Como dimensionar la cantidad de equipos de una red PROFIBUS-PA

Introducción

Aunque muy sencilla, la tecnología del medio físico utilizada en el PROFIBUS-PA, conocida por H1, según el IEC61158-2, todavía podrían evitarse algunos detalles de proyectos y de campo vueltos a reducir el tiempo de puesta en marcha y evitar intermitencia y interrupciones indeseables durante el funcionamiento.

En otro artículo se detallará mejor el medio físico. Siga nuestras próximas ediciones.

Siempre que posible, consulte las normas EN50170 y IEC61158-2 para regulaciones físicas, además de las prácticas de seguridad de cada sector.

Es necesario actuar con seguridad en las medidas, evitando contactos con terminales y cableado, ya que puede haber alta tensión y provocar descargas eléctricas. Recuerde que cada planta y sistema tiene sus detalles de seguridad. ¡Infórmate de estos detalles antes de empezar a trabajar!

Para minimizar el riesgo de posibles problemas relacionados con la seguridad, debe seguir los códigos locales de seguridad y áreas peligrosas aplicables que rigen la instalación y el funcionamiento del equipo. Estos estándares varían de un área a otra y se actualizan constantemente. Es responsabilidad del usuario determinar qué estándares debe seguir en sus aplicaciones y asegurarse de que la instalación de cada equipo cumpla con los mismos.

La instalación incorrecta o el uso de equipos en aplicaciones no recomendadas pueden perjudicar el desempeño de un sistema y consecuentemente del proceso, además de representar una fuente de peligro y accidentes. Debido a esto, se recomienda utilizar solo profesionales capacitados y calificados para la instalación, operación y mantenimiento.

Las mediciones deben realizarse con seguridad, evitando contactos con terminales y hilado, pues la alta tensión puede causar choque eléctrico. No olvides que cada fábrica y sistema tienen sus detalles de seguridad. Infórmese sobre ellos antes de comenzar la labor!

Para minimizar el riesgo de problemas futuros relativos a la seguridad, es necesario seguir las reglas debidas y aplicables de áreas peligrosas locales que controlan la instalación y funcionamiento de los equipos. Estas normas varían según el área y se mantienen en constante actualización. El usuario es el responsable por determinar cuales deben obedecerse en las aplicaciones y garantizar que la instalación de cada equipo esté de acuerdo con las mismas.

Una instalación inadecuada o el uso de un equipo en aplicaciones no recomendadas pueden perjudicar la performance del sistema y consecuentemente el proceso, además de representar un fuente de peligro y accidentes. Por esa razón, se recomienda usar solamente profesionales entrenados y calificados para instalación, operación y mantenimiento.

Arquitectura típica de una red PROFIBUS

Observe en la figura 1 un ejemplo de arquitectura típica de PROFIBUS. En ella se puede verificar que se abarcan ampliamente los medios físicos, diversas topologías y niveles de aplicaciones. En este artículo comentaremos algunos detalles sobre el PROFIBUS-PA.

Figura 1 - Arquitectura típica de una red PROFIBUS.

Topologías de Red:

• redundante
• anillo
• en línea
• estrella
• Eex / Non-Eex

PROFIBUS-PA

Es la solución PROFIBUS que satisfaz a los requisitos de la automatización de procesos, y que provee la conexión de sistemas de automatización y sistemas de control de proceso con equipos de campo, tales como: transmisores de presión, temperatura, conversores, posicionadores, etc. Puede usarse en sustitución al estándar 4 a 20 mA.

Existen ventajas potenciales en utilizarse esta tecnología, entre las cuales se subrayan las de funcionalidad, tales como transmisión confiable de informaciones, tratamiento de estatus de variables, sistema de seguridad en caso de fallo, equipos con capacidad de autodiagnósticos, rangeabilidad de los equipos, alta resolución en mediciones, integración con control discreto en alta velocidad, aplicaciones en cualquier sector, etc. Además de los beneficios económicos pertinentes a las instalaciones (reducción hasta de 40% en relación a los sistemas convencionales, en algunos casos), costos de mantenimiento 25% mas bajos y menor tiempo de puesta en marcha, posibilita aumento significativo de funcionalidad y seguridad.

