Una historia sobre dos “couplers”: un (no tan) breve resumen sobre la evolución de los “Linking Devices” en Profibus

Si alguna vez han trabajado en redes Profibus PA, seguramente están al tanto de la existencia de los acopladores (“couplers”). En caso contrario, permítanme contar una breve historia:

El standard IEC 61158-2

El standard IEC 61158-2, finalmente aprobado en 1999, admitió la convivencia de dos tecnologías diferentes para la comunicación mediante buses de campo para Procesos. Ambos se basan en el uso de un cable mallado de dos hilos trenzado y de la codificación Manchester Bus Powered (MBP).  Estos dos buses de campo fueron Foundation Fieldbus y Profibus PA.

Este standard terminó siendo una solución de compromiso adoptada para apaciguar a distintos proveedores, los que habían desarrollado sus propios buses de campo para aprovechar esta tecnología.

Ambos protocolos emplean la misma capa física, permiten una velocidad de transferencia de datos de 31,25 kbps, usan el mismo tipo de cable y ofrecen la posibilidad de implementar seguridad intrínseca en caso de ser necesario. Gracias al uso de la codificación MBP, el mismo cable puede ser usado para proveer alimentación y comunicación bidireccional simultáneamente.

Estos protocolos fueron denominados por el Comité Fieldbus de la IEC como buses de campo tipo H1, con el fin de diferenciarlos de los llamados buses de campo tipo H2, los cuales son buses de mayor velocidad de transferencia de datos y emplean capas físicas diferentes como ser RS-485 o Ethernet.

La función de los buses de campo H1 es la de conectar los dispositivos de campo con el sistema de control, mientras que el propósito de los buses de campo H2 es permitir la conexión de dispositivos más complejos como variadores de velocidad, sistemas RIO (Remote Input Output), buses de sensores, sistemas HMI, etc.

La promesa de reemplazar la tecnología analógica de 4-20 mA vigente desde hacía décadas parecía estar a la vuelta de la esquina.

Pero este Grial digital parece ser tan elusivo como el Santo Grial lo era para los caballeros de la Mesa Redonda de Arturo. En palabras de John Razebeck: “Our normal vendors, whose pursuit of market dominance has given us irksome dualities like Foundation Fieldbus, Profibus, WirelessHART, ISA 100.11, etc. in lieu of common platforms and open solutions” (Nuestros proveedores habituales, cuya búsqueda de dominio del mercado nos ha dado molestas dualidades como Foundation Fieldbus, Profibus, WirelessHART, ISA 100.11, etc. En lugar plataformas comunes y estándares abiertos).

Profibus PA

Profibus PA (Process Automation) entró al mercado un poco antes que Foundation Fieldbus (1995 vs. 1996) y desde su concepción fue diseñado como el medio para que Profibus DP (Descentralized Periphery, el nivel H2 de Profibus) llegara a comunicarse con la instrumentación de campo.

Este año de diferencia y la ausencia de requerimientos de compatibilidad con protocolos mas antiguos permitieron que Foundation Fieldbus ofreciera algunas ventajas ineresantes sobre Profibus PA, siendo las más interesantes el direccionamiento automático de los dispositivos y la disponibilidad de la denominada capa usuario.

Esta última característica permite trabajar a Foundation Fieldbus en el modo consumidor-subscriptor, gracias al cual fue posible implementar el concepto de Control en el Campo, mediante el cual se pueden resolver lazos de control directamente en los dispositivos de campo, independientemente del controlador. Profibus PA es, de manera estricta, un protocolo tipo cliente-servidor por lo que los lazos de control se resuelven en el controlador y, si bien el direccionamiento de los dispositivos puede realizarse remotamente, no puede ser hecho de manera automática.

Como todas las cosas en la vida, todo tiene un precio. Las funciones avanzadas como el Control en el Campo y el direccionamiento automático implican un mayor uso del ancho de banda disponible, por lo cual los segmentos de bus Foundation Fieldbus están limitados a no más de 16 dispositivos de campo, siendo la práctica habitual no sobrepasar el límite de 12 dispositivos por segmento.

En comparación Profibus PA puede manejar hasta 24 dispositivos por segmento sin mayores inconvenientes.

