Bus de campo: aplicaciones en la industria

Durante muchos años, las redes industriales se conectaban mediante comunicaciones serie RS232. Estos sistemas eran bastante limitados, ya que sólo permitían que los dispositivos de una red se comunicaran a través de conexiones serie directas.

En otras palabras, sólo podían comunicarse dos dispositivos por cada conexión. Sin embargo, a finales del siglo XX, el desarrollo de la norma internacional del bus de campo marcó un punto de inflexión en la conexión de las redes industriales.

En este artículo analizaremos qué se entiende por bus de campo y el por qué de su implantación en el sector industrial.

¿Qué es un bus de campo y para qué sirve?

Un bus de campo es un sistema de transferencia de datos que se utiliza en la maquinaria industrial y en los sistemas industriales para conectar sensores y actuadores entre sí con uno o varios maestros (PC industriales, PLC).

En pocas palabras, es una red de área local dedicada a la automatización industrial. Sustituye las redes de control centralizadas por redes de control distribuidas.

Los buses de campo permiten intercambiar datos entre distintos componentes del sistema a larga distancia y con una gran carga externa.

Funcionan en modo maestro-esclavo: Mientras el maestro se encarga de controlar los procesos, el esclavo se encarga de las subtareas individuales.

Se diferencian en la «capa física» que utilizan, es decir, el nivel de hardware (por ejemplo, CAN, RS485, Ethernet), y en el nivel de protocolo que define la forma de la información intercambiada.

Por un lado, el nivel de hardware determina las propiedades fundamentales del bus, como la longitud de los cables y la capacidad de transmisión. Por otro lado el nivel de protocolo determina qué mensajes y funciones estandarizadas están disponibles entre el maestro y el esclavo.

En resumen, el bus de campo proporciona un medio eficiente y eficaz para conectar varios dispositivos a una única red industrial, facilitando el control y la supervisión en tiempo real.

Dicho esto, el bus de campo no es necesariamente un tipo de conexión. Más bien, se refiere a un grupo de protocolos que se implementan en aplicaciones industriales.

En la actualidad, el estándar para los protocolos de bus de campo es la norma IEC 61158 de la «Comisión Electrotécnica Internacional». Esta norma abarca las comunicaciones digitales de datos para la medición y el control.

Se ha desarrollado para protocolos de redes informáticas industriales que ofrecen control distribuido en tiempo real, proporcionando ayuda y especificaciones sobre las redes de comunicación industrial.

Cómo funciona un bus de campo

En lugar de facilitar la comunicación mediante comunicaciones directas en serie, el bus de campo permite que numerosos dispositivos de campo se conecten a un único punto de conexión. Este punto único se conecta entonces al controlador para facilitar la difusión de la información en todo el sistema.

Por lo general, la transferencia de información en un bus de campo tiene lugar a través de pequeños paquetes que se transmiten de forma secuencial y se multiplican en el tiempo.

Este formato de comunicación elimina de forma efectiva los enlaces punto a punto entre los dispositivos de campo y los controladores, de modo que se requieren menos líneas de conexión en comparación con las transferencias en paralelo.

En lugar de permitir que sólo dos dispositivos se comuniquen por cada conexión, la creación de una única conexión a través de la cual se comunica toda la información permite que cientos de dispositivos se conecten a un controlador.

¿Qué elementos pueden conectarse a un bus de campo?

Para entender qué elementos pueden conectarse a una red de bus de campo, hay que conocer los diferentes niveles de un sistema de bus de campo.

En esencia, un sistema de bus de campo puede constar de cuatro niveles diferentes (aunque existen otras formas de distribuir y/o denominar los niveles jerárquicos como el propuesto por la piramide CIM de la automatización industrial, en este caso, vamos a centrarnos en los niveles de bus de campo de un sistema de automatización en una planta de producción para que lo entiendas mejor).

Estos niveles incluyen: una red de bus de sensores, una red de bus de dispositivos, una red de bus de control y una red de bus de empresa, que se enumeran en orden de complejidad de menor a mayor.

Red de bus de sensores

El nivel más básico de un sistema de bus de campo desarrollado para aplicaciones industriales es una red de bus de sensores.

Este nivel incluye todos los dispositivos de campo básicos, es decir, todos los sensores y las salidas del controlador en una unidad. Todos los sensores están conectados a un cable de red, al igual que los dispositivos de salida del controlador.

Este nivel puede transmitir señales de salida desde el controlador a través de un cable a las alarmas, lámparas indicadoras u otros dispositivos de actuación.

Red de bus de dispositivos

La red de bus de dispositivos funciona de forma similar a la red de bus de sensores, pero a mayor escala. Este nivel conecta un gran número de sensores y actuadores entre sí, además de conectar los equipos a los variadores de velocidad y a los centros de control de motores (CCM) que facilitan el control de los elementos individuales de la red.

Red de bus de control

En cuanto a las redes utilizadas en la planta de producción, las redes de bus de control son las más complejas. En ellas, la comunicación de datos se produce a un alto nivel.

Dentro de estas redes, los controladores lógicos programables (PLC) y la sensórica inteligente se conectan entre sí y se vinculan a pantallas HMI para facilitar la configuración y el control completo de cada instrumento de la red.

Red de bus de empresa

Más conocida como red de nivel de información, la red de bus de empresa conecta todos los ordenadores y departamentos entre sí. Este nivel de red es el más complejo y amplio de un sistema de bus de campo.

Este nivel dirigido por ordenador permite la supervisión de datos, la gestión de archivos, la transferencia de archivos a gran escala, etc.