El PROFIBUS-PA posibilita medición y control a través de línea de dos hilos simples. También permite alimentar los equipos de campo en áreas intrínsicamente seguras además de mantenimiento y conexión y desconexión de equipos hasta mismo durante la operación sin interferir en otras estaciones en áreas potencialmente explosivas. El PROFIBUS-PA fue desarrollado en cooperación con los usuarios de la Industria de control y Procesos (NAMUR) y cumple con todos las exigencias más estrictas de esa área de aplicación.

• El perfil original de la aplicación en automatización del proceso e interoperabilidad de los equipos de campos de distintos fabricantes.
• Aumento y remoción de estaciones de barramientos mismo en áreas intrínsicamente seguras sin influencia en otras estaciones.
• Comunicación transparente a través de los acopladores del segmento entre el barramiento de automatización del proceso PROFIBUS-PA y del barramiento de automación industrial PROFIBUS-DP.
• Alimentación y transmisión de datos sobre el mismo par de hilos basado en la tecnología IEC61158-2.
•  Uso en áreas potencialmente explosivas con blindaje protectora intrínsecamente segura o sin seguridad intrínseca.

La transmisión sincrónica según el estándar  IEC  61158-2, con tasa de transmisión definida en 31,25 Kbits/s, vino a satisfacer los requisitos de las industrias químicas y petroquímicas. Posibilita, además de seguridad intrínseca, que los dispositivos de campo se energicen por el propio barramiento. Así, el PROFIBUS puede utilizarse en áreas clasificadas. Las opciones y límites del PROFIBUS con tecnología de transmisión IEC 61158-2 para uso en áreas potencialmente explosivas se definen por el modelo FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe Concept). El modelo FISCO fue desarrollado por el instituto alemán PTB - Physikalisch Technische Bundesanstalt (Instituto Tecnológico de Física), siendo actualmente reconocido como el modelo internacional básico para barramiento en áreas clasificadas.

La transmisión se basa en los siguientes principios, y se le se refiere como H1:

• cada sección posee una solo fuente de alimentación;
• la energía no es suministrada al barramiento mientras está siendo transmitida;
• los dispositivos de campo consumen una corriente básica constante cuando está en reposo;
• los dispositivos de campo actúan como consumidores pasivos de corrientes (o sinks);
• es necesaria una terminación pasiva de línea en ambas las extremidades de la línea principal del barramiento;
•  se permiten las topologías linear, de árbol y de estrella.

En el caso de la modulación, se supone que una corriente básica de por lo menos 10 mA consumida por cada dispositivo del barramiento. A través de la energía del barramiento, esta corriente alimenta los dispositivos de campo. Las señales de comunicación son entonces generadas por el dispositivo, lo cual las emite por + /- 9 mA, sobre la corriente básica.

Datos de transmisión	Digital, sincronizado por bit, código Manchester
Tasa de transmisión	31,25 Kbits/s, modo de tensión
Datos de seguridad	Preámbulo, arranque a prueba de error  y limitador de extremidad
Cables	Par torcido blindado
Alimentación	Vía barramiento o externa (9-32 Vdc)
Clase protección contra  explosiones	Seguridad Intrínsica (Eex ia/ib) y envoltorio
Topología	Barramiento de estrela o árbol, o mezclados
Número de Estaciones	Up to 32 stations per segment, maximum of 126
Distancia Máxima sin  repetidor	1900 m(cable tipo A)
Repetidores	Hasta 4 repetidores

Tabla 1 - Características de la IEC 61158-2.

Para manejar una red PROFIBUS es necesario que todos los componentes utilizados sean aprobados y certificados según el modelo FISCO y la IEC61158-2 por todas las entidades tales como PTB, BVS (Alemania), CEPEL, UL, FM (EE.UU.). Si todos los componentes usados fueren certificados y si se observaren las reglas para selección de fuente de alimentación, largura de cable y terminadores, no se exige ningún otro tipo de aprobación para la puesta en marcha de la red PROFIBUS.

