Qué es el Profibus: funcionamiento y aplicaciones

La norma de red internacional ProfiBus está ampliamente aceptada y se utiliza normalmente en grandes máquinas de montaje, manipulación de materiales y control de procesos. Esta red de control admite simplemente el cableado de varias entradas con bloques de sensores de un solo cable, subredes más pequeñas como AS-i, dispositivos inteligentes complejos, interfaces de operador y válvulas neumáticas. El objetivo principal de PROFIBUS es proporcionar una interacción entre los controladores o el sistema de control y los sensores de campo. Esta red utiliza el modelo OSI para garantizar que los dispositivos de diferentes proveedores puedan interactuar entre sí de forma eficaz y sencilla.

El Profibus fue promovido por primera vez por el Departamento de Educación e Investigación de Alemania. Más tarde, en 1989, Siemens lo utilizó en colaboración con varios fabricantes de equipos de automatización. En la actualidad, se utilizan más de 11,5 millones de dispositivos basados en PROFIBUS en los sistemas de automatización de procesos.

Este artículo ofrece una visión general de Profibusarquitectura y sus aplicaciones.

¿Qué es Profibus/la definición de Profibus?

El término "Profibus" significa "Process Field Bus" y es la red de control industrial más utilizada en el mundo para el control de procesos industriales, el control de movimiento, la automatización y las redes de seguridad. Esta red cuenta con el apoyo de más de 1400 proveedores de equipos en todo el mundo. En el modelo OSI, esta red de control proporciona servicios a diferentes niveles, como el nivel1, el nivel2 y el nivel7.

Las dos versiones de Profibus más utilizadas son Profibus-DP y Profibus-PA.

Los dispositivos utilizados por el Profibus son maestros y esclavos. La función principal de los dispositivos maestros es controlar el bus una vez que tienen derecho a acceder a él, de modo que pueden transmitir mensajes sin ninguna petición remota, lo que se conoce como estaciones activas.

Los dispositivos esclavos son normalmente dispositivos periféricos como sensores, transmisores y actuadores que pueden permitir la recepción de mensajes a petición del maestro y enviar mensajes al maestro, conocidos como estaciones pasivas.

Principio de funcionamiento del Profibus

PROFIBUS utiliza la comunicación maestro-esclavo entre los componentes de la red de control. En una comunicación maestro-esclavo, el maestro ejerce un control unidireccional sobre todos sus dispositivos y procesos esclavos. Así, el controlador es siempre el maestro, mientras que los dispositivos IO son siempre esclavos.

Tipos de Profibus

Profibus está disponible en tres versiones compatibles Profibus-DP, Profibus-PA y Profibus-FMS.

Profibus-DP

PROFIBUS DP es una de las variantes más utilizadas de Profibus, el llamado estándar PROFIBUS. Las principales ventajas de esta variante son: plug & play, la transferencia de datos puede realizarse muy rápidamente y se utiliza con mayor frecuencia en entornos de producción globales.

Esta variante está especialmente diseñada para la comunicación de datos de alta velocidad entre los sistemas de control de automatización y las E/S distribuidas a nivel de dispositivo. Los controladores centrales, como los PC o los PLC, interactúan con los dispositivos de campo distribuidos a través de un enlace serie de alta velocidad. De este modo, la mayor parte de la comunicación de datos a través de los dispositivos distribuidos puede tener lugar cíclicamente.

Además de realizar funciones cíclicas, es posible realizar funciones de comunicación acíclica, especialmente para los dispositivos de campo inteligentes, que permiten la configuración, el diagnóstico y la gestión de alarmas. Profibus DP admite hasta 126 nodos en un bus y permite varios maestros que sólo están disponibles en la red si todos los esclavos están conectados a un maestro. PROFIBUS DP consta de tres versiones diferentes DP-V0, DP-V1 y DP-V2.

La versión DPV0 se utiliza principalmente en equipos sencillos y remotos. Las características de la versión DPV0 incluyen principalmente: datos cíclicos que pueden intercambiarse entre el maestro y el esclavo, diagnósticos y GSD, es decir, la descripción general de la estación.

La versión DPV1 se utiliza principalmente cuando se requiere un intercambio de datos asíncrono. Las principales características de la versión DPV1 son: intercambio de datos acíclico entre el maestro y el esclavo, gestión de alarmas, combinación con FDT y EDDL y bloques de funciones.

La versión DPV2 se utiliza principalmente para realizar varias funciones de alto rendimiento, como el intercambio de datos de difusión y la comunicación sincrónica. Las características de esta versión DPV2 son principalmente: el modo de tiempo del cíclico es determinista, el intercambio de datos se puede realizar mediante la comunicación de esclavo a esclavo, la redundancia de carga y descarga, la implementación del protocolo HART en DP, etc.