Más aún, Foundation Fieldbus requiere la arquitectura típica de los DCS, basada en bloques de función, mientras que Profibus PA puede ser implementado en prácticamente cualquier PLC.

Profibus DP requiere altas velocidades de transferencia de datos, por lo que se fue incrementando el soporte de velocidades hasta  de 12 Mbps, si bin en la mayor parte de las aplicaciones el limite habitual es de 1,5 Mbps. La variable a tener en cuenta para las limitaciones de velocidad de transferencia de datos es la longitud del cable troncal:

El acoplador

La pregunta obvia que surge es como conectar el lado Profibus PA de la red con el lado Profibus DP.

La respuesta inicial (desarrollada por Siemens) recibió el nombre de acoplador (“coupler”) o acoplador de segmento (IM-157), el cual es un dispositivo que trabaja como un Gateway o transición de red. El mismo provee alimentación eléctrica (400 mA@32V) al segmento PA y administra la comunicación entre la red DP y la red PA.

Puesto que Profibus PA está limitado a 31,25 kbps, se debe limitar la velocidad de transferencia de datos en el lado DP, de otro modo los datos de la red PA no llegarían a tiempo al Maestro DP y por lo tanto al controlador. Por lo tanto, los acopladores PA de primera generación obligaban a limitar la velocidad de la red DP a 45,45 kbps.

Un segundo proveedor (Pepperl + Fuchs) presentó otro acoplador (SK1, 400 mA @30 V) que permitía el funcionamiento de la red DP hasta los 93,75 kbps, una mejora, pero la restricción persistía.

 

Acopladores transparentes

Uno de los beneficios que se obtienen al mantener la velocidad del bus Profibus DP en valores bajos es que el Maestro DP puede intercambiar datos con los esclavos PA de manera transparente, es decir que los dispositivos DP y PA comparten el mismo espacio de direccionamiento y permite el intercambio de datagramas de hasta 244 bytes por nodo, habilitando el uso de diagnósticos avanzados.

Pero el mercado rápidamente exigió la posibilidad de que las redes Profibus DP funcionen tan rápido como fuera posible, por lo que el desarrollo de un dispositivo que conecte los segmentos PA a redes DP de alta velocidad se convirtió en una necesidad.

 

Acopladores de alta velocidad

Por lo tanto, Siemens desarrolló los dispositivos denominados DP/PA Link. Estos dispositivos emplean el siguiente esquema de funcionamiento: los acopladores IM-157 previamente existentes se conectaban mediante un backplane a un dispositivo (IM-153) que funcionaba como un Gateway, empaquetando todos los datos generados por los dispositivos PA conectados a los acopladores dentro de un solo datagrama Profibus DP.

Este dispositivo compuesto se denominó Link, requiere una dirección Profibus DP y es la versión Profibus DP de lo que el estándar IEC 61158 denominaba “Linking Device”: un medio para conectar los segmentos de red H1 a las redes H2.

Así, la interacción entre las lentas redes PA con las rápidas redes DP era ahora posible, pero a cambio de algunas concesiones.

 

El dilema de los acopladores de alta velocidad

Puesto que el DP/PA Link funciona como un nodo de red DP, el mismo require una dirección DP y por consiguiente está limitado a intercambiar un máximo de 244 bytes por ciclo con el Maestro DP. Aunque teóricamente en un segmento PA se pueden conectar hasta 32 dispositivos (31 esclavos PA y un Maestro PA) y ya que se podían conectar hasta 5 acopladores a un link, en principio pueden conectarse 31 x 5 =155 dispositivos por link. Por supuesto, en PA se siguen usando los esquemas de direccionamiento de Profibus, los cuales permiten 124 direcciones disponibles. En la vida real el límite de 244 bytes por datagrama se alcanza conectando entre 40 a 45 dispositivos.

Esta limitación se debe a que el mínimo volumen de datos que puede manejar Profibus DP es 1 byte. Cualquier cambio de estado en un dispositivo Profibus implica el uso de 1 byte.

Un dispositivo típico PA requiere tener activo por lo menos un bloque transductor para entrar en comunicación sincrónica con el Maestro DP, de esta manera puede transmitir la PV (variable primaria) en formato de punto flotante, lo que requiere por lo menos 4 bytes mas un byte adicional que informa el estado de la PV.

