Buses de Campo: Los Mitos sobre Protocolo Foundation Fieldbus

José Luis Salinas,
InTech México Automatización,
Edición Enero – Marzo 2013.

Los estándares de comunicación probados y aprobados a nivel internacional, echan abajo varios mitos sobre el uso del protocolo Foundation Fieldbus (FF) en el control de procesos.

En lo relacionado con el control de procesos, el uso de buses y protocolos de comunicación es cada vez más frecuente. La correcta selección de la tecnología, así como la definición de la aplicación hacen la diferencia.

No todas las aplicaciones requieren la misma solución, por supuesto, dependiendo del proceso será la selección del procedimiento de comunicación. Esto es, para el control tipo on/off podemos implementar soluciones con un procedimiento de comunicación con el Bus AS-i, para el control de procesos podremos elegir entre Foundation Fieldbus (FF) o Profibus PA. Existe una asociación casi directa en el uso de estas dos tecnologías, esto es, FF en aplicaciones en América y Profibus PA en aplicaciones en Europa, esto no necesariamente es cierto, si bien existe una tendencia al uso de las tecnologías por regiones, la decisión la toma el usuario o el dueño de la tecnología.

Quizá podríamos iniciar por la definición del procedimiento de comunicación, cuál es la arquitectura que implementaremos, la capacidad de manejo de señales de/hacia campo y si queremos que el control resida en el instrumento.

Con estas tres simples preguntas podemos entonces partir para la definición de nuestra solución. La arquitectura es una parte importante y fundamental, sin embargo, en algunas ocasiones la capacidad de manejo de señales puede superar esta primera definición. Ahora bien, si no tenemos problemas en la arquitectura o’ en la capacidad de manejo de señales, la pregunta definitoria sería: ¿Queremos disponer de la capacidad de control en el campo? Si la respuesta es afirmativa el uso de FF es la solución, en caso contrario, el uso de Profibus PA puede ser lo adecuado.

PROTOCOLO FOUNDATION FIELDBUS

Partamos del hecho de que deseamos la disponibilidad de control en campo, por lo que nuestra decisión es FF, el siguiente paso es conocer las capacidades del bus, tanto físicas como las relacionadas con las comunicaciones.

Adicional al beneficio que obtenemos al seleccionar un bus de comunicaciones 100% digital como FF, la información que está disponible para los usuarios y el concepto de interoperabilidad e intercambiabilidad hacen al bus confiable y funcional.

Con el uso del sistema se han creado algunos ‘mitos’ y ‘paradigmas’, sin embargo, el uso de la tecnología y probar los conceptos básicos y fundamentales del bus, los ha echado abajo. Algunos de esos ‘paradigmas’ o ‘mitos’ son los siguientes:

  • La instrumentación de campo debe ser del mismo fabricante que el sistema de control.
  • Si no se usan todos los componentes de un mismo fabricante se degrada el sistema.
  • Si no se cuenta con diagnósticos el sistema es vulnerable.
  • El control en campo no existe.
  • La instanciabilidad es requerida para hacer más poderoso al bus.
  • El ITK (lnteroperability Test Kit) tiene que ser 5… o superior.

El usar estándares nos da el beneficio de romper con esos paradigmas y esto se logra gracias a: El uso de dispositivos probados y aprobados por la fundación nos da la seguridad de que lascomunicaciones van a ser llevadas a cabo sin interrupciones.

Esto se logra debido a que la Fieldbus Foundation desarrolla y regula los bloques que van a ser usados en los dispositivos Fieldbus, estos son bloques estándar definidos por la organización y tiene el objetivo de regular y garantizar las comunicaciones. Todo fabricante de dispositivos Fieldbus hace uso de estos bloques estándar, lo que garantiza las comunicaciones.

Al ser probados por un ITK se garantiza el uso de los bloques estándar definidos por la Fieldbus Foundation y, por ende, la comunicación. La revisión del ITK está relacionada con algunas funciones básicas y diagnósticos, principalmente garantizar las comunicaciones, por lo que si se tiene dispositivos con la versión de un ITK 4 puede ser usado con dispositivos probados con un ITK 5 o superior. Lo que es importante es que los dispositivos hayan sido probados por un ITK y esto garantiza la comunicación, así como contar con los Device Description (DD) correctos.