Profibus-PA

El Profibus PA está diseñado principalmente para los procesos de automatización. Permite conectar varios sensores y actuadores en una línea de bus común, incluso en zonas de seguridad intrínseca. Permite la comunicación de datos y energía en el bus mediante tecnología de dos hilos basada en la norma internacional (IEC) 1158-2.

PROFIBUS PA mejora y sustituye a los sistemas convencionales en la automatización de procesos, como 4-20 mA y HART. A diferencia de PROFIBUS DP, en Profibus PA, la energía y los datos se transmiten por dos hilos similares. Además, tanto PROFIBUS DP como PA son idénticos en cuanto a uso y protocolo.

Profibus-FMS

La especificación de mensajes del bus de campo Profibus FMS o PROFIBUS es una solución de uso general, especialmente para las tareas de comunicación a nivel de célula. Está diseñado principalmente para interactuar entre el PLC y el PC mediante la transmisión de datos complejos.

No era adecuado para los mensajes menos complejos ni para la comunicación a través de una red más compleja y extensa. Los potentes servicios del FMS ofrecen una enorme flexibilidad y pueden utilizarse también para tareas de comunicación complejas y extensas. Actualmente, el PROFIBUS FMS sigue siendo utilizado por el mayor número de operadores.

Especificaciones del Profibus

El especificaciones de Profibus DP y Profibus PA incluyen lo siguiente.

• La capa física utilizada en Profibus DP es RS485.
• Para las señales se utiliza un cableado de par trenzado apantallado.
• La longitud del cable depende principalmente de la velocidad de transmisión.
• El número de dispositivos es de 32 por segmento y hasta 126 si se incluyen cuatro repetidores.
• La alimentación del bus es de 24 VDC.
• Velocidad en baudios de 9,6k a 12M bits por segundo.
• El tamaño de la transferencia de datos depende principalmente del tipo de dispositivo, por ejemplo, la entrada es de hasta 246 bytes y la salida de hasta 246 bytes.
• La identificación de los dispositivos puede basarse en un número de identificación particular para cada dispositivo.
• La capa física de Profibus PA es la IEC61158-2.
• La topología utilizada es un tronco con ramas.
• La longitud del cable es de 1900 metros.
• El número de dispositivos utilizados es de 32.
• La potencia del bus es de hasta 0/5A por segmento.
• La velocidad de transmisión es de 31,25 kbit/seg.

Arquitectura Profibus

PROFIBUS es un bus estándar, de campo abierto e independiente del proveedor, que se utiliza en diversos campos de aplicación, como la automatización de procesos y la fabricación. Están garantizados por normas internacionales como la EN 50254 y la EN 50170.

PROFIBUS simplemente permite la comunicación entre dispositivos de diferentes fabricantes sin necesidad de adaptar una interfaz especial. Se puede utilizar fácilmente para tareas de comunicación críticas, de alta velocidad y difíciles. PROFIBUS ofrece protocolos de comunicación como FMS y DP según las necesidades, y son accesibles tecnologías de transmisión como RS-485, IEC 1158-2 o fibra óptica.

La arquitectura del protocolo PROFIBUS es la de la Interconexión de Sistemas Abiertos
(OSI). En este tipo de arquitectura, cada nivel de transmisión se encarga de tareas exactamente definidas. Así, la capa física o capa 1 simplemente define las características de la transmisión física.

La capa de enlace de datos o capa 2 simplemente describe el protocolo de acceso al bus y la capa de aplicación o capa 7 simplemente describe las funciones de la aplicación. La arquitectura de Profibus se muestra arriba.

Perfiles de aplicación

Los perfiles de aplicación PROFIBUS describen principalmente el protocolo de comunicación a través de la tecnología de transmisión utilizada y también describen el comportamiento de los dispositivos de campo durante la comunicación con PROFIBUS. Por lo tanto, el perfil de aplicación más importante de PROFIBUS es actualmente PROFIBUS PA, porque define los bloques funcionales y los parámetros de los dispositivos de automatización de procesos, como las válvulas de medición, los posicionadores y los transductores.

Capa de aplicación o Layer7

En el modelo OSI, la capa de aplicación simplemente proporciona servicios de aplicación a los usuarios. Estos servicios hacen posible una transferencia de datos eficiente y abierta entre la capa 2 y los programas de aplicación. La capa de aplicación comprende dos protocolos DP y FMS.

DP

DP es un protocolo de comunicación muy eficiente que utiliza las capas 1, 2 y la interfaz de usuario. Por tanto, esta arquitectura simplificada garantizará una transmisión de datos muy eficaz y rápida.

El DDLM o mapeador directo de enlace de datos simplemente proporciona la interfaz de usuario en la capa 2. Las funciones de aplicación que se pueden obtener del operador y del dispositivo, así como el comportamiento del sistema de los distintos tipos de dispositivos DP, se especifican en la interfaz de usuario.