FISCO

• R´:15 ... 150 Ohm/km;
• L´: 0,4 ... 1 mH/km;
• C´: 80 ... 200 nF/km.
• En términos de terminación:

Cable tipo A: 0,8 mm2 (AWG18)

• En términos de terminación:
  • R = 90 ... 100 Ohms;
  • C = 0 ... 2.2 µF.

El concepto FISCO se optimizó para posibilitar el uso de un numero más grande de equipos de campo, según la largura del barramiento, teniéndose en cuente la variación de las características del cable (R', L',C') y de los terminadores, satisfaciendo categorías y grupos de gases con una simple evaluación de la instalación involucrando la seguridad intrínseca. Eso aumentó la capacidad de corriente por sector  y facilitó la evaluación del usuario.

Figura 2 – Ejemplo de señal PROFIBUS-PA en  modo de tensión.
Corriente del Equipo
Receptor Transmisor
Tensión

Figura 3 – Ejemplo de codificación  Manchester 

La transmisión de un equipo suministra normalmente 10 mA a 31.25 kbit/s en una carga equivalente de 50 O, creando una señal de tensión modulada de 750 mV a 1.0 V pico a pico. La fuente de alimentación puede suministrar de 9 a 32 Vdc, pero en aplicaciones seguras (IS) se deben satisfacer los requisitos de las barreras de seguridad intrínseca.

Figura 4 - Modo Tensión 31.25 kbit/s.

La largura total del cableado es la suma del tamaño del barramiento principal (trunk) y de todos los desvíos mayores que 1 m (spurs) y con la adición del  cable tipo A es de 1900 m en áreas inseguras. En áreas seguras es al máximo de 1000 m con cable tipo A y los spurs no deben ultrapasar 30 m.

Topologías del PROFIBUS-PA

Las figura 5 y 6 muestran las topologías principales del PROFIBUS-PA, aunque en la práctica exista una mezcla de las dos topologías, en barramiento y en estrella/árbol.

Figura 5 – Topología  en Árbol o Estrella.

Figura 6 - Topología en barramiento.

En la figura 7 vemos una solución compacta y de bajo costo de SMAR con un maestro PROFIBUS-DPV1 y 4 canales (DF97) PROFIBUS-PA en el mismo controlador con tasa hasta de 12 Mbits/s. SMAR posee el modelo DF95 para 2 canales PROFIBUS-PA.

DF97 – Maestro Profibus DPV1 con 4 canales Profibus PA

Figure 7 – DF97 – Maestro Profibus DPV1 SMAR con 4 canales PROFIBUS-PA y 1 PROFIBUS-DP

Básicamente, se pueden  mencionar los siguientes elementos de una rede PROFIBUS:

• Maestros: los elementos responsables por el control del barramiento. Son de dos clases:
• Clase 1: responsable por operaciones cíclicas (lectura/escritura) y control de lazos abiertos y cerrados de control y automatización (PLC, controladores, CPUs).
• Clase 2: responsable por los accesos acíclicos de parámetros y funciones de los equipos PA, estación de ingeniería o estación de operación ProfibusView, AssetView, Simatic PDM, Pactware, etc.
• Acopladores DP/PA (couplers): dispositivos utilizados para traducir las características físicas entre elPROFIBUS DP (Rs485) e o PROFIBUS PA (H1:31,25kbits/s).Y mas:
• Son Transparentes para los maestros, no poseyendo dirección física en el barramiento).
• Satisfacen a aplicaciones (Ex) y (Non-Ex), definiendo y limitando el número máximo de equipos en cada sector PROFIBUS PA. El máximo de equipos en un sector depende, entre otros factores, de la suma de las corrientes quiescentes y de fallos de los equipos (FDE) y las larguras involucradas en el cableado.
• Pueden alimentarse hasta 24 Vdc, dependiendo del fabricante y el área de clasificación;
• Pueden trabajar con las siguientes tasas de comunicación, dependiendo del fabricante:P+F (93.75 kbits/s y SK3:12Mbits/s) y Siemens (45.45 kbits/s).

Tabla 2 - Datos de los Couplers DP/PA (para más detalles consulte los fabricantes).

Tabla 3 - Datos de los Couplers DP/PA P+F (para más detalles consulte el fabricante).

