PROFINET o están en medio del proceso de decidir cual estándar de comunicaciones es el más adecuado para ese nuevo proyecto en el cual están trabajando.

Lejos quedó la época en la que se analizaban y comparaban las soluciones de bus de campo seriales con las soluciones basadas en Ethernet. El mercado ya tomó una decisión: tanto para el presente como para el futuro cercano (y no tan cercano) la opción más segura estará basada en el estándar 802.3 desarrollado por la IEEE.

PI (PROFIBUS & PROFINET International) decidió a principios del siglo XXI que Ethernet era el camino a seguir y en consecuencia desarrolló la tecnología PROFINET y continúa mejorándola, por lo cual ha sido ampliamente aceptada en la mayor parte de las industrias.

Una pregunta pendiente

Sin embargo, existe una duda que queda presente, especialmente en la industria de proceso: ¿cuáles son las opciones disponibles en PROFINET para integración de instrumentos de campo?

Descartemos en primer lugar la integración de transmisores 4-20 mA, ya que esta tarea resulta hoy en día trivial. Dado que el modelo de dispositivo de PROFINET define módulos y submódulos, simplemente se requiere usar un canal AI en una remota PROFINET IO (IO-Device) para enviar la variable analógica al controlador.

El tema que resulta desafiante es cómo se procede con el uso de instrumentación inteligente, es decir instrumentos compatibles con el protocolo HART y dispositivos PROFIBUS PA.

Dejaremos el tema de la instrumentación HART a una nota futura:

Para el caso de dispositivos PROFIBUS PA, hoy en día contamos con dos métodos muy diferentes entre sí:

La respuesta inicial: El camino del proxy

Una solución consiste en emplear el concepto de proxy para vincular redes de bus de campo con PROFINET.

Un proxy consiste en un software o dispositivo que permite que los nodos de una red accedan a los recursos de otra red oficiando como intermediador de la comunicación. En PROFINET, un proxy consiste en un dispositivo PROFINET que permite el intercambio de datos bidireccional entre PROFINET y otros buses de campo, entre los cuales se encuentran PROFIBUS DP y PA.

El estándar PROFINET incluye las especificaciones detallando el funcionamiento que debe esperarse de este tipo de dispositivo, por lo que la interoperabilidad entre esta tecnología y cualquier otro estándar de comunicaciones se simplifica significativamente.

Hasta la fecha existen varias opciones disponibles en el mercado, en el presente artículo analizaremos las incluidas en la línea de productos de Siemens:

Un vínculo con el pasado: El IE/PB Link

Siemens ofrece la opción de usar un dispositivo llamado IE/PB Link. Este es un proxy PROFINET a PROFIBUS DP que permite a cada nodo PROFIBUS DP aguas abajo del mismo ser visto como un IO-Device distinto por el IO-Controller.

Si en la red PROFIBUS DP que se habilita con el IE/PB Link como maestro conectamos un DP/PA Coupler FDC 157 y limitamos la velocidad del bus PROFIBUS a 45,45 kbps, entonces cada dispositivo PROFIBUS PA conectado aguas abajo del FDC157 será visto como un nodo PROFINET IO.

Este método es simple y fácil de implementar, pero presenta un inconveniente: Los IO-Controllers suelen estar limitados a manejar hasta 250 nodos por interface PROFINET. Por lo tanto, si en cada segmento PA habilitado por un FDC 157 podemos conectar hasta 24 dispositivos PA (esta limitación práctica se basa en los resultados de la tabla 1), resulta que solo podremos usar un máximo de 10 FDC 157 por puerto PROFINET. A este número debemos descontar dispositivos PROFINET adicionales y elementos de infraestructura, tales como switches PROFINET, PN/PN couplers, Y links etc. Esto determina que se pueden integrar un máximo de 240 instrumentos por IO Controller.

Adicionalmente, cada dispositivo PA es visto por el IE/PB Link como un nodo DP, y como tal está limitado a intercambiar hasta 244 bytes por ciclo con el controlador.  El IE/PB Link, al hacer que cada nodo DP sea visto por el controlador como un nodo PROFINET IO les da la posibilidad de usar un volumen de datos de 1440 bytes, el cual no se aprovecha de manera óptima por la limitación de tamaño del datagrama en DP.