FSM

El protocolo de comunicación universal FMS es importante para enlazar los niveles 1, 2 y 7. El nivel 7 o capa de aplicación comprende principalmente la especificación de mensajes del bus de campo (FMS) y la interfaz de la capa inferior (LLI). El FMS describe simplemente un gran número de servicios de comunicación destinados a la comunicación maestro-maestro y maestro-esclavo. La interfaz de la capa inferior define la representación de los servicios FMS a través del protocolo de transmisión de datos de la capa 2.

El FSM es un perfil de comunicación común que ofrece varias funciones de aplicación complejas utilizadas para la comunicación entre dispositivos inteligentes. Con el desarrollo técnico de PROFIBUS y el uso de TCP/IP a nivel celular, el FMS desempeñará un papel menos importante en el futuro.

Capa física o Layer1

La aplicación del sistema de bus de campo viene determinada principalmente por la tecnología de transmisión disponible y los requisitos normales de los sistemas de bus, como las grandes distancias, la velocidad máxima de transmisión, la alta fiabilidad de la transmisión, el proceso de automatización y otros requisitos adicionales que deben cumplirse, como el funcionamiento en zonas peligrosas, la transmisión de datos y de energía por un cable normal.

Si no es posible cumplir todos los requisitos mediante una sola tecnología de transmisión, actualmente hay tres métodos de transmisión disponibles para PROFIBUS:

• La transmisión RS-485 se utiliza en la automatización de la fabricación para aplicaciones universales.
• La transmisión IEC 1158-2 se utiliza en la automatización de procesos.
• Las fibras ópticas se utilizan para mejorar la inmunidad a las interferencias y la distancia de una gran red.

Capa de enlace de datos o capa 2

La capa 2 o capa de enlace de datos define simplemente la descripción de la técnica de acceso al bus y la seguridad de los datos. En el caso de PROFIBUS, se trata de la técnica maestro-esclavo combinada con el método de los tokens.

En general, la capa de enlace de datos se encarga de la transferencia de mensajes o tramas de un nodo a otro. En esta capa, la unidad de comunicación es una trama. Esta capa utiliza los paquetes de la capa de red para resumirlos en tramas Si el tamaño de la trama es muy grande, el paquete puede separarse en tramas más pequeñas. A continuación, la capa de enlace de datos, en el extremo receptor, recibe las señales y las recompone en mensajes o tramas.

El siguiente diagrama muestra la relación principal de la capa de enlace de datos con las capas de red y física. Las principales responsabilidades de esta capa se ilustran a continuación.

Marco

La capa de enlace de datos se limita a separar el flujo de bits obtenido de la capa de red en tramas controlables.

Direccionamiento físico

Si se transmiten tramas o mensajes a varios sistemas de la red, esta capa inserta una cabecera en la trama para describir el emisor y el receptor de la trama o el mensaje.

Control de flujo

Cuando la velocidad de datos absorbida por el receptor es baja en comparación con la velocidad de datos generada por el emisor, la capa de enlace de datos impone un mecanismo de control de flujo para evitar que el receptor se vea desbordado.

Control de errores

La capa de enlace de datos inserta la coherencia hacia la capa física incluyendo mecanismos para advertir y retransmitir las tramas perdidas. También utiliza un mecanismo para identificar mensajes o tramas duplicadas. De este modo, la comprobación de errores se suele realizar en todo el tráiler, incluido el final de la trama.
Control de acceso

Una vez que un mínimo de dos o más dispositivos están conectados a un enlace similar, se requieren protocolos a este nivel para decidir qué dispositivo tiene el poder de controlar el enlace en un momento dado.

FDL o Enlace de Datos de Bus de Campo

PROFIBUS utiliza un protocolo uniforme de acceso al medio que se implementa a través de la capa de enlace de datos o capa 2 del modelo OSI. Esto incluye también la seguridad de los datos, los telegramas y la gestión del protocolo de transmisión. La capa 2 de PROFIBUS se conoce como FDL o Fieldbus Data Link.

El FDL o Enlace de Datos de Bus de Campo funciona simplemente mediante una técnica de acceso híbrida que combina el paso de fichas mediante una técnica maestro-esclavo. Los sistemas de control de procesos o controladores de una red PROFIBUS DP son los maestros, mientras que los actuadores y sensores son los esclavos.

Profibus Dp Vs Pa

El diferencia entre Profibus Dp y Profibus Pa incluye lo siguiente.