Esto significa que el volumen de datos mínimo generado por un dispositivo Profibus PA es 5 bytes. Si a esto se le añade la información correspondiente a diagnósticos básicos, datos de múltiples variables en dispositivos más complejos y la información correspondiente a diagnósticos avanzados el volumen de datos generados aumenta rápidamente.

La consecuencia es que el Link puede agotar el espacio disponible en el datagrama DP muy rápidamente, especialmente si se emplean dispositivos de campo modernos multivariable con diagnósticos avanzados.

Pero en los años 90, Profibus era básicamente una solución ofrecida por un solo proveedor, por lo que si se quería usar Profibus PA de manera eficiente la única alternativa era el DP/PA Link. Adicionalmente, la primera generación de dispositivos Profibus PA no ofrecían mucha más funcionalidad que sus equivalentes analógicos o Hart.

Entonces, en 1995, Pepperl + Fuchs, la misma empresa que había creado el acoplador transparente SK1 (el cual como vimos permitía el funcionamiento de la red DP a 93,75 Kbps) sacudió el mercado presentando un acoplador transparente, con soporte de alta velocidad en DP, compatible con sistemas de terceras partes y que respetaba las especificaciones del estándar IEC 61158 (recibió el nombre SK2). Su diseño modular ofrecía la posibilidad de conectar hasta 5 fuentes de alimentación Profibus PA (400 mA @ 30 V) al módulo cabezal o Gateway.

Este equipo era lo que la industria denomina un “killer product”, un producto que cambia las reglas del juego. El acoplador de segmento SK2 abrió las puertas de Profibus DP para cualquier proveedor de sistemas de control que contara con un Maestro DP disponible. El DP/PA Link podía ser integrado con otros sistemas de control, pero era una tarea incomoda que nadie quería hacer o quería mantener.

Este dispositivo tuvo un éxito notable, hasta se lo podía conseguir en una versión “brand labeled” comercializada por ABB.

Aunque tenía un precio más alto que el DP/PA Link su configuración era tan simple que se convirtió en un standard del mercado.

Para ser justos, cada solución tenía un mejor desempeño en diferentes escenarios:

La alternativa Siemens se adaptaba mejor a aplicaciones con un gran número de dispositivos simples, mientras que la opción Pepperl + Fuchs se desempeñaba mejor frente a aplicaciones con gran número de dispositivos multivariable.

Asimismo, la solución Siemens teóricamente podía conectar más nodos a un Maestro DP, mientras que el equipo de Pepperl+Fuchs, al trabajar de forma transparente soportaba 124 dispositivos por cada Maestro DP. Adicionalmente los tiempos de ciclo alcanzables eran menores en el acoplador de Pepperl + Fuchs.

Dos factores adicionales que fueron influenciados por este equipo fueron el desarrollo del standard FDT/DTM y la amplia adopción de la versión DP-V1 del protocolo Profibus.

Los DP/PA Limks requieren ser configurados mediante la integración de los archivos gsd de los dispositivos PA conectados en el archivo gsd del Link.

Si se quiere emplear herramientas de Asset Mangement y parametrización remota de los dispositivos Profibus PA, se debe emplear el método de comunicación asincrónico, disponible en Profibus DP-V1, pero no en DP-V0. Con el DP/PA Link, estas funcionalidades se resuelven usando el software PDM de Siemens, el cual está basado en la tecnología EDDL y está tan integrado con los restantes paquetes de software de Siemens que su uso en modo” stand alone” no tiene mucho sentido.

EDDL tiene ventajas sobre FDT, como la posibilidad de actualizaciones automáticas en caliente, pero el soporte de EDDL fuera del mundo de los DCS es escaso.

Los acopladores transparentes permiten el uso de archivos DTM para la configuración de dispositivos, mediante una aplicación framework denominada FDT. Esta tecnología facilitó de manera significativa la tarea de configuración de los dispositivos PA y permitió contar con un fácil acceso a los diagnósticos avanzados que ofrecían las nuevas generaciones de equipos.

La amplia aceptación de Profibus DP-V1, que permitía la comunicación asincrónica usando los Masters Clase 2 y los perfiles de dispositivo permitieron el acceso de los usuarios de PLC a técnicas de manejo y administración de activos, las cuales durante mucho tiempo fueron patrimonio de los DCS.