 

El segundo posible inconveniente, el cual es el resultante de limitar la velocidad del bus DP a 45,45 kbps, no resulta crítico, ya que la velocidad requerida en las aplicaciones de proceso suele ser compatible con este valor. Debemos tener en cuenta que el backbone de la red PROFINET trabaja a 100 Mbps, por lo cual esto no suele ser un problema. Pero con este método se sigue usando, aunque en pequeña escala, PROFIBUS DP.

Una ventaja de esta solución es que resulta muy adecuada para ser empleada en aplicaciones brownfield, tales como revampings y actualizaciones. Si una planta ya cuenta con segmentos de red PROFIBUS PA activos y funcionando sin problemas, la tarea de migrar la instalación d PROFIBUS DP a PROFINET se simplifica de manera significativa, asegurando la vida útil de la infraestructura de instrumentación preexistente.

Siemens aún no soporta oficialmente la opción de usar el DP/PA Link en combinación con el IE/PB Link para aplicaciones de control. El ejemplo de aplicación aprobado por esta empresa consiste en usar el IE/PB Link como un Gateway para poder enviar la información de una red PROFIBUS a un nodo Ethernet, pero para tareas de supervisión o visualización exclusivamente, es decir sin funcionar como proxy.

Usando esta configuración, una estación de ingeniería puede tener acceso a una red DP/PA como Master Clase 2, con acceso a la información acíclica de la red PROFIBUS. No se puede intercambiar información cíclica a través de un IE/PB Link en combinación con un DP/PA Link.

La propuesta de Siemens hacia el futuro: la Compact Field Unit o CFU

La opción basada en tecnología Siemens más reciente disponible en el mercado consiste en los dispositivos denominados CFU o Compact Field Units.

Los CFU consisten en dispositivos PROFINET nativos (IO- Devices), los cuales cuentan con 8 canales digitales configurables individualmente como DI o DO a través de software y con 8 canales para la conexión de hasta 8 dispositivos PROFIBUS PA.

Considerando que cada controlador PROFINET soporta hasta 250 dispositivos IO, una implementación basada en PROFIBUS PA permite integrar en teoría hasta 2000 instrumentos por IO Controller.

Esta es la respuesta de Siemens al grupo de soluciones tecnológicas conocidas bajo el común denominador de Smart IO o marshalling inteligente.

La característica más notable de la CFU consiste en que este equipo puede realizar la detección, identificación y direccionamiento de los dispositivos PROFIBUS PA conectados de manera automática.

De esta manera se evita una de las causas primarias de problemas en la instalación de redes PROFIBUS PA: realizar un direccionamiento correcto de los equipos, evitando que una dirección se duplique. Para que este mecanismo funcione en una CFU, todos los dispositivos PA deben ser conectados a esta con la función de direccionamiento por software activada.

Posteriormente la CFU examina la funcionalidad del equipo conectado y determina cual perfil PA 3,0 es el que mejor se ajusta al equipo. Si bien se pueden usar tanto GSDs tipo perfil como GSDs específicos del fabricante, la funcionalidad de detección y direccionamiento automático solo funciona con los GSDs de perfil.

 

La integración de la CFU en el software PCS7 se realiza a través del estándar EDDL, implementado mediante el software de Asset Management PDM. Este software emplea unos archivos de dispositivos denominados PDM, en los cuales están empaquetados los GSD, EDDL, manuales y todos los datos requeridos para su operación.

Este método de trabajo presenta ventajas como ser la alta integración entre el hardware y el software dentro de un entorno de trabajo basado en PCS7 V9.  Para todos los que trabajamos con PROFIBUS PA resulta sorprendente ver como los dispositivos son escaneados, reconocidos y configurados de manera automática. Las direcciones asignadas de manera automática van de la 20 a la 27. Puesto que la CFU se comporta como un dispositivo PROFINET IO, la información de los dispositivos PA se traduce al modelo de dispositivo PROFINET IO basado en una estructura de módulos, submódulos y canales.

De este modo se aprovecha de manera eficiente el tamaño del frame PROFINET, suponiendo que cada dispositivo PA transmita 4 variables analógicas, a razón de 5 bytes por variable esto implica 20 bytes por dispositivo o 160 bytes por CFU. El frame PROFINET puede contener hasta 1440 bytes, por lo que queda espacio de sobra para el intercambio de información adicional como parametrización, configuración y diagnósticos, tanto de los dispositivos PA conectados como los de los canales digitales y los de la CFU.

