08 - Profibus PA
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1
PROFIBUS
Tecnologías de Control
PA (Process Automation)
PROFIBUS (PROcess FIeld BUS)
NIVEL DE APLICACIÓN
2
Introducción
2
3
Introducción
• Introducción• Ubicación en la estructura jerárquica • ¿ Que es el PROFIBUS-PA ? • Nivel físico:
- Características del nivel físico- Comparación entre DP y PA- Comparación con la técnica convencional- Topología de la red- Componentes de la red- Direccionamiento de los dispositivos de campo- Reglas de configuración
• Nivel de enlace- Estructura de un mensaje- Protocolo DP cíclico y acíclico
• Nivel de aplicación- Perfil PA- Interoperabilidad- Tiempo de ciclo- Hojas electrónicas de datos- Integración de los aparatos de campo
• Nivel de ingeniería- Herramientas de ingeniería- Puesta en marcha, test y diagnóstico
Índice
4
Ubicación en la estructura jerárquica
CNCPC/VME
VME/PC PLC DCS
AreaController
Ethernet/TCP/IP TCP/IP/Ethernet
PROFIBUS-FMS
PROFIBUS-DP PROFIBUS-PA
Factory level
Bus CycleTime
< 1000 ms
Cell Level
Bus CycleTime
< 100 ms
Field Level
Bus Cycle-Time
< 10 ms
3
5
¿Qué es PROFIBUS-PA?Campo de aplicación
PROFIBUSProcess Field Bus
• Transmisores, válvulas, accionamientos, etc.
• Conectados en red mediante un sistema de bus serie
• Para utilización en la química y todo tipo de industrias
• Con alimentación para los aparatos de campo a travésde la línea de datos
• Para uso en zona clasificada (seguridad intrínseca EExi)
PROFIBUS-PA = PROFIBUS para la Automatización de Procesos
PROFIBUS-PA
J
6
¿Qué es PROFIBUS-PA?Definición
PROFIBUS-PA=
Comunicación PROFIBUS-DP+
técnica optimizada de transmisiónpara los aparatos de campo
PROFIBUS-DP
PROFIBUS-PAPROFIBUS-PA
J
• “Acoplador DP/PA” o “Enlace DP/PA”Convierte la transmisión DP (RS 485, codificaciónde bits mediante señales en tensión), a IEC 1158-2(codificación de bits por señales en corriente)
4
7
¿Qué es PROFIBUS-PA?Definición
• PROFIBUS PA = PROFIBUS for Process Automation• PA está basado en Profibus-DP y un protocolo DP
Extendido • Controladores Maestro-DP Clase 1 en DP AND
dispositivos de campo en PA• Las definiciones del protocolo DP son también válidas
para PA:• Parametrización• Configuración• Intercambio Cíclico de datos• Diagnosis• ...
8
¿Qué es Profibus-PA?Sistema de bus de campo Profibus-DP
PROFIBUS-DP
Maestro(Clase 1)
Esclavos(Aparatos de campo, periferia descentralizada, mando subordinado,
enlace de red con el PROFIBUS- PA)
Maestro(Clase 2)
PROFIBUS-PA
J
5
9
PROFIBUS-PA
Nivel I, físico
10
Nivel físicoCaracterísticas del nivel físico
• Nivel físico basado en IEC 1158-2• Transferencia de datos síncrona en código Manchester • Alimentación AND transferencia de datos vía el mismo cable• Diferentes componentes para el nivel físico que para Profibus-
DP (cable, conectores, terminadores…)• Reglas relativas a la topología y a la longitud acordes a IEC
1158-2• Velocidad de transmisión 31.25kbaud
6
11
Nivel físicoComparación entre DP y PA
FísicoRS485
Cable con sólo datos
IEC 1158-2
Cable con datos y alimentación
Velocidad de Transmisión
9,6K; 19,2K; 45,45K; 93,75K; 187,5K; 1,5M; 3M; 6M; 12M
31,25K
NRZ (No Return to Zero) Codificación Manchester
11 bits por cada byte de datos
1 bit de start, 8 bits de datos (LSB first)
1 bit pariedad (even parity), 1 bit stop
Formato del carácter
8 bits por cada byte de datos
8 bits de datos (MSB first)
1 bit de pariedad por cada carácter
1 byte FCS de suma de chequeo FCS (Frame Check Sequence)
Secuencia de chequeo
16 bit CRC (Cyclic RedundancyCheck)
Profibus-DP Profibus-PA
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Nivel físicoComparación con la técnica convencional
Distribuidor general
PROFIBUS-PA
Sala de mando
24 V
Distribuidor
Separación EExi,Alimentación
Distribuidor general
Distr. Distr.