¿Cuáles son los tipos de protocolo de bus de campo?

Al principio, cuando se introdujo el bus de campo, presentaba numerosos problemas, como los protocolos exclusivos, la lentitud de la transmisión y los diferentes formatos de datos.

Las mejoras en la tecnología de transmisión de señales de campo provocaron un aumento de los niveles de descentralización.

En 1985, los expertos del sector se reunieron para elaborar un estándar de bus de campo independiente del proveedor, es decir, que fuera compatible.

El estándar de bus proporcionaría alimentación de bus, seguridad intrínseca y la capacidad de comunicarse a largas distancias a través de los cables existentes: los requisitos básicos para un sistema de automatización de plantas de proceso.

Debido, en parte, a la complejidad de la instrumentación en los sistemas de automatización y, sobre todo, a la reticencia de los fabricantes, aún no se ha establecido una arquitectura de protocolo estándar única.

Foundation Fieldbus y PROFIBUS son ahora las dos tecnologías de bus de campo más utilizadas en la automatización de procesos.

Los dispositivos que adoptan estas dos tecnologías no pueden comunicarse entre sí debido a la falta de correspondencia de los protocolos, por lo que aún no se ha logrado una interoperabilidad perfecta.

Hoy en día, se utilizan muchos tipos de bus de campo; el tipo concreto que se utiliza depende del tipo de industria: automatización de procesos discretos o de fabricación.

Entre los distintos tipos de bus de campo se encuentran: Foundation Fieldbus, PROFIBUS, DeviceNet, ControlNet, InterBus, HART, AS-i, MODBUS, CAN Bus, Ethernet, entre otros.

¿Cuántos buses tiene un PLC?

Al principio, los controladores lógicos programables (PLC) eran relativamente sencillos en el sentido de que su función era sustituir la lógica de los relés.

En los últimos años, los fabricantes han dedicado considerables recursos a desarrollar soluciones para conectar instrumentos y actuadores en una red.

Por lo general, un PLC tiene cuatro buses:

• Bus de direcciones: para transferir las direcciones de memoria desde las que se obtendrán los datos o a las que se enviarán.
• Bus de datos: para la transferencia de datos entre la CPU, la memoria y las E/S
• Bus de control: para sincronizar y controlar a los buses de datos y de direcciones.
• Bus de sistema: para la comunicación de E/S.

Un PLC debe ser programado para que pueda realizar sus tareas. Cuando los sensores que detectan las magnitudes físicas se conectan a un módulo de entrada del PLC, éste dispone de toda la información necesaria para controlar y supervisar un proceso.

Junto con los sensores, los actuadores y el programa de usuario los buses de campo son esenciales para que un PLC funcione.

Beneficios de un bus de campo

En las plantas de producción y procesos industriales, ante todo, emplean el bus de campo para aumentar la productividad mediante mediciones precisas de las condiciones de funcionamiento.

Las comunicaciones digitales bidireccionales de banda ancha con cada dispositivo de campo proporcionan el tipo de información que necesita el sistema de control para mejorar la productividad y la fiabilidad.

Más allá de la ejecución de la configuración inicial del dispositivo y la posterior entrega de las variables digitales del proceso, el uso más extendido de los sistemas de bus de campo es el acceso a la información de diagnóstico y estado del dispositivo de campo.

Tras la configuración inicial, los dispositivos de campo requieren una calibración periódica y comprobaciones de estado; un sistema de bus de campo ayuda de dos maneras.

En primer lugar, proporciona acceso a parámetros que pueden indicar cuándo es necesario realizar una calibración u otra acción.

Calibrar los dispositivos de campo de forma periódica no es la mejor opción, ya que algunos se calibran con demasiada frecuencia y otros no lo suficiente.

Un sistema de bus de campo junto con las herramientas de verificación puede acceder a la información de los dispositivos de campo para establecer eventos de calibración o verificación según sea necesario, ahorrando dinero y mejorando el rendimiento.

En segundo lugar, un sistema de bus de campo permite la calibración y la recopilación automática de datos de forma local o remota.

En lugar de ir a cada dispositivo de campo con lápiz y papel, un técnico puede configurar o realizar el mantenimiento de varios dispositivos electrónicamente. Esto mejora enormemente la productividad al ahorrar tiempo y documentar de forma automática los resultados.

Los dispositivos de campo individuales conectados en red pueden vincularse con los datos del dispositivo, como la documentación, la calibración y el historial de mantenimiento, y estos datos pueden mantenerse en un sistema de gestión del ciclo de vida de los instrumentos basado en la web.

Esto reduce en gran medida el tiempo necesario y los costes generales en comparación con las instalaciones que actualmente mantienen de forma manual sus propias bases de datos de dispositivos y la documentación de apoyo.

Los sistemas de bus de campo también proporcionan la información de diagnóstico necesaria para el mantenimiento predictivo. Con el cableado rígido analógico de 4-20 ma, un problema del dispositivo de campo se comunica sólo cuando la señal cae por debajo de 4 ma.

Los operarios se ven entonces obligados a reaccionar en tiempo real para gestionar el proceso afectado por la pérdida de información, y el mantenimiento se ve empujado a solucionar el problema inmediatamente.

El bus de campo proporciona al personal de la planta las herramientas necesarias para predecir los problemas de los dispositivos de campo antes de que se produzcan.

Los problemas menores de rendimiento pueden medirse y abordarse antes de que se produzca un fallo catastrófico, lo que permite realizar reparaciones o ejecutar soluciones.

Sin embargo, para obtener estas ventajas es necesario implementar un sistema de bus de campo de forma sistemática.

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