• Link devices: son los dispositivos de enlace utilizados como esclavos de la red PROFIBUS DP y maestros de la red PROFIBUS PA para lograr altas velocidades hasta 12Mbits/s en el barramiento DP y aún:
• Poseen dirección física en el barramiento;
• ·Permiten la conexión hasta de 5 couplers DP/Á, pero limitan a 30  el número de equipos de un barramiento “Non-ex” y a 10 de un barramiento “Ex”. Con eso, aumentan la capacidad de direccionar la red PROFIBUS DP. Según la cantidad de datos cambiados cíclicamente, posibilitan hasta 64 equipos.
• Terminador de barramiento de la red PA: consiste de un capacitor de 1µF y un resistor de 100 O conectados en serie entre ellos y en paralelo al  barramiento. Tiene las siguientes funciones:
• Shunt de la señal de corriente: la señal de comunicación se transmite como corriente pero es recibida como tensión. La conversión se hace a través del terminador.
• Protección contra la reflexión de la señal de comunicación: debe colocarse en las dos extremidades del barramiento, uno en el final y otro en el coupler DP/PA.

Algunos detalles de proyecto y cantidad de equipos por sector PROFIBUS-PA

Verifique la cantidad de equipos (N) por sector PROFIBUS-PA, teniendo en cuenta que es una función del consumo quiescente de cada equipo PROFIBUS-PA, de las larguras involucradas (resistencia de lazo cable tipo A: 44 O/km, del coupler DP/PA y su corriente drenada, la clasificación de área (couplers para área clasificada drenan corrientes al rededor de 100 mA, la tensión de salida 12V), además de la corriente de FDE. La corriente total del sector debe ser mas pequeña de que la drenada por el coupler.

Donde:

= suma de las corrientes quiescentes de todos los equipos del sector PROFIBUS-PA
= corriente adicional en  caso de fallo, normalmente insignificante 
= corriente  de holgura, útil en caso de expansión o cambio de fabricante
=  corriente drenada por el  coupler DP/PA

Además, se debe tener al menos 9.0 V en el bloque de terminales  del equipo PROFIBUS-PA más lejano del coupler DP/PA:

    > 9.0 V : así se  garantiza la energización del último equipo PROFIBUS-PA (en la práctica se  adopta  >= 10.5V garantizando una holgura). Vale también recordar que la  señal de comunicación  debe tener excursión de 750 a 1000 mV.

Donde:

  =   Tensión de salida del coupler DP/PA
R      =  Resistencia de Lazo (Cable tipo A R = 44 O/km)
L       =  Largura  total del  barramiento PROFIBUS-PA  
   =   Tensión en el bloque de terminales  del  equipo PROFIBUS-PA mas lejano del couplerDP/PA

Algunas cajas de junción o protectores de cortocircuito para sector, llamados spur guards pueden alimentarse vía barramiento PA (Ha), y así incluirse en la suma de la corriente. Además, cada salida de estos spur guards tiene un límite permitido de corriente que debe respetarse.

Cálculo de la cantidad de equipos de un sector PROFIBUS-PA non-Ex

En seguida, demostraremos el cálculo de la largura máxima de 1900 m (cable tipo A), considerando los siguientes datos:

• Tensión mínima de funcionamiento de un equipo PROFIBUS-PA: 9 Vdc
• Tensión típica suministrada por un coupler DP/PA Non-Ex: 19 Vdc
• Corriente típica suministrada por un coupler Non-Ex: 400 Vdc
• Resistencia de lazo del cable Tipo A (AWG 18): 44 Ohms/Km (dos vías)
• Despreciaremos las corrientes de FDE
• Equipos PROFIBUS-PA SMAR consumen 12 mA

Teniendo en cuenta la ley de Ohm:

V = RxIx(N)
N = V/(IxR), donde:
V  = caída máxima de tensión del cable garantizando la tensión minima de alimentación del equipo mas lejano del coupler DP/PA.
I = corriente de cada equipo  PROFIBUS-PA.

