Fundamentos del Fieldbus: Explorando Tipos, Arquitectura, Ventajas y Desventajas
En un mundo industrial cada vez más interconectado, la comunicación entre dispositivos juega un papel crucial para garantizar la eficiencia y el control de procesos. El Foundation Fieldbus se ha establecido como uno de los estándares más relevantes en la automatización, permitiendo que la información fluya de manera efectiva entre distintos equipos en tiempo real. Pero, ¿qué es exactamente el Foundation Fieldbus y qué lo diferencia de otras tecnologías? En este artículo, desglosaremos sus tipos, su estructura arquitectónica, y analizaremos sus ventajas y desventajas, todo con el objetivo de ofrecerte una visión clara y completa de esta poderosa herramienta que está transformando la manera en que operan las industrias en la actualidad. ¡Acompáñanos en este viaje hacia el corazón de la automatización moderna!
El Foundation Fieldbus es un sistema de comunicación digital utilizado en la industria para la interconexión de dispositivos de control y medición. En este artículo, analizaremos los diferentes tipos de Foundation Fieldbus, su arquitectura, así como sus ventajas y desventajas. Descubre cómo esta tecnología revolucionaria está transformando la forma en que las empresas operan y optimizan sus procesos.
El Foundation Fieldbus es un sistema de comunicación bidireccional, en serie y completamente digital. El Foundation Fieldbus es un sistema de comunicación multipunto y funciona a una velocidad de 31,25 Kbits/s. El bus de campo básico funciona como la red de nivel básico en la automatización de plantas y tiene una arquitectura abierta desarrollada y administrada por FieldComm Group.
El Foundation Fieldbus conecta equipos de campo inteligentes, como transmisores inteligentes, posicionadores inteligentes y controladores, y transporta múltiples variables de cada dispositivo de campo conectado que se pueden incorporar al sistema de control. El Foundation Fieldbus es uno de los sistemas de comunicación inteligente que conecta múltiples dispositivos de campo a través de un solo cable al sistema. En su mayoría, la tecnología de bus de campo de base se utilizó en las industrias de procesos. Recientemente también se utiliza en centrales eléctricas. Hay dos tipos de bus de campo de base que utilizan diferentes medios físicos y velocidades de comunicación.
Tipos de Foundation Fieldbus
Hay dos tipos de bus de campo de base. Ellos son
- Fundación bus de campo H1
- Tipo HSE (Ethernet de alta velocidad)
Fundación bus de campo H1
El bus de campo básico H1 funciona a 31,25 Kbit/s. El Foundation Fieldbus H1 conecta los dispositivos de campo a los sistemas host. El Foundation Fieldbus H1 utiliza un cable de un solo par para proporcionar alimentación a los dispositivos de campo y recibir datos de ellos. El bus de campo básico H1 es la implementación más común en estos días.
Tipo HSE (Ethernet de alta velocidad)
El bus de campo básico de tipo HSE funciona a 100/1000 Mbit/s. El bus de campo básico de tipo HSE conecta los subsistemas de entrada y salida y los sistemas host, los dispositivos de enlace y las puertas de enlace. El bus de campo básico de tipo HSE no proporciona alimentación por cable.
En el Foundation Fieldbus, la variable de proceso principal, así como otra información importante, como los datos de diagnóstico, se transmiten a lo largo de un solo par de cables. Los dispositivos de bus de campo basados en microprocesador ayudan a reducir el tiempo de inactividad y mejoran la seguridad de la planta debido a sus capacidades de autodiagnóstico y comunicación.
Ciertas funciones de un sistema de control como AI, controlador proporcional-integral-derivativo (PID) y AO pueden ser realizadas por los dispositivos de campo mediante el uso de estos bloques de funciones estándar.
Por la distribución del control en los dispositivos de campo, se observa una disminución significativa en la cantidad de hardware necesario. La conexión multipunto es para conectar múltiples dispositivos de campo con un solo cable, lo que significa que puede haber muchos dispositivos conectados en un solo cable. Debido a esto, la reducción de cables ofrece amplias ventajas.