El estándar FDT se volvió tan popular que actualmente se pueden adquirir archivos DTM de terceras partes diseñados para permitir la integración de un DP/PA Link en una arquitectura FDT/DTM.

Lo que resulta curioso es porqué motivo ningún otro proveedor de equipamiento para Automatización de Procesos ofreció una tercera alternativa por tanto tiempo. De esta manera el mercado de acopladores Profibus PA tuvo solo dos jugadores por casi 20 años.

Para ser justos, existe una tercera alternativa desde hace bastante tiempo. Una firma australiana llamada Hiprom desarrollo en 2010 un gateway que permite la conexión de segmentos Profibs PA a redes Control Net o Ethernet IP. Hiprom fue adquirida por Rockwell en 2011. Pero el propósito de este artículo es tratar sobre la conectividad Profibus de manera específica, por lo que esa solución pertenece a otra historia.

Es igualmente curioso el hecho que Siemens no haya tratado de resolver algunas de las limitaciones del DP/PA Link. Simplemente mantuvo el precio de esta solución en un punto de equilibrio tal que mantenía una cierta paridad costo beneficio con su competencia.

 

Acopladores de tercera generación: diagnósticos de capa física integrados

El fabricante del coupler transparente de alta velocidad (Pepperl + Fuchs) desarrolló un sucesor del exitoso SK2, que de manera creativa fue bautizado como SK3. Este dispositivo continúa siendo un estándar del mercado.

El SK3 es un acoplador modular, permite múltiples configuraciones opcionales tales como alimentación redundante de los segmentos PA mediante balanceo de carga (500 mA @30 V), redundancia opcional en el Gateway de comunicación DP/PA (usando el concepto de Flying Redundancy), Maestros PA independientes para cada segmento conectado (tanto el SK2 como el DP/PA Link usan u solo Maestro PA para todos los segmentos conectados) y la posibilidad de incorporar diagnósticos avanzados de la capa física. La información de diagnóstico de capa física puede ser transmitida a través de Profibus DP, usando el método de comunicación asincrónica disponible en Profibus DP-V1 y empleando la tecnología FDT/DTM para hacer accesible dicha información al usuario mediante un Master Clase 2, o tambien a través de Ethernet.  El DTM usado para esta aplicación es uno de los más ejemplos mas sofisticados de esta tecnología.

En mi opinión, el valor real del diagnóstico avanzado de la capa física reside en su uso durante la puesta en marcha del sistema, después de la cual resulta en cierto modo excesivo. E cualquier manera un dispositivo de diagnóstico avanzado de capa física es indispensable para el mantenimiento de las redes Profibus PA.

Pero la tecnología detras del SK3 es sorprendente. Este dispositivo funciona de manera transparente, al igual que el SK2, actuando básicamente como un servidor proxy para redes Profibus PA.

Contiene un emulador de esclavo DP, el cual transfiere secuencialmente los datos generados por los esclavos PA a través de un maestro PA. De esta manera los dispositivos pA son visibles desde el Maestro DP como si fueran esclavos DP, por lo que el límite de 244 bytes se aplica a cada dispositivo PA.

Esto implica que no existen restricciones en el volumen de datos que pueden sr enviados por cada dispositivo PA.

Esta forma de trabajo limita la cantidad de dispositivos PA que se pueden manejar por Maestro DP a 124, lo cual parece ser una limitación.

Sin embargo, aunque teóricamente se pueden conectar hasta 124 DP/PA Links a un Maestro DP y por consiguiente, miles de dispositivos PA, en la práctica esto no es posible debido a limitaciones de timing del ciclo de barrido de la red.

Como una regla general un SK3 maneja eficientemente hasta unos 90 esclavos PA y un DP/PA Link hasta 45. Cada aplicación tiene sus particularidades, por supuesto.

 

El método Siemens

Siemens finalmente introdujo mejoras en el DP/PA Link a mediados de la década del 2010, tales como la opción de alimentación redundante de los segmentos PA mediante el método Hot Stand By e incrementó la potencia de los acopladores a 1A @32V. Ofrece aemás la opción de Links redundantes mediante el método denominado “System Redundancy”, pero solo cuando se usa hardware Siemens.