R = resistencia total
N = número de equipos

Sustituyéndose los valores:

N = (19-9)/(12x10^-3 x 1.9x 44) = 10 equipos
Verificando la corriente total con  la máxima corriente suministrada por el  coupler DP/PA, tenemos::

I = 10 x 12mA = 120mA < 400mA  OK

Admitamos  ahora, cable  tipo A y largura  de 1400 m:

N = (19-9)/( 12x10-3  x 1.4 x 44) = 13 equipos

Verificando la corriente total con  la máxima corriente suministrada por el  coupler DP/PA, tenemos:

I = 13 x 12mA = 156mA < 400mA OK

Cálculo de la largura del cable tipo A para 20 equipos en un sector PROFIBUS-PA non-Ex

L = (19-9) x 1000/(20 x 12x10-3  x 44) = 947 m

Verificando la corriente total con la máxima corriente suministrada por el coupler DP/PA, tenemos:
I = 20 x 12mA = 240mA < 400mA OK

Cálculo del número de equipos en un sector PROFIBUS-PA Eex ia IIC

Iremos demostrar el cálculo de la largura máxima de 1000m (cable tipo A, área Ex), considerando los siguientes datos:

• Tensión mínima para un equipo PROFIBUS-PA
• Tensión típica suministrada por un coupler DP/PA Ex: 12.5 Vdc
• Corriente típica suministrada por un coupler DP/PA Ex: 100 mA
• Resistencia de lazo del cable Tipo A (AWG 18): 44 Ohms/Km (dos vías)
• Se despreciarán las corrientes de FDE
• Equipos PROFIBUS-PA SMAR consumen 12 mA

Teniendo en cuenta la ley de Ohm:

• N = V/(IxR), donde:
• V  = caída máxima de tensión en el cable garantizando la tensión mínima de alimentación en el equipo mas lejano del coupler DP/PA.
• I = corriente total del sector PA
• R = resistencia total
• N = número de equipos 

Substituyendo los valores:

N = (12.5-9)/( 12x10^-3 x 1.0x 44) = 6 equipos
Verificando la corriente total con la corriente máxima suministrada por el coupler DP/PA, tenemos:

I = 6 x 12mA = 72mA < 100mA OK

Cálculo de la largura  del cabo (tipo A) para 8 equipos en un sector PROFIBUS-PA Eex ia IIC

Verificando la corriente total con la corriente máxima suministrada por el coupler DP/PA, tenemos:
I = 8 x 12mA = 96mA < 100mA OK

Se determinando la largura:

L = (12.5-9) x1000/(8x12x10^-3 x44) = 828.6 m

Observe que la cantidad de equipos depende totalmente de la clasificación del área, del tipo de cable, de corriente y tensión suministrada por el coupler DP/PA y la corriente quiescente total de los equipos PA.

Normalmente considérase una tensión al menos de 10.5V en los cálculos para los equipos mas lejanos del coupler DP/PA (en los ejemplos se consideró 9.0V, garantizando la integridad de los niveles de señales. Para simplificar los cálculos arriba no se incluyeron las corrientes de expansión en el sector (o sea, mas equipos) mismo en el caso de sustitución de equipos que consumen mas. En la práctica se recomienda siempre atención a estos detalles.

Largura total del cable PROFIBUS-PA

La largura total del cable PROFIBUS-PA debe totalizarse desde la salida del punto de conversión DP/PA hasta el punto más lejano del sector, considerando las derivaciones o spurs. Vale recordar que los brazos más pequeños que 1 m no entran en este total. La largura total del cableado es la suma del tamaño del barramiento principal (trunk) más todos los spurs (derivaciones más grandes que 1 m), siendo de 1900 m sin repetidores la largura máxima del cable tipo A en áreas no clasificadas. En áreas clasificadas es 1000 m, con spur máximo de 30 m.