Además, cuando el cable se coloca previamente, los dispositivos de campo adicionales se pueden conectar más tarde. Anteriormente, la conexión multipunto era costosa. Sin embargo, el bus de campo de base utiliza solo un único par de cables desde la caja de conexiones de derivación de campo hasta el gabinete de clasificación que conecta varios dispositivos de campo y, en última instancia, reduce los costos.
Protocolos de transmisión analógica en comparación con Foundation Fieldbus
El sistema de transmisión analógica tiene solo un dispositivo de campo que se puede conectar al sistema mediante un cable de un solo par. El Fieldbus se diferencia de los dispositivos del sistema de transmisión analógica (4-20 mA) en que los dispositivos analógicos usan un par de cables dedicados para que cada dispositivo se conecte con un sistema DCS.
Los dispositivos FF también pueden lograr algunas funciones complejas. Con esto, se logra un ahorro de costos significativo y un costo reducido de puesta en marcha y tiempo de puesta en marcha. El FF puede conectarse a válvulas de control, válvulas motorizadas, transmisores e indicadores locales. En un sistema analógico, solo se puede controlar 1 válvula de control mediante un par de cables. Pero en el sistema FF, se pueden controlar varias válvulas de control con un solo par de cables (un solo par hasta el campo JB)
Especificaciones del bus de campo estándar
El bus de campo físico tiene dos tipos, bus de campo de baja velocidad y bus de campo de alta velocidad. Están estandarizados bajo las normas IEC61158-2 e ISA S50.02. Luego se agregó Ethernet de alta velocidad (HSE) como un tipo adicional.
Fieldbus de baja velocidad (FF-H1)
El bus de campo de baja velocidad tiene una velocidad de transmisión de 31,25 kbps. Se pueden conectar un máximo de 32 dispositivos por segmento. El cable que se debe utilizar es un cable de par trenzado (apantallado) o un cable de fibra óptica.
Bus de campo de alta velocidad (FF-HSE)
- El bus de campo de alta velocidad tiene una velocidad de transmisión de 100 Mbps.
- El bus de campo de alta velocidad depende del subsistema integrado por FF-HSE.
- El cable que se debe utilizar es un cable de par trenzado (apantallado) o un cable de fibra óptica.
Ventajas de Foundation Fieldbus
- Reducción del número de hilos
- Disminución del tamaño de las salas de equipos.
- También cuenta con una configuración remota y de diagnóstico de dispositivos.
- Proporciona más información para la operación y el mantenimiento.
- También proporciona una precisión mejorada de las mediciones.
- Mayor tiempo de actividad y menor tiempo de puesta en marcha.
- Ofrece mejores autodiagnósticos y diagnósticos remotos.
Desventajas de Foundation Fieldbus
- Foundation Fieldbus no es aplicable a sistemas que necesitan una respuesta del sistema de control extremadamente rápida, es decir, 200 ms o menos.
- En una sola barrera de campo, más de un dispositivo de campo está conectado. Por lo tanto, si falla la barrera de campo, o si falla el cable que conecta la barrera al gabinete de clasificación, más de un dispositivo conectado a esa barrera en particular fallará.
Topologías de Foundation Fieldbus
El bus de campo básico sigue una topología de árbol.
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El bus de campo Foundation utiliza una topología de pie de pollo. En el bus de campo básico, las fuentes de alimentación están ubicadas en el gabinete de clasificación que también tiene una placa base. Esta placa base generalmente se conecta a los controladores mediante cables prefabricados.
Un cable de 5 pares va desde el gabinete de clasificación hasta la caja de conexiones intermedia en el campo. Ahora bien, de estos 5 pares, un par generalmente se mantiene como repuesto y los otros 4 pares se conectan a 4 cajas de derivación diferentes en el campo que tienen barreras de campo. Estas barreras tienen dispositivos de campo conectados a ellas mediante cables individuales.