Finalmente, esta compañia ofreció la opción de configurar topologías tipo anillo en los segmentos PA. Esto es posible únicamente empleando “device couplers” propietarios fabricados por Siemens: los AFD para aplicaciones en área segura y Zona 2 y los AFDIS para aplicaciones en Zona 1, con spurs habilitados para llegar a Zona 0.

Siemens mantiene disponible la versión FISCO de su acoplador (110 mA @ 12 V), aunque el Mercado definitivamente ha optado por el método High Power Trunk como el preferido para aplicaciones con requerimientos de seguridad intrínseca.

Pepperl + Fuchs, al ser el desarrollador original del concepto High Power Trunk, no ofrece una opción FISCO para sus fuentes de alimentación. Tampoco consideran justificable el costo y la complejidad adicional de las topologías anillo en Profibus PA.

 

Finalmente aparece un tercer jugador

En 2014 una compañía holandesa llamada Procentec presentó la tercera opción para conectar segmentos Pofibus PA con redes DP. Basado en el diseño modular de la familia de productos llamada Combricks, la cual incluye conversores de medios, gateways, repetidores y módulos de diagnóstico avanzado, este nuevo acoplado ofrece la posibilidad de trabajar como coupler transparente de baja velocidad, como un link no transparente de alta velocidad y como un coupler transparente de alta velocidad. El cambio de modo de trabajo se realiza con un switch. Pueden conectarse hasta 9 couplers en el backplane del sistema Combricks y la conexión DP puede efectuarse mediante un Gateway DP RS485 o mediante un Gateway de fibra óptica. Múltiples configuraciones son posibles, de hecho, son tantas que requerirían de un artículo específico para detallarlas. Cada coupler entrega hasta 400 mA @ 11-28 V. No ofrece redundancia, pero si incluye diagnósticos avanzados a través de un DTM o de un servidor web embebido. Este equipo está disponible en una versión “brand labeled” comercializada por Phoenix Contact.

 

Mientras tanto, en el mundo de Foundation Fieldbus

En el mundo dye Foundation Fieldbus, el escenario es completamente diferente. Si bien la Fieldbus Foundation había planeado originalmente usar un nivel de red H2, el rápido desarrollo de la tecnología Ethernet hizo que el nivel H2 sea irrelevante. Los segmentos de red H1 en Foundation Fieldbus se conectarían a la red Ethernet de la planta mediante el protocolo HSE (High Speed Ethernet). De este modo las redes H2 basadas en RS-485 se tornarían obsoletas.

Pero HSE nunca logro contar con el soporte de los proveedores de DCS, cuyo método para conectar los segmentos de bus Fieldbus H1 a sus controladores fue y sigue siendo mediante el uso de Linking Devices conectados usando sus implementaciones propietarias de Ethernet industria, por lo que en Foundation Fieldbus nunca hubo problemas con el tamaño de los datagramas, aunque si se debe lidira con conceptos tales como los macrociclos y los vínculos virtuales de comunicación (Virtual Communication Relationship).

 

La llegada de Profinet

De regreso al mundo Profibus, el desarrollo de Ethernet a nivel industrial permitió la creación de la tecnología Profinet: Profibus sobre Ethernet.

Profinet disfruta actualmente de una creciente aceptación en el ambito de Automatización de Fábrica y lentamente está ingresando en el mundo de la Automatización de Proceso. Pero el dispositivo obviamente necesario para completar el acceso al Mercado de Proceso, un acoplador Profinet/Profibus PA, todavía no se encuentra disponibel en el portfolio de productos de Siemens, el referente principal de este protocolo.

Se ha hablado sobre el desarrollo de un proxy Profinet/Profibus PA desde 2009 y el cronograma de desarrollo de Profibus International development aun lo muestra como parte del futuro. Un whitepaper recientemente publicado por Profibus International titulado “Profinet for PA” menciona el desarrollo de diferentes proxies para permitir la interacción de dispositivos Foundation Fieldbus, Profbus PA y Hart directamente con Profinet.

La solución official propuesta por Siemens consiste en usar un coupler Ethernet/Profinet a Profibus DP (IE/PB Link) y un DP/PA Link en cascada. Esta es una solución que, aunque viable, aun depende del uso del nivel H2: Profibus DP sobre RS-485.