La disponibilidad de diagnósticos de dispositivos de campo y/o del Physical Layer nos proporciona información de importancia, esto es, conocemos la salud de la aplicación, sin embargo, no usar este tipo de diagnósticos no implica que el bus no sea funcional o que falle. El uso de diagnósticos nos habilita la posibilidad de localizar fallas cuando se presenten, pero, el uso de buenas prácticas en el diseño, implementación y desarrollo de proyectos puede minimizar las posibles fallas en las comunicaciones.

El uso de dispositivos de diferentes fabricantes es una realidad en aplicaciones FF, esto no implica que se degrade el sistema o los dispositivos. Cuando desarrollamos este tipo de aplicaciones, la primera premisa es el uso de dispositivos probados y registrados en la Fieldbus Foundation, con esto se garantiza más de una funcionalidad, dentro de las cuales citaremos:

  • Interoperabilidad
  • Intercambiabilidad
  • Comunicación Determinística
  • Disponibilidad del bus
  • Etcétera

Si bien es cierto que existe la degradación, esta se da por el hecho de consumir energía y disipar calor en cualquier equipo eléctrico/electrónico, no significa que por usar o mezclar diferentes marcas se degrade el sistema o los componentes. El uso de estándares nos garantiza disponer de equipos y dispositivos probados y aprobados (se obtiene un registro). Esto aplica tanto para instrumentación de campo como para los dispositivos asociados a la comunicación como fuentes, interfases de conexión, terminadores, junction boxes, etcétera. Lo importante en este punto es seleccionar dispositivos que estén registrados en la Fieldbus Foundation.

Existe una controversia en el uso de bloques instaciables, esto debido a que el la Guía AG-181 está indicada la preferencia por el uso de bloques fijos, de ahí que surja la pregunta: ¿Es requerido el uso del concepto de Instanciabilidad? La respuesta es que este concepto no está definido por la Fieldbus Foundation, es un comentario de una guía.

Por lo que el uso de dispositivos con la posibilidad de instanciar bloques queda en el requerimiento no tanto en el estándar. Otro punto de vista es que el uso de bloques instancia bies nos proporciona, en teoría, mayor disponibilidad de control en campo, sin embargo, este concepto aplica para la implementación de controles simples no para controles complejos, por lo que se dice que aun cuando se dispone de esta característica, se debe observar si se requiere de bloques instanciables para controlo para monitoreo. Como siempre la decisión está en el requerimiento, no en el estándar.

De lo anteriormente expuesto, podemos obtener las siguientes conclusiones:

El uso de un estándar de comunicación como el FF nos da la seguridad de que aun cuando tengamos dispositivos de diferentes fabricantes, las comunicaciones se van a establecer, tenemos la disponibilidad de implementar control en Campo, con algoritmos de control simples. El uso de dispositivos registrados en la Fundación nos garantiza que el bus no tendrá problemas relacionados con las comunicaciones o degradación del sistema.

Asimismo, se deben usar dispositivos que hayan sido probados por un ITK, considerando que la versión del ITK nos proporcionará más información relacionada con los diagnósticos, mientras más reciente sea ésta, sin dejar de ver que los dispositivos deben contar con el registro de pruebas y que éstos han sido probados por un ITK.

El control en campo es una realidad. El uso de dispositivos de diferentes fabricantes no degrada al bus, más aún, nos confirma los conceptos fundamentales de la Fieldbus Foundation: Interoperabilidad e Intercambiabilidad. El uso de herramientas de diagnóstico nos proporciona una ayuda en diferentes etapas en la implementación del bus, sin embargo, el carecer de estos no es indicativo de que vamos a tener problemas en la comunicación. Definitivamente el uso de buenas prácticas hace la diferencia.

ARQUITECTURA DEL BUS

Como arquitectura podemos observar tres diferentes enlaces, el primero subir las comunicaciones Fieldbus a High Speed Ethernet por medio de un Linking Device; el segundo, el bus en aplicaciones de usos generales; y el tercero, aplicaciones en áreas clasificadas o con peligro de explosión.

Si nos referimos a los dos primeros enlaces no tenemos problema alguno, cuando llevamos al bus a un área clasificada debemos tener cuidado en cumplir con los requerimientos del o de los métodos de protección utilizados.