Cables utilizados en FF
- Los cables derivados H1 deben ser de un solo par trenzado con un blindaje general. Deben ser compatibles según el estándar FF-844. Deben ser de tipo A según las especificaciones IEC-61158-2.
- Los cables troncales H1 deben ser pares trenzados múltiples y deben tener blindajes individuales y generales. También siguen los estándares en IEC-61158-2.
- La longitud máxima de los cables FF, incluido el tronco y todas las derivaciones, es de 1900 metros.
- La longitud máxima del tronco en los cables FF es de 1200 metros.
- La longitud máxima del cable derivado en función del diseño de la barrera es de 120 metros.
Especificaciones de los cables Foundation Fieldbus
Para el protocolo Foundation Fieldbus, se utiliza un determinado nivel de señal para las transferencias de datos. Por la misma razón, la especificación del cable es muy importante. Se pueden utilizar un total de 4 tipos de cables Fieldbus. Son cables de bus de campo tipo A, tipo B, tipo C y tipo D. Según el estándar Foundation Fieldbus, el cable tipo A es el más adecuado y es el cable Foundation Fieldbus más extendido.
Vamos a ver todos 4 tipos de especificaciones de cable Fieldbus en detalle.
a. Cable de bus de campo tipo A
El cable Fieldbus tipo A utiliza un cable de par trenzado de 18 AWG (American Wire Gauge). Se utiliza un cable de par trenzado para cancelar el efecto del ruido en la señal. Se utiliza un blindaje sobre el par trenzado para reducir aún más el efecto del ruido. El cable de bus de campo tipo A tiene un tamaño de cable de 18 AWG o 0,8 mm, cobertura de blindaje del 90 %, atenuación de 3 dB/km a 39 kHz, impedancia característica de 100 ohmios +/-20 % a 31,25 kHz y permite un cable máximo longitud de 1.900 m.
b. Cable de bus de campo tipo B
El cable de bus de campo tipo B es un par de cables de 22 AWG con blindaje múltiple. El tipo de cable Fieldbus Tipo B ofrece una impedancia característica de 100 Ω a 31,25 kbps. Uno de los inconvenientes del cable Fieldbus Tipo B es su mayor resistencia eléctrica debido al tamaño más pequeño del cable. La longitud máxima de red que se puede crear con cable tipo B es de 1.200 metros.
C. Cable de bus de campo tipo C
El cable de bus de campo tipo C es un par múltiple sin blindaje de cables de 26 AWG. La longitud máxima del cable Fieldbus Tipo C es solo de hasta 400 metros. El cable de bus de campo tipo C no es el preferido para el cable de bus de campo porque no tiene blindaje.
d. Cable de bus de campo tipo D
El cable de bus de campo tipo D es un cable multinúcleo de 16 AWG sin blindaje ni trenzado. La longitud máxima del cable Fieldbus Tipo D es solo de hasta 200 metros. El cable de bus de campo tipo D tampoco es el preferido para el cable de bus de campo porque no tiene blindaje.
Intensidad de la señal en el protocolo Foundation Fieldbus
La intensidad de la señal estándar de un protocolo Foundation Fieldbus está predefinida. La intensidad de la señal debe estar dentro de los límites especificados. La intensidad de la señal en la red puede disminuir debido al ruido, terminaciones excesivas en el bucle o cualquier otra falla en el cable o el circuito de cualquier dispositivo.
La intensidad de la señal también puede aumentar, lo que no es aceptable en el protocolo Foundation Fieldbus. Este aumento en la intensidad de la señal puede deberse a una menor cantidad de terminadores utilizados en el bucle oa un terminador defectuoso utilizado en el bucle. La intensidad de la señal permitida en el protocolo Foundation Fieldbus se muestra a continuación.
Nivel de señal en milivoltios (pico-pico)
Interpretación del nivel de la señal
800 mV o más
Falta una resistencia de terminación o una terminación defectuosa
350 mV a 700 mV
Excelente fuerza de señal
150 mV a 350 mV
Nivel de señal marginalmente bajo debido a un terminador adicional
150 mV o menos
Muy poca señal para el funcionamiento.