PROFIBUS-DP
24 V
7
13
Nivel físicoTopología de la red
PROFIBUS-DP
Bifurcación en T
SIMATIC S7-400
Línea
Estrella
PROFIBUS-PA
Enlace DP/PA
24 V
• Los aparatos de campo se conectan mediante:- bifurcaciones en T - distribuidores en estrella
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Nivel físicoAlimentación de los aparatos de campo
PROFIBUS-DP
SIMATIC S7-400
PROFIBUS-PA31,25 kBit/s Ω100
µF1
Línea de dos hilosapantallada, longitud total máxima: 1.900 m
< 120 mA
(Protección: [EEx ib],Grupo de explosión: IIC)
≥ 10 mA ≥ 10 mA
≥ 10 mA
≥ 10 mA
≥ 10 mA
24 V
Alimentación de aparatos de campo:Zona Ex: máx. 10Zona segura: máx. 30
Ramalmáx. 30 m
Enlace DP/PA
Consumo de aparatos de campo:- Cada aparato mínimo 10 mA- Dependiendo del tipo de 10 a 20 mA- Zona Ex: suma máximo 120 mA- Zona segura: suma máximo 320 mA
8
15
Nivel físicoTopología de la red
PROFIBUS-DP
Bifurcaciónen T
Línea(Principal)
Estrella
PROFIBUS PA
24 V
Terminación
Línea final
Terminación
16
Nivel físicoTopología de la red
+-
Bifurcaciónen T
9
17
Nivel físicoTécnica de conexionado
Estrella(ej. para 3 equipos)
Bifurcación en T
18
Nivel físicoTécnica de conexionado
Distribuidos en estrella(ej. para 2 aparatos)
Bifurcación en T
Conexióndesconectable
10
19
Nivel físicoComponentes de la red: Acoplador y Enlace
PROFIBUS-DPhasta 12 MBit/s
Enlace DP/PA(ampliable modularmente,tarjeta de cabeza con un
máximo de 3 acopladores)
PROFIBUS-DP45,45 kBit/s
AcopladorDP/PA
PROFIBUS-PA31,25 kBit/s
24 V
Variante no Ex:I < 320 mA,
máx. 30 aparatos de campo
24 V
No-Ex: máx. 30 aparatos de campoEx: máx. 3 x 10 aparatos de campo
J
24 V
J
Variante Ex:I < 120 mA
máx. 10 aparatos de campo
PROFIBUS-PA31,25 kBit/s
JJ
20
Nivel físicoComponentes de la red: Acoplador y Enlace
• Características del Acoplador DP/PA:- Conversión de formato de datos de asíncrono en DP (11 bits por carácter) a síncrono
en PA (8 bits por carácter) - Conversión de velocidad de transmisión de 45.45 kbits/s en DP a 31.25 kbits/s en PA- Actúa como un hilo. No requiere parametrización. No tiene selector para fijar la
dirección Profibus. Las direcciones se fijan en los instrumentos - Realiza la alimentación de los aparatos de campo- Se limita la corriente de alimentación mediante barreras- Se ofrecen dos variantes:
- para zona NO Ex, para máximo 30 aparatos de campo- para zona Ex, para máximo 10 aparatos de campo
• Características del Enlace DP/PA:- Dispone de una tarjeta cabecera que es esclavo DP y es maestro PA- En una configuración máxima se pueden poner hasta 3 tarjetas Enlace - Dispone de selector para fijar la dirección Profibus DP- Para zona Ex, un máximo 10 aparatos de campo- Se ofrecen dos variantes:
- para zona NO Ex, máximo 30 aparatos de campo- para zona Ex, máximo 3x10 aparatos de campo
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21
Nivel físicoAplicación del Acoplador y el Enlace
Equipos de campo
Sistema de control
SIMATIC S5
SIMATIC PCS 7
45,45 kBit/s
AcopladorDP/PA
45,45 kBit/s
AcopladorDP/PA
hasta 12 MBit/s
Enlace DP/PA
• Con acoplador el intercambio de datos con cada aparato de campo dura aproximadamente 10 ms• Un segmento DP con 10: Tiempo de ciclo 100 ms. Cada segundo se realiza 10 la actualización de las variables en la CPU