Una empresa alemana llamada Softing presentó un gateway Profinet a Profibus PA en la feria SPS IPC del 2015. Este dispositivo permite conectar hasta dos segmentos PA directamente a una red Profinet.

Trabaja combinando hasta 32 archivos gsd correspondientes a 32 dispositivos PA en un archivo gsdml. El equipo no provee alimentación a los segmentos, pero es mecánicamente compatible con las fuentes Fieldbus de Stahl aunque tambien permite usar fuentes de alimentación externas compatibles con Profibus PA o Foundation Fieldbus. Adicionalmente, el equipo es compatible con el estándar FDT/DTM.

La ultima solución existente para conectividad PA corresponde a la familia de productos isNet desarrollada por la empresa Ifak Systems. El Sistema modular isNet de esta empresa incluye un Maestro PA que puede trabajar en combinación con distintos gateways, mediante los cuales los segmentos PA pueden conectarse a redes Profinet.

Al igual que el equipo de Softing, el método de trabajo implica combinar los archivos gsd de los dispositivos PA en un archivo gsdml, el cual se usa para la integración en la configuración de hardware. Este equipo permite alimentar directamente los segmentos PA (300 mA@22-24 V en el módulo de un canal, 200 mA@22-24 V en el módulo de dos canales y 100 ma@22-24 V en el de cuatro canales) o bien usar fuentes de alimentación externas compatibles con Profibus PA o Foundation Fieldbus. Es compatible con FDT/DTM e incluye diagnósticos avanzados.

El futuro

En la feria Hannover-Messe 2015 se present un Nuevo concepto en redes de bus de campo para proceso: Ethernet para Automatización de Procesos, también conocido como Advanced Physical Layer. Esta tecnología permite llegar con una variante de Ethernet al campo, usando un cable de dos hilos para proveer alimentación y comunicación bidireccional. En este concepto, los protocolos Hart, Foundation Fieldbus y Profibus PA se usan únicamente para conectar los dispositivos de campo a un device coupler de nuevo diseño.

Cualquiera sea el resultado de estos desarrollos, será sumamente interesante ver que opciones nos reserve el futuro. Personalmente aguardo con curiosidad el siguiente capítulo de esta historia.

Ideas finales

Resulta muy interesante comparar los dos métodos que se usaron hasta 2014 para la conectividad Profibus DP/Profibus PA:

El primero, empleado por Siemens, se basa en una propuesta vertical totalmente integrada de hardware y software altamente propietario. Si se respeta dicha integración, el resultado es robusto y confiable, pero no muy flexible.

El segundo, empleado por Pepperl + Fuchs, se basa en cambio en una propuesta que busca la más amplia compatibilidad y el uso de estándares abiertos, como FDT/DTM y OPC. Gran parte del crecimiento del market share logrado por Profibus en la industria de Proceso se debe a la interoperabilidad de los acopladores de segmento de esta empresa.

Personalmente tengo preferencia por el segundo método. Prácticamente todos los avances significativos de la industria en los últimos años se han basado en estándares abiertos e interoperables. Solo el tiempo nos dirá cual método es el más exitoso en el nuevo escenario que platea el paradigma IioT.

ULTIMO MOMENTO:

Mientras revisaba este artículo, encontré el último newsletter de Pepperl + Fuchs sobre novedades en Process Automation. En este newsletter se menciona el lanzamiento de un acoplador Profinet/Profibus PA, el cual parece ser retrocompatible con la serie SK3 y soporta redundancia de sistema. Es decir, sería el modo más sencillo para integrar Profibus PA a Profinet. Esperemos la inauguración de la feria Hannover-Messe 2016, donde seguramente se presentará este dispositivo.

Agradezco a Andrew Morse y a Dennis Brandáo (PITC Brazil) por su colaboración en la redacción de este artículo..

Mirko Torrez Contreras es un consultor sobre Automatización de Procesos que tiene un auténtico interés acerca de la evolución de la tecnología de Automatización de Procesos. El ha estado jugando una versión de “Atrapame si puedes” con las noticias de la industria durante la última semana, con el fin de publicar este post sin que se volviera instantáneamente obsoleto, al menos por otra semana.

Pueden encontrar la versión en Ingles de este artículo aquí.

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