Estos van íntimamente ligados a la clasificación de área y a la normatividad aplicable, ya que no es lo mismo una clasificación por el método de Divisiones que por el método de Zonas. Más aún, no todos los métodos de protección están disponibles para ser usados en la clasificación por Divisiones.

Es por eso que se debe tener cuidado de ver cómo se clasificó el área y qué método de protección se va a implementar. Si consideramos a prueba de explosión como método de protección, el uso de Fuentes Estándar de FF e interfases de conexión del hacia los instrumentos de campo son las requeridas, ya que este método de protección es ‘mecánico’ y no requerimos mayor cuidado que el indicado por éste, es decir, la instalación será del tipo a prueba de explosión al 100%.

Si hablamos de seguridad intrínseca, aquí es cuando debemos tener mayor cuidado, ya que disponemos de dos posibles soluciones. La primera es conocida como ‘full IS’, en este caso las fuentes de Fieldbus cuentan con la certificación de Seguridad Intrínseca, así como los instrumentos de campo; el uso de Cable tipo A sería el requerimiento para completar las solución y obtener la máxima disponibilidad del bus; en este caso sólo debemos definir si el método implementado va a ser de acuerdo con FISCO o Entity.

Si la implementación con más de un método de protección diferencia la aplicación, entonces podemos hacer uso de Fuentes de Fieldbus de usos generales para suministrar energía al bus y hacer uso de interfases de Fieldbus para manejos de señales de/hacia campo, en este caso las interfaces deberán contar con la debida certificación. Sólo debemos tener cuidado de elegir bien el método de protección para llevar la energía a las interfases, ya que como se menciona anteriormente, no todos los métodos de protección pueden ser implementados en las clasificaciones de área.

ALGUNOS CONCEPTOS CLAVE

Existe la necesidad de aclarar algunos conceptos que parecen ser muy generales y confunden a algunos usuarios o desarrolladores de soluciones. Uno de éstos es High Power Energy Trunk o High Power Trunk, y en realidad no indica nada en concreto, ya que se usa para denotar que existirá más energía en el bus, sin embargo, no aclara con qué se está comparando, pues si se compara con soluciones a prueba de explosión las fuentes utilizadas para implementar este concepto son las mismas que se usan en aplicaciones de usos generales. En cambio, si se compara con seguridad intrínseca podemos caer en un error, ya que las fuentes utilizadas no son del tipo Intrínsecamente Seguras, por lo que no es posible hacer la comparación.

Si habláramos de fuentes Intrínsecamente Seguras que proporcionaran al bus más de 110 mA para aplicaciones Full IS y FISCO Model para una clasificación CI, Div. 1 Grupo A, B, C Y D, entonces estaríamos en posibilidad de definirlo como Alta Energía porque llevamos más energía en el concepto de seguridad intrínseca. Los que tengan oportunidad de ver los debates en el Web Site de Fieldbus, podrán encontrar más información y opiniones relacionadas con este tema, dentro de las personalidades que han comentado y hecho este tipo de aclaraciones están lan Verhappen y Thomas Berger.

Otro concepto que causa confusión es ‘FISCO puro’, esto se ha utilizado para definir que desde la fuente hasta los instrumentos de campo son Intrínsecamente Seguros bajo el concepto FISCO, sin embargo, el estándar para la definición del método de protección no reconoce un ‘FISCO puro’ o un ‘FISCO parcial’, sólo hace mención a la aplicación y sus límites, siendo posible implementar soluciones mezcladas con diferentes métodos de protección en lo relacionado con las fuentes de Fieldbus e Interfases y salir a campo con seguridad intrínseca y FISCO Y se mantiene el concepto. El estándar como siempre tiene la última palabra.

El segundo concepto, Barreras de Campo Fieldbus o Fieldbus Barrier, en términos generales se puede considerar como Interfases de Conexión y Protección, que proporcionan, en primer lugar, Aislamiento Galvánico; en segundo, limitación de energía en corto circuito y la protección de éste; y en tercer lugar, la conexión a instrumentos de campo del tipo Intrínsecamente Seguros, y pueden ser del tipo FISCO o Entity.