Utilizar Acoplador DP/PA cuando:- La cantidad de aparatos no es muy grande- Las exigencias de tiempo de ciclo excesivas
Utilizar Enlace DP/PA:- En caso contrario
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Nivel físico
PROFIBUS-DP45,45 kBit/s
AcopladorDP/PA
PROFIBUS-PA31,25 kBit/s
24 V
PROFIBUS-DPhasta 12 MBit/s
Enlace DP/PA
24 V
1
32
1
1
2 3
24 V
4
24 V
1
2
Esclavo DP
MaestroPA
PROFIBUS-PA31,25 kBit/s
2 3
Direccionamiento de los aparatos de campo
12
23
Nivel físicoDireccionamiento de los aparatos de campo
PROFIBUSup to 12Mbaud
24 V 24 V
PA Link PA LinkPA
CouplerPA
Coupler
PROFIBUS45.45kbaud
PROFIBUS PA 31.25kbaud
24 V 24 V
1
2
2
1
PACoupler
3 4 343
11PA
Coupler
XXXX
3
24
Nivel físicoReglas de configuración
24 V
AcopladorDP/PA
Hasta 31 dispositivos de
campo PA pueden conectarse a UN
acoplador
13
25
Nivel físicoReglas de configuración
= Enlace PA = Acoplador PA
Hasta 5 acopladores pueden ser usados con UN enlace
26
Nivel físicoReglas de configuración
24 V
Enlace PA AcopladorPA
Hasta 31 dispositivos de campo PA pueden
conectarse a UN enlaceINDEPENDIENTEMENTE
del número de acopladores
14
27
Nivel físicoReglas de configuración
Enlace PA Acoplador PA
Máximo flujo de corriente por acoplador:400mA para110mA para EEx [ib] II C protección de ignición 90mA para EEx [ia] II C protección de ignición
24 V
Iεx
28
Nivel físicoReglas de configuración
24 V
Máxima longitud del segmento por acoplador = 1.900m
15
29
Nivel físicoResumen. Límites de direccionamiento
PROFIBUS-DP, hasta 12 MBit/s
DP/PA-Link
PROFIBUS-PA
SIMATIC S7-400
24 V
máx. 5 Líneas DPpor CPU
máx. 96 DP/PA-Linkpor línea DP
máx. 5 Acoplad. DP/PApor DP/PA-Link
máx. 31 aparatospor acoplador DP/PA,
Área No Ex- (9 para Ex)
Límite teórico: máx. 5 x 96 x 31 = 14.880 aparatos por CPU de S7
máx. 31aparatos
por DP/PA-Link
(enlace)
DP/PA-Link
24 V
30
Profibus-PA
Nivel de Enlace
16
31
Nivel de enlaceEstructura de un mensaje
P: Preámbulo de 16 BitSD: Delimitador de comienzoLE: Longitud de datos netos (DU) + DA, SA , FC, DSAP, SSAP)LEr: Longitud repetidaDA: Dirección Destino (Where the message goes to)SA: Dirección Fuente (Where the message comes from)FC: Código de Función ( FC=Type & Priority of Message)DU: Unidad de Datos (Hasta 246 Bytes incluyendo 2 Bytes de SAP’s)FCS: Secuencia de Chequeo de la Trama (Frame Checking Sequence)CRC: Chequeo de Redundancia Cíclica 16 Bit (Cyclic Redundancy Check)ED: Delimitador de Fin (End Delimiter)EOF: Fin de la trama (End Of Frame)
SD LE LEr SD DA SA FC DU.. FCS ED
SD LE LEr SD DA SA FC DU.. CRC EOFP SOF
Trama SRD con longitudvariable del campo de datos
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Nivel de enlaceProtocolo DP cíclico y acíclico
Maestro
Esclavo 1 Esclavo 2 Esclavo 3
2 3 1
t
acíclicocíclico cíclico
Leer los valores de medida,escribir los valores de ajuste
PROFIBUS-DP
Leer/escribir los parámetros y los valores de medida y
ajuste de un esclavo
PROFIBUS-PA
1
2
J
17
33
Nivel de enlaceProtocolo DP cíclico y acíclico
Maestro 1
Esclavo 1 Esclavo 2 Esclavo 3