Profibus Dp	Profibus Pa
La Periferia Descentralizada PROFIBUS se utiliza para activar sensores y actuadores a través de un controlador centralizado dentro de las aplicaciones basadas en la automatización industrial.	El Profibus para la automatización de procesos se utiliza para mejorar y sustituir los sistemas convencionales dentro de la automatización de procesos.
Utiliza RS-485, aunque la capa física no es la misma, los protocolos son similares.	Utiliza la capa física MBP (Manchester Encoded Bus Powered).
Se identifica como una red de bus de alto rendimiento y es capaz de transmitir miles de puntos de datos de E/S en milisegundos.	Profibus-PA puede utilizarse como alternativa a la transmisión de señales HART y 4-20mA en las industrias de proceso.

Profinet Vs Profibus Vs Ethernet Vs Modbus

El diferencia entre Profinet y Profibus incluyen lo siguiente.

Profinet	Profibus
El Profine o red de campo de procesos es un protocolo de comunicación basado en Ethernet.	El Profibus o bus de campo de proceso se utiliza para la comunicación por bus de campo en la tecnología de la automatización.
Comprende dos categorías principales como Profinet IO y Profinet CBA.	Incluye tres categorías: Profibus DP, FMS y PA.
Funciona a 100 megabits/seg.	Funciona a 9600 bit/seg hasta 12 megabits/seg.
La longitud del cable de Profinet es de hasta 100 metros.	La longitud del cable de Profibus es de hasta 1000 metros.
La capa física utilizada en Profinet es Ethernet.	La capa física utilizada en Profinet es RS485.
El tipo de comunicación utilizado es maestro/esclavo.	La tecnología utilizada es de proveedor o de consumidor.
Los archivos que utiliza un inprofesional para determinar el hardware son los archivos GSD.	Los archivos que utiliza un Profibus para determinar el hardware son archivos GSD.
Los archivos Profinet utilizan archivos XML.	Los archivos en Profibus utilizan archivos ASCII.

Ventajas

El ventajas del Profibus incluyen lo siguiente.

• Profibus es fácil de usar y flexible.
• Se basa en la modularidad y las normas.
• El único protocolo de comunicación que permite que soluciones totalmente integradas para procesos continuos-discretos y basados en la seguridad funcionen en un bus similar.
• Permite la automatización híbrida y elimina el uso de sistemas separados.
• El mantenimiento es mejor.
• Permite una producción rápida y muy flexible.
• Utiliza menos hardware y cableado.
• El operador puede percibir constantemente el estado y responder adecuadamente.

Desventajas

El desventajas de Profibus incluyen lo siguiente.

• Alto uso en la transmisión de mensajes cortos.
• La falta de energía en el autobús.
• Caro en comparación con otros autobuses.
• El límite de ancho de banda de datos de Profibus DP es de tan sólo 244 bytes por nodo.
• El coste de instalación es elevado si se incluyen los extensores de distancia y los cables.
• Profibus PA tiene una velocidad de transmisión de datos lenta, de 31,25kbit/s.
• El flujo de corriente a lo largo de las líneas de bus es lento, pero es intrínsecamente seguro y perfecto para su uso en lugares con riesgo de explosión.

Aplicaciones

El aplicaciones del Profibus incluyen lo siguiente.

• Proporciona la comunicación entre los sensores de campo y los controladores o el sistema de control.
• Las soluciones PROFIBUS se utilizan en la automatización industrial, los procesos industriales, la fabricación, etc.
• Se utiliza tanto para tareas de comunicación complejas como para aplicaciones de alta velocidad y tiempo crítico.

¿Por qué se utiliza el Profibus?

El Profibus es un protocolo utilizado en la tecnología de la automatización para la comunicación del bus de campo. Esta red simplemente conecta los controladores y los sistemas de automatización a través de varios dispositivos, como sensores, codificadores y actuadores. Mediante estas redes, se pueden intercambiar datos a través de un único cable de bus.

¿Profinet y Ethernet son lo mismo?

PROFINET y Ethernet no son lo mismo porque Profinet es una aplicación basada en Ethernet.

¿Se sigue utilizando el Profibus?

El uso de Profibus no está muy extendido, pero está migrando gradualmente hacia tecnologías actuales como Profinet. Sin embargo, en el mercado italiano, se implementa como un protocolo esencial en la comunicación industrial

¿El cable Profinet es de par trenzado?

El cable Profinet es un cable Ethernet industrial y estos cables se conocen a veces como cables industriales de par trenzado Cat5 o Cat5.

¿Cuál es la velocidad del Profibus?

La velocidad de la red Profibus oscila entre 9600 bit/seg y 12 megabits/seg.

Se trata, por tanto, de una visión general de un sistema de protocolo industrial, concretamente Profibus que se utiliza principalmente para la comunicación entre dispositivos y para la automatización Los cables Profibus se utilizan para sistemas de bus de campo industriales de conexión rápida, desarrollados principalmente para aplicaciones de proceso. Ofrecen un excelente rendimiento de transmisión eléctrica para aplicaciones DP (Periféricos Descentralizados) y PA (Automatización de Procesos). Aquí tienes una pregunta: ¿qué es Profinet?