10 momentos clave en la historia de PROFIBUS & PROFINET International. Parte 1: Profibus.
¡Feliz aniversario nro 35 para PROFIBUS y PROFINET International!
Durante los últimos 35 años, la organización PROFIBUS & PROFINET International (PI) ha tenido éxito en la tarea de mantenerse al día con la evolución de la tecnología de comunicaciones industriales.
Desde sus inicios en 1989, cuando se presentó la primera versión de la especificación PROFIBUS, la familia de protocolos de comunicación industrial de PI ha evolucionado continuamente, adoptando nuevas tecnologías y conceptos, y ofreciendo siempre una ruta de actualización para las instalaciones existentes.
Mi propósito inicial en este artículo era narrar la historia de los 35 años de vida de PI, pero rápidamente me di cuenta de que era una tarea enorme, no la más adecuada para el formato que las publicaciones de LinkedIn.
Mientras investigaba y compilaba la información necesaria para este artículo, me di cuenta de que e puede identificar a PROFIBUS como una tecnología del siglo XX, mientras que PROFINET es una solución del siglo XXI.
Por esta razón, decidí seguir un camino alternativo: una lista de las diez características e innovaciones más importantes que permitieron que el bus de campo PROFIBUS original (en la primera parte del artículo) y la tecnología PROFINET existente hoy en día (en la segunda parte del artículo) pudieran mantenerse relevantes en el ámbito siempre cambiante de las redes de comunicación industrial. Por supuesto, esta lista está hecha en base a un punto de vista y una experiencia personal. Por lo tanto, si el lector considera que una característica importante no está incluida en esta lista, lo invitamos a mencionarla en la sección de comentarios.
Una vez explicada la idea básica detrás de esta nota y con el objetivo de brindar a los lectores algunos puntos de referencia temporal, decidí incluir una breve lista de eventos mundiales que tuvieron lugar en los años en que se presentaron esas diez innovaciones.
Comencemos:
1989
El año en que se lanzó PROFIBUS DP y en el que comenzó a funcionar la Organización de Usuarios de PROFIBUS (PNO o PROFIBUS Nutzerorganisation e.V.), una entidad sin fines de lucro. La PNO fue la Organización de Desarrollo de Estándares (SDO) inicial que tomó la responsabilidad del desarrollo continuo de PROFIBUS. La primera versión de PROFIBUS DP fue renombrada como DP-V0 cuando la versión V1 fue presentada algunos años más tarde.
Fue el primer protocolo de comunicaciones industriales en serie que ofrecía transferencias de datos de alta velocidad y un amplio espacio de direcciones.
En el mercado existían otras opciones con funcionalidad similar como ControlNet y DeviceNet (ambos basados en el protocolo CIP administrado por ODVA) y Modbus RS485, pero ninguno podía igualar ni la velocidad de transferencia de datos de 12 Mbps ni el espacio de direccionamiento de 126 nodos que ofrecía PROFIBUS DP. Y aunque la velocidad de 12 Mbps sólo se podía usar en determinadas aplicaciones, debido a la sensibilidad a problemas relacionados con EMC y de conexión a tierra que experimentaba PROFIBUS, la velocidad de transferencia de datos más utilizada de 1,5 Mbps era cuatro veces más rápida que cualquier opción disponible en la competencia en la época. Un factor adicional que favoreció la adopción de PROFIBUS DP fue que el cable tipo RS-485 estaba ampliamente disponible en el mercado.
La configuración del hardware se realiza mediante el uso de archivos GSD basados en texto. Estos archivos contienen toda la información necesaria para permitir que el Maestro establezca un ciclo de escaneo de datos de ES con los esclavos. De esa manera se habilita el modo de comunicaciones cíclico y determinístico en los segmentos de la red. Una consecuencia de la adopción de un método de comunicación Maestro-Esclavo es que solo el Maestro puede interrogar a los esclavos mientras que los esclavos sólo pueden responder al Maestro. Si bien este era un método algo anticuado aún en esos años, resultó ser útil debido a la estabilidad inherente de este concepto.
La primera versión de PROFIBUS DP fue diseñada para trabajar principalmente con sistemas de Entrada y Salida Remota (RIO), los que se diseñaron siguiendo el modelo de dispositivo modular implementado en el protocolo. De hecho, este era el significado del nombre del protocolo: PROcess FIeld BUS Decentralized Periphery.