2 3 1
t
acíclicocíclico cíclico
Leer los valores de medida,escribir los valores de ajuste
PROFIBUS-DP
Leer/escribir los parámetros y los valores de medida y
ajuste de un esclavo
PROFIBUS-PA
1
2
J
Maestro 2
34
Profibus-PA
Nivel de aplicación
18
35
Nivel de aplicaciónPerfil PA
• Definido sobre el nivel de aplicación• El Perfil define variables, bloques de función, significado de
los datos, mapeado a los servicios de comunicación….• Dispositivos implementados con el mismo perfil pueden
intercambiarse• La versión actual del Perfil PA es la V 3.0• Disponible como documento Internacional oficial de
PROFIBUS con número de orden 3.042• Disponibles ficheros GSD pre-definidos para varios
dispositivos de campo PA
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Nivel de aplicaciónPerfil de los dispositivos (representación simplificada)
Margen de medida
Tiempo de filtro
Alarma/valores límite
Sumario de alarmas
TAG
Parámetros específicosdel fabricante
Transmisión DPcíclica y acíclica
Transmisión DPacíclica
Transmisión DPacíclica
Perfil B
(p.e. paratransmisorde presión)
Estado
Valor de medida
Tipos de parámetros:- De proceso- De servicio- Específicos del fabricante
19
37
Nivel de aplicación
PROFIBUS-DP
Acoplador DP/PA,Enlace DP/PA
24 V
PROFIBUS-PA
Fabricante X
Fabricante Z Fabricante Y
Fabricante Y
Perfil B específico delfabricante
Interoperabilidad
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Nivel de aplicaciónTiempo de ciclo (ejemplo)
PROFIBUS-DP, 12 MBit/s
Enlace DP/PA
24 V
PROFIBUS-PA 31,25 kBit/s
10 ms10 ms 10 ms
10 ms
máx. 1 ms
10 ms
Tiempo de ciclo = aprox. 1 ms
Tiempo de ciclo = 4 x 10 ms + 10 ms = 50 ms
Telegrama cíclico(4 Byte valor de medida + 1 Byte estado)
Telegrama acíclico(Leer valor límite de alarma 4 Byte)
Tiempo de comunicación 10 ms, para intercambio de 2 valores +
un byte de estado
20
39
GSD
Fichero GSD para la descripción de los parámetros de la comunicación
DD
PROFIBUS-PA
PA Field Device Fichero de descripción del Dispositivo
para especificar la funcionalidad
Herramienta de Configuración
PROFIBUS
Herramienta de Ingeniería PROFIBUS
Nivel de aplicaciónHojas electrónicas de datos
40
Nivel de aplicaciónIntegración de aparatos, datos básicos
PROFIBUS-PA
GSD
DD
El archivo GSD describe losparámetros de comunicación(para el usuario en gran parteirrelevantes)
Descripción del Dispositivo basado en HART-DDLdescribe, entre otros, parámetros deFunción accesibles a través del PROFIBUS-PA.
21
41
Nivel de aplicaciónIntegración de aparatos de campo
GSD
DD para la generación,independ. del fabricante, de
máscaras de parametrizacióncon SIMATIC PDM(para biblioteca en
SIMATIC PDM)
PROFIBUS-DPhasta 12 MBit/s
DP/PA-Link
ESPDM
OS
Bus del sistema
PROFIBUS-PA
SIMATIC S7-400
ES
PDM
DD
GSD para elproyecto de reddel maestro DP
(S7-400 y DP/PA-Link) con el
sistema de ingeniería(para biblioteca en
config. hw)
entregado unavez a
Siemens
42
Bibliografía. Referencias
• Presentaciones de la Organización de Usuarios Profibus (PNO)
• Presentaciones de Siemens, S.A.
• PROFIBUS. Profibus-PA. Profile for Process Control Devices. Version 3.0, April1999. Order No. 3.042