Mantenga siempre 2 terminadores en el bucle en ambos extremos para tener una señal excelente. Ahora tendremos una discusión sobre los niveles de ruido que pueden afectar nuestra señal en el protocolo Foundation Fieldbus.
>Nivel de ruido en el protocolo Foundation Fieldbus
Como el protocolo Foundation Fieldbus funciona con niveles de señal de milivoltios, el nivel de ruido en la señal juega un papel muy importante. Por debajo de cierto nivel, el ruido no afectará la señal de Foundation Fieldbus. Pero por encima de cierto nivel, la señal de Foundation Fieldbus comenzará a deteriorarse debido al efecto del ruido. Por lo tanto, es muy importante mantener siempre el nivel de ruido por debajo de los límites especificados. El nivel de ruido se mide en milivoltios (pico a pico). Los límites del ruido son los que se muestran a continuación:
Nivel de ruido en mV (pk-pk)
Interpretación de señales
25 mV o menos
excelente señal
25 mV a 50 mV
bien señal
50 mV a 100 mV
señal marginal
100 mV o más
Señal debil
Esta es la razón por la que medimos el nivel de ruido cuando nos enfrentamos a cualquier problema en la señal de Foundation Fieldbus o cualquier dispositivo en la red. Un blindaje adecuado en los cables utilizados para el protocolo Foundation Fieldbus juega un papel muy importante para eliminar el ruido y, por lo tanto, el cable Fieldbus Tipo-A se usa ampliamente.
Fluctuación en el protocolo Foundation Fieldbus
La medición de la fluctuación de fase es el método más preciso que se utiliza para indicar un fallo en desarrollo en un dispositivo de bus de campo básico. Varias organizaciones como MTL, P&F, Relcom, Chevron, Emerson y Yokogawa también acordaron el hecho de que la medición de la fluctuación de fase es un parámetro muy beneficioso para analizar cualquier impedancia de red y el rendimiento de la fuente de alimentación en el bus de campo básico.
La medición del jitter también es el único parámetro que nos permite medir y confirmar el cumplimiento de la fuente de alimentación del bus de campo con el estándar IEC61158-2 y su compatibilidad con otros dispositivos utilizados. La especificación de prueba de fuente de alimentación de bus de campo FF-831 también se puede verificar midiendo los niveles de fluctuación. Es muy importante tener en cuenta que la medición de Jitter ignorará por completo los efectos del ruido, la atenuación y la distorsión.
Por ejemplo, digamos que el nivel de ruido está dentro de los límites aceptables. La atenuación de la señal y la distorsión de la señal también están dentro de los límites. Por lo tanto, no darán ninguna alarma. Pero colectivamente, todos ellos pueden hacer que la detección de datos falle. Aquí Jitter ayudará a detectar el inicio de la falla antes de que cualquier otro parámetro dé una indicación.
Foundation Fieldbus: Tipos, Arquitectura, Ventajas y Desventajas
En un mundo industrial cada vez más interconectado, la comunicación entre dispositivos juega un papel crucial para garantizar la eficiencia y el control de procesos. Foundation Fieldbus se ha establecido como un estándar relevante en la automatización, permitiendo que la información fluya de manera efectiva entre distintos equipos en tiempo real. Pero, ¿qué es exactamente el Foundation Fieldbus y qué lo diferencia de otras tecnologías?
¿Qué es Foundation Fieldbus?
El Foundation Fieldbus es un sistema de comunicación digital utilizado en la industria para la interconexión de dispositivos de control y medición. Este sistema multipunto funciona a una velocidad de 31,25 Kbits/s y conecta dispositivos de campo inteligentes que transportan múltiples variables que se pueden incorporar al sistema de control. Algunos de los dispositivos comúnmente interconectados son transmisores, posicionadores y controladores [[2](https://www.itztli.es/foundation-fieldbus-tipos-arquitectura-ventajas-desventajas/)].