Una ventaja notable ofrecida por PROFIBUS DP desde sus inicios fue el ahorro en cableado. Al reducir la necesidad de cableado paralelo, el costo del cableado se puede reducir de manera proporcional a la distancia existente entre las aplicaciones y los sistemas RIO. Por este motivo se trata de montar los sistemas RIO lo más cerca posible de la aplicación.
El mercado fue muy receptivo a PROFIBUS DP y la disponibilidad de sistemas RIO compatibles con este protocolo creció exponencialmente.
En 1995, debido al éxito de PROFIBUS, las Asociaciones PROFIBUS regionales y la PNO se unieron para formar la organización PROFIBUS & PROFINET International (PI), responsable por el desarrollo, mantenimiento y evolución de esta tecnología. El área de interés de PI empieza a expandirse más allá de PROFIBUS y se comienza a experimentar con la tecnología Ethernet Industrial.
¿Qué más estaba pasando en el mundo?
1996, primer semestre
Con un fuerte apoyo tanto de los usuarios finales como de los proveedores de equipos PROFIBUS DP-V0, la nueva especificación PROFIBUS DP-V1 se lanzó este año. PROFIBUS DP-V1 añadió a las especificaciones la funcionalidad multimaestro, la comunicación acíclica y los perfiles de aplicación.
La primera mejora se logró utilizando dos ciclos de escaneo diferentes en la red. El maestro primario conectado al controlador, también conocido como Maestro Clase I, escanea secuencialmente los esclavos por orden de dirección utilizando el intercambio de datos cíclico de la misma manera que en DP-V0.
Todos los maestros de red están conectados en una topología de red tipo Token Ring. (anillo de token), por lo tanto, solo el Maestro que tiene el token en su poder puede escanear la red. Después de que el Maestro completa un escaneo, el token se transfiere del Maestro primario al Maestro secundario - también conocido como maestro de Clase 2 -el cual realiza un nuevo escaneo.
Este nuevo escaneo se realiza usando comunicación acíclica. Este modo permite que el Maestro secundario intercambie datos acíclicos con los esclavos, tales como valores de configuración y parametrización e información de diagnóstico avanzada. De esta manera, el Maestro de Clase 2 puede funcionar como una herramienta de gestión de activos y permite a los usuarios realizar cambios en la configuración de la red sobre la marcha, minimizando así la necesidad de reiniciar el controlador después de efectuar cambios en la misma.
Como beneficio adicional, el modo de comunicaciones acíclicas permite a un Maestro Clase 2 realizar la parametrización y configuración remotas de dispositivos HART, así como recibir sus diagnósticos HART. Los dispositivos HART deben estar conectados al sistema de E/S mediante módulos de E/S compatibles con HART que puedan canalizar mensajes HART como comunicación acíclica a través del protocolo PROFIBUS DP-V1.
¿Qué más estaba pasando en el mundo?
1996, segundo semestre
Este año resultó ser un momento decisivo para la tecnología de PI. Especialmente para la industria de la Automatización de Procesos.
Después de una larga disputa entre los proveedores de automatización europeos y los con sede en EE. UU., finalmente se llega a un acuerdo sobre el contenido del estándar IEC 61158-2.
Este estándar, condujo al lanzamiento de dos protocolos de bus de campo: PROFIBUS-PA (Process Automation) basado en el perfil de aplicación de dispositivos PROFIBUS PA y FOUNDATION Fieldbus. Ambos buses de campo usan la misma capa física, por lo que pueden utilizar los mismos componentes de infraestructura, pero requieren de controladores e instrumentación de campo compatibles específicos.
Los dispositivos PROFIBUS PA son dispositivos de campo inteligentes que ofrecen funciones avanzadas como configuración y parametrización remotas, diagnósticos avanzados y pueden funcionar como dispositivos multivariables.
La tecnología PROFIBUS PA ofrece, en los dispositivos de campo, funcionalidades inteligentes avanzadas similares a las que ofrece la tecnología HART, pero con una velocidad de transferencia de datos de 31,25 kbps. PROFIBUS PA permite realizar la transferencia de datos casi 30 veces más rápido que HART, además de ofrecer una instalación más sencilla y la eliminación de la necesidad de usar multiplexores HART.
Mediante el uso de la codificación Manchester Bus Powered (MBP), la tecnología PROFIBUS PA puede suministrar energía y comunicaciones a los dispositivos de campo conectados a través de un solo cable de dos hilos trenzado y mallado (cable Tipo 1) y con el hardware correcto, también puede ser intrínsecamente seguro habilitando su uso en áreas clasificadas hasta la Zona 1.