Si se desea utilizar los GSD específicos del fabricante, la configuración de la CFU se realiza mediante la herramienta de configuración de hardware Simatic Manager, en la cual cada dispositivo PA se comporta como un módulo insertado en un slot, mientras que los bloques de transductor disponibles pasan a trabajar como submódulos en los subslots disponibles.

El método de configuración sugerido como óptimo por Siemens se realiza a través de un wizard implementado mediante un plugin para la herramienta de asset management PDM. Este wizard permite el commissioning de la CFU de manera automática, siempre y cuando tanto la CFU como los dispositivos PA estén disponibles online y sean accesibles desde la estación de ingeniería empleada. Este wizard denominado CFU PA Configuration V1.0, parece ser un indicio de lo que nos trae el futuro: wizards o asistentes de software que permiten realizar el commissioning de los equipos de manera parecida a como instalamos un dispositivo a nuestras computadoras personales.

 

El asunto de las topologías

Y entonces llegamos a la gran pregunta que, al menos para nosotros, nos genera la CFU:

Siemens simplificó la configuración de redes PROFIBUS PA hasta el punto en que la misma se realiza de manera autónoma, cumpliendo el deseo de multitud de usuarios que veían con envidia como los dispositivos FF se auto direccionaban una vez conectados al host.

Pero para alcanzar esta simplificación, decidió abandonar la flexibilidad de montaje que era la característica de PROFIBUS PA, es decir la topología basada en trunk y spurs.

La CFU considera que los dispositivos PA están conectados a spurs, por lo cual cada dispositivo puede estar conectado con hasta 120 m de cable. No existe la posibilidad de montar más de un dispositivo por spur. Es decir, PROFIBUS PA deja de trabajar como un bus y asume una topología tipo estrella, con la CFU como concentrador (bus link) y los dispositivos PA en los extremos.

Debemos admitir que, en la mayor parte de las aplicaciones de la vida real, las topologías adoptadas en PROFIBUS PA se asemejan más a una estrella que a una estructura de trunk con spurs. De hecho, los device couplers más recientes introducidos al mercado suelen contar con un número significativamente mayor de spurs que los de generaciones anteriores.

Una de las razones para esto es que al aumentar la funcionalidad de los device couplers, aumenta también su complejidad. Al incorporar funciones avanzadas de diagnóstico, arranque secuencial de los dispositivos, monitoreo de surge protectors y otras características adicionales hacen que el costo básico de un device coupler de última generación sea más razonable en configuraciones de 6 o más spurs. No es raro encontrar device couplers de 12 spurs como el modelo base de una línea de productos.

La ventaja que siguen manteniendo estos dispositivos sobre la CFU radica en que un device coupler es alimentado por el bus a través del trunk, mientras que la CFU debe contar con una línea de alimentación de 24 V además del cableado Ethernet.

Será interesante ver como se desempeñan estas opciones en el mercado.

¿Y la interoperabilidad?

Un detalle no menor es el de la interoperabilidad. La CFU no está diseñada para trabajar fuera del entorno PCS7 V9 y sus características más notables dependen de su uso en combinación con el software PDM y el wizard correspondiente.

No parece que Siemens esté pensando desarrollar un paquete de software para brindar la opción de usar la CFU con otros sistemas o conceptos de integración como FDT/DTM.

Por otra parte, la tendencia actual apunta a que todas las soluciones de integración de dispositivos terminen convergiendo en el concepto FDI, el cual no es muy diferente de la solución PDM de Siemens. El software Simatic PDM es uno de los pocos paquetes de Asset Management actualmente disponibles que pueden trabajar tanto con archivos EDDL y FDI.

Siemens presenta la CFU como una solución orientada hacia la industria de proceso. Por este motivo destaca las robustas opciones de redundancia nativa que ofrece este dispositivo, tales como niveles de redundancia S1 y S2 además de ofrecer la funcionalidad CiR (Configuration in Run). Como cumplir con estos requerimientos y mantener interoperabilidad con otros sistemas no es un problema sencillo de resolver

El aspecto Ex

La industria de proceso está pasando por una etapa de transformación: el tradicional método de trabajo empleado al diseñar las plantas con presencia de atmósferas explosivas: usar el criterio de estandarizar el nivel de protección a Zona 1, ya no resulta económicamente redituable. Gran parte de las aplicaciones en las plantas de proceso están clasificadas como Zona 2 y por consiguiente el número de aplicaciones en Zona 1 es en realidad mucho menor de lo que solía ser una década atrás. Factores tales como la caída de los precios del petróleo y sus derivados favorecieron este proceso de cambio.