Se recomienda evitar splice en la instalación y distribución. Los splices son cualesquiera partes de la red que tengan una alteración de impedancia, causada, por ejemplo, por alteración del tipo de cable, discontinuidad del shield, aplastamiento o dobla muy acentuada del cable, etc. En redes con largura mayor que 400 m, la suma de las larguras de todos los splices no debe ultrapasar 2% de la largura total y aun, en larguras menores que 400 m, no deben exceder 8 m. La largura máxima de un sector PROFIBUS-PA al utilizarse cables de tipos distintos queda limitado según la siguiente fórmula:

Donde:

• LA:Largura del cabo A;
• LB:Largura del cabo B;
• LC:Largura del cabo C;  
• LD:Largura del cabo D;
• LA max:Largura máxima permitida con el cable A (1900 m);  
• LB max:Largura máxima permitida con el cable cabo B (1200 m);
• LC max:Largura máxima permitida con el cable  cabo C (400 m);
• LD max:Largura máxima permitida con el cable cabo D (200 m).

Com relação aos braços (spurs), é necessário estar atento aos comprimentos dos mesmos. A quantidade de equipamentos PA (deve ser considerado os repetidores quando houver) deve estar de acordo com a Tabela 4. Em áreas classificadas o spur máximo é de 30 m.

Con relación a los brazos (spurs), es necesario estar atento a la largura de los mismos. La cantidad de equipos PA (considerándose los repetidores, cuando haya) debe estar de acuerdo con la Tabla 4. En áreas clasificadas, el spur máximo es de 30 m.

Total de equipos por DP/PA sector de coupler	Largura de Spur(m) con 1 equipo	Largura de Spur(m) con 2 equipos	Largura de Spur(m) con 3 equipos	Largura de Spur (m) con 4 equipos	Largura considerando la cantidad máxima de Spurs (m)
1-12	120	90	60	30	12 x 120 =1440
13-14	90	60	30	1	14 x 90 = 1260
15-18	60	30	1	1	18 x 60 = 1080
19-24	30	1	1	1	24 x 30 = 720
25-32	1	1	1	1	1 x 32 = 32

 Tabla 4 – Spur x cantidad  de equipos PROFIBUS-PA

Observación: Se debe considerar el límite de capacitancia del cable siempre que el efecto de la señal de un spur sea más pequeño que 300 m y similar a un capacitor. En la ausencia de datos del fabricante del cable, se puede usar el valor de 0.15 nF/m para cables PROFIBUS.

Donde:

CT: Capacitancia total en nF;
LS: Largura del  spur en m;
Cs: Capacitancia del hilo por sector en nF (norma: 0.15);
Cd: Capacitancia del equipo PA.

La atenuación asociada a esta capacidad es de 0.035 dB/nF. Por lo tanto, la atenuación total vale:

Donde 14 dB es lo que permitirá el señal mínimo necesario para haber condiciones de identificarlo con integridad. Vea en la figura 9 un ejemplo de cálculo de la largura total de un sector PROFIBUS-PA.

Figura 8 – Ejemplo de cálculo de la largura total en la red PROFIBUS-PA.

Conclusión

Hemos visto detalles de la red PROFIBUS-PA con relación al medio físico, dimensionamiento e instalación que contribuyen decisivamente para el suceso de un sistema de control y automatización PROFIBUS.

Este artículo no sustituye los estándares IEC 61158 e IEC 61784 ni tampoco los perfiles y guías técnicos del PROFIBUS. En caso de discrepancia o duda, los estándares IEC 61158 e IEC 61784, los perfiles, guías técnicos y manuales de los fabricantes prevalecen. Siempre que posible, consulte EN50170 para las reglamentaciones físicas, como también para las prácticas de seguridad de cada área.

Para mas informaciones sobre la tecnología PROFIBUS, vea: https://www.smar.com.br/es/articulos-tecnicos-profibus

Para informaciones sobre certificación de redes Profibus 1 AS-i, consulte: https://www.smar.com.br/es/asistencia-tecnica

Para detalles de un sistema de automación verdaderamente abierto basado en redes, consulte: https://www.smar.com.br/es/system302

Para artículos Profibus consulte: https://www.smar.com.br/es/articulos-tecnicos

Referencias

• Manuales SMAR PROFIBUS
• https://www.smar.com.br/es
• Material de Entrenamiento y artículos técnicos PROFIBUS - César Cassiolato
• Especificaciones técnicas y Guías de Instalaciones PROFIBUS.

"Dimensionamento da quantidade de equipamentos em uma rede Profibus-PA", César Cassiolato, Mecatrônica Atual - Edición 48, 2010.