El problema del uso de diferentes velocidades de transferencia de datos para las tecnologías PROFIBUS DP y PROFIBUS PA se resuelve utilizando diferentes tipos de dispositivos de enlace (enlaces y acopladores) que funcionan como proxies de red entre las dos diferentes capas físicas.
Los fabricantes de estos dispositivos de enlace implementaron mejoras continuamente y, en sus versiones finales, permiten el uso de segmentos PROFIBUS PA funcionando a 31.25 Kbps en combinación con segmentos PROFIBUS DP trabajando a 12 Mbps.
El enfoque integral utilizado por PI para la tecnología PROFIBUS ofrecía una solución de protocolo único coherente, totalmente compatible e integrada para la industria de la automatización, que cubría todo el espectro de aplicaciones, desde el controlador hasta los dispositivos de campo.
Quedaba un problema: para que las funciones avanzadas de PROFIBUS DP-V1 y PROFIBUS PA fueran accesibles para los usuarios finales, los dispositivos PROFIBUS necesitaban una solución a la falta de un método de descripción de dispositivos compatible con los modos de comunicación cíclico y acíclico.
Dado que los archivos GSD solo podían soportar comunicaciones cíclicas, la necesidad de un método para realizar las comunicaciones acíclicas se resolvió mediante dos enfoques diferentes, los que describiremos más adelante.
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¿Qué más estaba pasando en el mundo?
2000
La primera solución que se puso a disposición de los usuarios para hacer frente a la necesidad de usar comunicaciones cíclicas y acíclicas simultáneamente se basó en utilizar la tecnología EDDL (Electronic Device Description Language), la cual se originó en la tecnología DD (Device Descriptor) utilizada en el protocolo HART.
Se basa en el uso de archivos EDD (Enhanced Device Descriptor), los cuales son archivos de texto creados utilizando el lenguaje EDDL, para describir las características de comunicación digital de los dispositivos de campo inteligentes. Estos datos pueden ser el estado del dispositivo, los datos de diagnóstico y los parámetros de configuración. Esta información se transfiere al host del sistema, el cual debe contar con un intérprete o analizador de EDDL. Este intérprete utiliza la información contenida en el archivo EDD para crear un entorno de ingeniería capaz de soportar cualquier tipo de dispositivo, de cualquier proveedor y mediante el uso de cualquier protocolo de comunicaciones.
Los EDD basados en EDDL son compatibles con todas las plataformas y sistemas, ya que solo contienen descripciones basadas en texto del dispositivo que representan. Esa flexibilidad los convirtió en la opción preferida para los proveedores de DCS y PCS, ya que significaba que un proveedor no tenía que desarrollar una herramienta de software de configuración para cada nuevo dispositivo. Los proveedores solo tenían que crear un archivo de texto de descripción del dispositivo utilizando el lenguaje EDDL. El intérprete de Host EDDL crea la interfaz de usuario del dispositivo mediante un analizador integrado.
El aspecto de los archivos EDDL puede variar entre los diferentes sistemas de control, ya que la forma en que se representan depende de la calidad del intérprete de EDDL del sistema.
Los descriptores de dispositivo EDD pueden gestionar los modos de comunicación cíclico y acíclico y también pueden funcionar en una configuración mixta, es decir, utilizando archivos GSD para el modo cíclico y archivos EDD para el modo acíclico.
Aunque los EDD son descriptores basados en texto, el lenguaje EDDL puede ofrecer gráficos avanzados en las interfaces de usuario creadas por el intérprete de EDDL del sistema, inclusive mostrar asistentes avanzados de configuración de dispositivos.
La tecnología EDDL se describe en la norma IEC 61804-2.
¿Qué más estaba pasando en el mundo?
2001
La segunda solución disponible para hacer frente al problema de las comunicaciones cíclicas y acíclicas fue la tecnología FDT/DTM (Field Device Tool/Device Type Model), desarrollada por el FDT Group.
El enfoque FDT/DTM se basa en el uso de paquetes de software. Este método utiliza una aplicación marco (o framework) basado en software como contenedor para los archivos DTM, que son descriptores de dispositivo basados en software.
Los DTM funcionan como controladores y permiten la interacción entre la aplicación marco y los dispositivos de campo, lo que permite el uso de datos acíclicos con fines de configuración, parametrización y diagnóstico del dispositivo en una estación de trabajo basada en Windows, mientras que los archivos GSD se ocupan de los datos cíclicos en el controlador.