Básicamente estas se pueden ver como las barreras de seguridad intrínseca con aislamiento galvánico, son recomendables, y necesarios cuando se mezclan métodos de protección, pues su uso nos garantiza la protección del bus en casos no deseados. Sin embargo el uso de términos como Interfases de Conexión a este tipo de dispositivos nos puede proporcionar mejor entendimiento al dispositivo mismo. Lo que si marca una diferencia en el número de dispositivos que podemos conectar a éstas, en algunos casos pueden ser del tipo modular y conforme el requerimiento lo indique se pueden hacer arreglas que van desde un sólo instrumento (canal) hasta 16, en otros casos se disponen de 4, 6, 8 o 12 canales por módulo. La selección de esta interfase va en función de la disposición de dispositivos de campo en el área, lo que va a ser una constante es que este tipo de interfases cuando hablamos de áreas clasificadas, deben ser instaladas de acuerdo con el método de protección permitido en la clasificación de área.

MAYOR CONFIABILIDAD

Para concluir, mencionaremos dos puntos que consideramos importantes. El primero está relacionado con la cantidad de instrumentos de campo en un segmento, y el segundo con el uso de la información.

Primero, se ha comentado mucho respecto a los instrumentos en un segmento y la opinión de los expertos en este tema es de suma importancia, sin embargo, algunos sugieren que hasta dos válvulas de control junto con sus respectivos instrumentos deben ser incorporados al bus y hasta un máximo de 12 instrumentos deben ser usados por segmento, si calculamos dos válvulas más sus dos transmisores (mínimo) nos quedan ocho instrumentos para servicios misceláneos, teniendo hasta un máximo disponible por segmento de 16 instrumentos de campo, lo que nos da una arquitectura de:

Segmento Fieldbus:

  • 2 válvulas de control
  • 2 transmisores relacionados con el control
  • 8 transmisores de servicios misceláneos
  • 4 señales de reserva

Total: 16 instrumentos de campo por segmento

En algunos casos recomiendan el uso de máximo cuatro válvulas por segmento, sus respectivos transmisores, cuatro instrumentos, lo cual nos da una arquitectura:

Segmento Fieldbus:

  • 4 válvulas de control
  • 4 transmisores relacionados con el control
  • 4 transmisores de servicios misceláneos
  • 4 señales de reserva

Total: 16 instrumentos de campo por segmento

Sin embargo, lo cierto es que hasta el momento lo único común es que en un segmento Fieldbus no se pueden usar más de 16 instrumentos de campo y el número de válvu las dependerá de la ‘criticidad del lazo’, algunos licenciadores en casos extremos recomiendan usar por segmento una válvula de control con su(s) respectivo(s) transmisor(es) y no más. Al final la evaluación del proceso nos dará la máxima cantidad de instrumentos usados por un segmento Fieldbus.

El segundo punto es la información, pues su uso cobra cada vez una importancia mayúscula y 105 diagnósticos en Fieldbus no son la excepción, por lo que el ‘diagnostico avanzado’ disponible en la actualidad, forma parte de las aplicaciones en Fieldbus.

El diagnóstico no sólo nos puede proporcionar el estado de bus, tanto en lo relacionado con la energía como con las comunicaciones. Para la energía se monitorean:

  • Los voltajes de entrada v salida de las fuentes de Fieldbus
  • El voltaje en el segmento
  • El consumo de corriente en el segmento
  • El desbalance
  • Señales a tierra
  • Ruido

En las comunicaciones:

  • Nivel de señal Fieldbus (paquete de comunicaciones)
  • Transmisiones
  • Retransmisiones

Por mencionar 105 más frecuentes y básicos, en algunas soluciones 105 diagnósticos corren en paralelo a la operación del bus, en otras este corre dentro del bus, algunos monitorean la salud del bus y otros adicionan el monitoreo de transmisiones y retransmisiones de información. Lo particular del tema es que se puede monitorear la salud de bus, ya sea corriendo en paralelo y dentro del bus, y, en ningún caso, se compromete la integridad del sistema, esto lo confirma el hecho de que 105 sistemas de diagnóstico disponibles (tarjetas de diagnóstico avanzado), están registradas en la página oficial de Fieldbus, por lo que han sido probadas y están disponibles para ser usadas en aplicaciones Foundation Fieldbus, pues como lo dice la frase misma: “El conocimiento es poder”, y mientras más información tengamos seremos más confiables. Confiemos en el bus.

EI autor es presidente del Comité de Buses de Campo y Comunicación Wireless ISA Sección México.

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