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Consideraciones básicas sobre Fieldbus
Artículo gentileza de Moore Hawk, representada en Chile por SOLTEX. • control@soltex.cl 

El uso de las comunicaciones digitales para los sistemas de instrumentación distribuida y sus redes de control es una tecnología establecida con muchos beneficios. No obstante, las instalaciones Fieldbus requieren de algunas consideraciones adicionales a los tradicionales proyectos con comunicación en 4-20mA.

Fieldbus es un término genérico que aplica a una amplia gama de protocolos de comunicación, que emplean diversos medios, pero todos son en sí un medio para alcanzar un fin. Lo que uno necesita en la etapa de comisionamiento de un proyecto es un sistema de control funcional y satisfactorio. También es importante la necesidad real de contar con diversos buses de campo para poder cumplir con las diversas tareas requeridas. Por ejemplo, se puede utilizar un protocolo Foundation Fieldbus para el control de procesos; DeviceNet, para variables discretas de I/O (entrada/salida), y Profibus DP, para los motores o accionamientos. Cada DCS puede integrarse fácilmente con todos estos buses de campo en una sala de control a través de una red Ethernet.

En el mundo del control de procesos, “Fieldbus” se refiere usualmente a los estándares Foundation Fieldbus H1 o Profibus PA, ambos ampliamente empleados en refinerías y plantas de proceso alrededor del mundo, como grandes adelantos respecto a los tradicionales diseños en 4-20mA.


Segmentos de Fieldbus


Foundation Fieldbus H1 y Profibus PA son redes digitales paralelas (similares y sustitutas) que proveen de energía y señal a los dispositivos que se encuentran interconectados. Un típico segmento de Fieldbus comienza con la interfaz del dispositivo de bus de campo en el sistema de control. Esto es seguido por uno o más acondicionadores de energía para los buses de campo, uno o más dispositivos acopladores de buses de campo, y luego fuera de los dispositivos de bus de campo distribuidos -transmisores y válvulas de control- en sí mismos. Todos los componentes están interconectados mediante una conexión de acceso por cables.

En un sistema Foundation Fieldbus H1, la interfaz del bus de campo se denomina “Tarjeta H1”, mientras que en Profibus PA, se llama “acoplador Profibus DP/PA”. En términos de necesidad de señales, energía y cableado, la red H1 y la PA, son idénticas:

Energía y señales corren por el mismo cable.

Máximo 32 dispositivos de buses de campo por red.

Voltaje mínimo de operación de 9V.

Voltaje máximo del bus de 32V.

Extensión máxima del cable de 1.900 mts (par torcido blindado).

Velocidad de comunicaciones de 31,25 kHZ, con codificación Manchester.


Suministro de energía en buses de campo


La energía requerida por los dispositivos de campo es suministrada por una fuente de alimentación acondicionada a través del mismo bus. La fuente de alimentación del bus de campo está especialmente adaptada para proveer de energía a los dispositivos a través del bus y separar los datos mediante filtrado, es decir, los datos provenientes de los equipos de campo se mantienen junto con la corriente continua suministrada.

Un acondicionador de energía tiene un rango típico de 350 a 500 mA disponible en el bus, e incorpora, por lo general, aislación para prevenir la interferencia cruzada de segmento a segmento, y problemas de aterrizamiento. En los segmentos H1, la fuente de poder acondicionada está usualmente separada de la tarjeta de interfaz H1. Para los sistemas PA, el acoplador DP/PA incorpora el acondicionamiento de energía. No hay una necesidad absoluta de que las fuentes DC deban ser independientes por segmento, ya que la gran mayoría de los diseños provee segmentos aislados a través de convertidores DC/DC.

En todo caso, es una muy buena idea especificar el suministro de energía en forma redundante, con el objeto de poder hacer el cambio en caliente, sin tener que detener el bus de comunicaciones. Otra característica importante es la protección contra sobretensión por segmento para proteger el acondicionador de energía y el DCS del ingreso de sobretensiones a través del bus desde el campo.

Para los segmentos Foundation Fieldbus H1, pueden ser usados acondicionadores redundantes para aumentar la fiabilidad del conjunto. Sin embargo, cuando el acondicionador de energía es parte integral del acoplador Profibus DP/PA, no es posible implementar un acondicionador de energía redundante, ya que sólo un acoplador (que interactúa con un único maestro en la red) puede usarse en un segmento de este tipo.


Requerimientos de energía para los segmentos


Al calcular cuántos dispositivos pueden ser usados en un segmento de bus de campo, los factores determinantes a considerar son los requerimientos máximos de corriente para cada dispositivo de bus de campo, el consumo de corriente por los dispositivos de conexión, así como la resistencia del segmento de cable (por la pérdida de voltaje dada por el largo de la línea).

El cálculo es un simple problema de ley de Ohm, en el que al menos 9V deben estar disponibles en el extremo más lejano del segmento, después de restadas todas las pérdidas de voltaje a lo largo del segmento. Por ejemplo, teniendo 16 dispositivos que requieren de 20mA cada uno, usando 2 conexiones, requerirán un total de 340 mA. Luego, si el segmento está basado en un cable con 44 Ohms/km/lazo, y los acondicionadores de energía de 25V, el largo máximo del cable podría ser 1.100 metros para garantizar los 9V al final.

Voltaje disponible por cable: 25 – 9 = 16V

El largo máximo permitido para el cable, basados en la ley de Ohm, es algo así como 1,13 km.

Muchos usuarios especifican considerando un margen sobre los 9V mínimos de operación con el objetivo de evitar problemas derivados de cargas no contempladas o proyectando que nuevos dispositivos podrían sumarse a la red en el futuro. Asimismo, otros consideran un margen adicional, pensando en que uno o más dispositivos podrían fallar por eventuales cortocircuitos. Es recomendable que los cálculos de los segmentos sean efectuados pensando en segmentos con alta carga y largos recorridos. Un ingeniero debe sumar a todos los requerimientos de energía de los distintos transmisores de campo, válvulas de control u otros dispositivos existentes en el segmento, las pérdidas de carga por longitud y resistencia de los cables para poder asegurar que los 9V puedan alcanzar a los dispositivos más lejanos.

Enero 2013
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Comentarios acerca de este artículo
Andres Herrera Tecnopapel S.A (20/03/2020)
Gracias por el articulo, siempre de interés para abordar estos temas para los que estamos estudiando...
Luis Navarro Rivera Skanska del Perú (18/03/2015)
Muy interesante su artculo, en especial el suministro de energia a los segmentos, gracias por su información.
Alberto Parra Aikologic S.p.A. (05/02/2013)
Excelente artículo, gracias por compartirlo.
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