Hay varios tipos de DTM que representan dispositivos físicos. Mediante la interconexión de estos DTM, los usuarios finales pueden crear una representación digital del hardware real utilizado para el funcionamiento de un dispositivo identificado.
Se pueden ejecutar aplicaciones específicas en la aplicación marco, lo que hace que este enfoque sea el más adecuado para aplicaciones complejas, sin tener que depender del soporte del sistema de control para ejecutar estas aplicaciones.
Esta función es muy adecuada para la configuración, parametrización y diagnóstico de dispositivos inteligentes sin soporte nativo del sistema host. Esta característica permitió a los proveedores de PLC ofrecer soluciones avanzadas de gestión de activos sin necesidad de actualizar el software de su sistema.
La tecnología FDT está diseñada utilizando un enfoque modular, la aplicación marco puede adoptar la forma de una herramienta de configuración de un solo dispositivo independiente, una herramienta de gestión de activos independiente o integrada en el software del sistema.
FDT funciona como una capa de abstracción que oculta el funcionamiento interno de los procedimientos de comunicación utilizados en la aplicación detrás de una interfaz fácil de usar. Esta interfaz funciona como el administrador de dispositivos de una planta de proceso.
Dado que los DTM están basados en software, mantienen su apariencia en diferentes sistemas anfitriones. Esta característica puede producir reducciones en los costos operativos al simplificar la capacitación requerida de los operadores y estandarizar los procedimientos de soporte. Pero esta característica implica que las aplicaciones marco deben instalarse en plataformas compatibles, es decir, PC basadas en Windows. Las versiones posteriores de FDT agregaron soporte para HTML y funcionalidad de servidor en red, lo que hizo que el sistema de tecnología FDT se pueda instalar con funcionalidad de servidor, independizandose de cualquier sistema.
La tecnología FDT/DTM se describe en la norma IEC 62453-2:2022.
¿Qué más estaba pasando en el mundo?
El fin de una era y el comienzo de una nueva era
A primera vista, puede parecer que el hecho de que la vida útil de PROFIBUS alcanzó su punto más alto en los últimos años del siglo XX y que su sucesor, PROFINET, se convirtiera en algo habitual en las primeras décadas del siglo XXI sea una simple casualidad.
Pero este no es el caso. PROFIBUS fue el resultado del primer intento de desarrollar un entorno de automatización digital unificado para el mercado de la automatización industrial, y alcanzó resultados espectaculares en ese rol.
Pero PROFIBUS se construyó sobre cimientos antiguos: es decir, protocolos de tipo serie que utilizaban componentes industriales estándar (como cables RS-485 y conectores DB-9) que habían sido diseñados más de una década antes y para aplicaciones totalmente diferentes.
El nuevo siglo introdujo en la industria la tecnología Ethernet, que evolucionó increíblemente rápido, y con ella todas las tecnologías de red que hicieron posible Internet.
Las tecnologías basadas en serie nunca podrían alcanzar las economías de escala que caracterizan a los componentes Ethernet y el rendimiento de esta tecnología sigue creciendo en velocidad, disponibilidad y resistencia a niveles con los que la tecnología en serie solo podría soñar.
La organización PROFIBUS y PROFINET International ha sido capaz de ofrecer continuamente rutas de actualización razonables para los usuarios finales de sus tecnologías y este SDO es consciente de que el futuro de las redes industriales ya no reside en los protocolos de comunicación o las capas físicas.
El futuro pertenece a aquellos que adoptan el uso eficiente y transparente de los datos a través de la planta, en un entorno de trabajo integrado basado en la gestión de datos mediante el uso de modelos de información estandarizados.
En otras palabras, podemos considerar a PROFIBUS como el último intento de las tecnologías analógicas en mantenerse relevantes en el mundo digital y pensar en PROFINET como la aceptación de que el nuevo siglo requiere adoptar la digitalización por parte de todos nosotros.
Mirko Torrez Contreras es consultor y formador en Automatización de Procesos. Es un verdadero fanático y adicto a la historia, por lo que cuando se le ocurrió hacer un resumen cronológico de los principales hitos alcanzados por PROFIBUS & PROFINET International (PI) en los últimos 35 años, decidió pasar mucho tiempo revisando fechas y hechos para asegurarse de que los eventos históricos presentados en este artículo sean correctos.
Pero también es un ser humano, por lo tanto, puede haber errores involuntarios. Si encuentra alguna omisión o error en los segmentos "Qué más estaba sucediendo en el mundo" de este artículo, escriba un comentario y se realizarán las correcciones necesarias.
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