Po este motivo, la CFU cuenta con las aprobaciones necesarias para ser montada en Zona 2 y para que los dispositivos conectados a la misma también puedan trabajar en Zona 2.

Desde el punto de vista de la tecnología de protección contra explosión, la CFU es en magnífico ejemplo del uso de los métodos de protección mixtos o híbridos.

Cuenta con la siguiente certificación IEC Ex:

Marking: Ex ec [ic Gc] [ic IIIC Dc] IIC T4 Gc

Ex nA [ic Gc] [ic IIIC Dc] IIC T4 Gc

Es decir, se trata de un dispositivo que cuenta con certificación de seguridad incrementada Ex ec, por lo que es apto para montaje en Zona 2. Además, funciona como un dispositivo asociado (associated apparatus), el cual ofrece interfases a campo con certificación de seguridad intrínseca Ex ic aptas para Zonas 2 y 22, tanto para uso en atmósferas con presencia de gases (Gc) como polvos (Dc). El equipo está aprobado para funcionar en atmósferas del grupo IIC (hidrógeno y acetileno) y del grupo IIIC (polvos conductivos carbonáceos y metálicos).

Adicionalmente está certificado como dispositivo del tipo non-sparking Ex na y puede ser usado en ambientes con rango de temperatura T4, siendo los epl (explosion protection level) asignados Gc y Dc.

Examinando un poco más en profundidad la certificación correspondiente se puede ver que los canales digitales están certificados como Ex na/ Ex nc, mientras que los canales PROFIBUS PA están certificados como Ex ic IIC/Ex ic IIIc de acuerdo con el concepto FISCO.

Por ese motivo los spurs están limitados a 120 m de largo, ya que cada canal de la CFU actúa como una fuente FISCO aislada galvánicamente. En el caso de usarse dispositivos de campo sin certificación FISCO, deberá realizarse la verificación de seguridad intrínseca según el concepto de entidad (cosa poco frecuente hoy en día).

En cualquiera de estos casos, la ventaja que ofrece la certificación de seguridad intrínseca consiste en la posibilidad de intercambiar los dispositivos de campo en caliente, factor que se combina con la funcionalidad CiR.

Por supuesto que estas precauciones son irrelevantes si se piensa usar la CFU en aplicaciones en zona segura no clasificada.

Que pasa con las Zonas 1 y 0

Queda pendiente saber cuál es el camino que tomará Siemens para ofrecer la pieza faltante de su familia de soluciones PROFINET para la industria de Proceso, es decir cómo llegar con PROFINET a zonas clasificadas como Zona 1 y Zona 0. La visión de PI apunta hacia el desarrollo de la Capa Física Avanzada o APL (Advanced Physical Layer), la cual es una extensión del estándar Ethernet para permitir su uso con cables PROFIBUS tipo A (dos hilos trenzados con malla). En principio esta tecnología permite contar con comunicación Ethernet a 10 Mbps y seguridad intrínseca con este tipo de capa física.

La IEEE tiene un grupo de trabajo a cargo de este desarrollo y varios proveedores de instrumentación ya han presentado diversos prototipos funcionales. Pero se estima que este nuevo concepto no llegará al mercado sino hasta dentro de 2/3 años, sin tener en cuenta aspectos tales como la aceptación del mercado, la interoperabilidad de los equipos y la aceptación de los fabricantes hacia esta tecnología.

Mientras tanto parece que para las aplicaciones más extremas deberemos seguir usando field barriers, isolated device couplers o AFDis, al menos en el mediano plazo.

Por supuesto que un mercado tan grande como la industria de proceso tiene espacio para soluciones alternativas. En próximos artículos analizaremos algunas de estas opciones, por cierto, también basadas en el ubicuo concepto de proxy.

En nuestro PICC disponemos de este equipamiento para pruebas y demostraciones, gracias a la colaboración de nuestro partner SIEMENS.

Podes consultarnos sobre este producto.

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