Tipos de Foundation Fieldbus
Existente en dos arquitecturas principales:
- Bus de Campo H1: Opera a 31,25 Kbit/s y conecta dispositivos de campo a sistemas host mediante un solo par de cables que también les proporciona alimentación.
- Bus de Campo HSE (Ethernet de alta velocidad): Funciona a 100/1000 Mbit/s y conecta los subsistemas de entrada/salida y sistemas host, pero no proporciona alimentación por cable.
Arquitectura del Foundation Fieldbus
El bus sigue una topología de árbol, donde las fuentes de alimentación se ubican en el gabinete de clasificación y se conectan a dispositivos de campo a través de un cable de pares trenzados apantallados. Este diseño simplifica la instalación y mejora el mantenimiento [[3](https://imepi.com.mx/que-es-fieldbus-y-porque-es-importante-para-la-automatizacion-industrial/)].
Ventajas de Foundation Fieldbus
- Reducción del número de hilos: Usar un solo par de cables para múltiples dispositivos.
- Menos hardware: La distribución del control en los dispositivos de campo reduce los requisitos totales de hardware.
- Mejores diagnósticos: Proporciona capacidades de autodiagnóstico que mejoran la seguridad y el tiempo de actividad.
- Costos reducidos: La implementación multipunto y el uso de menos cableado disminuyen los costos de instalación y mantenimiento.
Desventajas de Foundation Fieldbus
- Limitaciones en velocidad: No es adecuado para sistemas que requieren respuestas rápidas (menos de 200 ms).
- Dependencia de la conexión: Una falla en un punto de conexión puede afectar a múltiples dispositivos.
FAQ – Preguntas Frecuentes
¿Foundation Fieldbus es aplicable en todas las industrias?
Foundation Fieldbus es particularmente efectivo en industrias de proceso, como el petróleo y el gas, pero su aplicación puede ser limitada en sistemas que requieren tiempos de respuesta extremadamente rápidos.
¿Cómo se compara Foundation Fieldbus con otros sistemas de comunicación?
A diferencia de los sistemas de transmisión analógica tradicionales, Foundation Fieldbus permite la interconexión de varios dispositivos de campo a través de un solo cable, lo que facilita la instalación y mejora la flexibilidad del sistema.
¿Qué tipo de cable se utiliza para Foundation Fieldbus?
Se utilizan cables trenzados apantallados que cumplen con las especificaciones IEC-61158-2 y varían entre tipos A, B, C y D, dependiendo de las necesidades del sistema y la longitud deseada.
Conclusiones
El Foundation Fieldbus representa un avance significativo en la automatización industrial, proporcionando una plataforma eficiente y flexible para la interconexión de dispositivos en ambientes de fabricación. Al sopesar sus ventajas y desventajas, las empresas pueden tomar decisiones informadas sobre su implementación en sus operaciones.
Fuentes adicionales
Para más información, puedes consultar los siguientes recursos:
Farhan: ¡Totalmente de acuerdo, presajalS! La verdad es que tuve una experiencia similar. Cuando implementamos Foundation Fieldbus en nuestra planta, la mejora en la integración de los equipos fue impresionante. Al principio, la curva de aprendizaje fue alta, pero una vez que te acostumbras, ¡no hay vuelta atrás! Las ventajas en eficiencia son innegables, aunque hay que tener en cuenta el soporte técnico, que a veces puede ser un dolor de cabeza. En fin, es un sistema que vale la pena explorar.
¡Hola presajalS.! La verdad es que el artículo sobre Foundation Fieldbus me pareció muy interesante y completo. Durante mi tiempo trabajando en una planta de procesos, tuve la oportunidad de implementarlo, y debo decir que la comunicación en tiempo real entre los dispositivos fue un cambio radical. Me encantó cómo optimizó la gestión de datos, aunque a veces sentí que la complejidad de su configuración podía ser un poco abrumadora. En general, creo que las ventajas superan las desventajas, pero definitivamente hay que estar preparado para el desafío. ¿Tú qué piensas?