Al integrar un variador de frecuencia a un sistema de control, la red resuelve solo una parte del problema: transportar bytes de forma confiable. Falta acordar qué significan esos bytes, cómo se arranca y se detiene el motor, cómo se leen los parámetros y cómo se informa una falla. Esa es la función de PROFIdrive, el perfil de accionamientos de PROFIBUS & PROFINET International (PI), especificado en el documento PI Order No. 3.172, versión 4.2 [1]. Los fundamentos del convertidor se tratan en el artículo Principio de funcionamiento del variador de frecuencia.
Un perfil normalizado e independiente de la red
PROFIdrive establece un comportamiento unificado del dispositivo y una técnica de acceso común a los datos del accionamiento, como complemento de los protocolos PROFIBUS DP y PROFINET IO [1]. Su contenido está recogido en la serie IEC 61800-7, Generic interface and use of profiles for power drive systems, que se organiza en tres niveles:
- IEC 61800-7-1 define la interfaz genérica entre el sistema de accionamiento de potencia, PDS (Power Drive System), y el programa de aplicación del controlador [2].
- IEC 61800-7-203 especifica el tipo de perfil 3 (profile type 3), que corresponde a PROFIdrive [3].
- IEC 61800-7-303 especifica el mapeo de ese tipo de perfil a las tecnologías de red, en particular PROFIBUS y PROFINET [4].
Esta separación entre perfil y red es el beneficio central: la aplicación del controlador usa el mismo modelo de accionamiento, los mismos telegramas y los mismos parámetros sobre PROFIBUS DP o PROFINET IO. Los bloques de programa y los procedimientos de diagnóstico pueden reutilizarse con equipos de distintos fabricantes, lo que reduce el esfuerzo de ingeniería, puesta en marcha y capacitación [1], [5].
Modelo de dispositivos
El perfil distingue tres clases de dispositivo [5]:
- Controlador (controller): el equipo de automatización que comanda el accionamiento, por ejemplo un PLC, un control numérico o un controlador de robot.
- Supervisor (supervisor): una estación de ingeniería o una HMI que accede a parámetros y diagnóstico, típicamente de forma acíclica.
- Dispositivo periférico (peripheral device): el accionamiento propiamente tal, modelado como una unidad de accionamiento (drive unit) que contiene uno o más objetos de accionamiento, DO (Drive Object) [3].
Cada objeto de accionamiento representa la funcionalidad de un eje, con sus propios datos cíclicos, parámetros y máquina de estados; así, un equipo multieje se describe con el mismo modelo que un variador de un solo motor.
Clases de aplicación
PROFIdrive define seis clases de aplicación, AC (Application Class), que cubren desde una bomba con consigna de velocidad hasta el control de movimiento multieje sincronizado [3], [5].
| Clase | Denominación | Reparto de funciones |
|---|---|---|
| AC1 | Accionamiento estándar | El controlador envía la consigna de velocidad; el lazo de velocidad se ejecuta íntegramente en el accionamiento |
| AC2 | Accionamiento estándar con función tecnológica | Parte del proceso se distribuye entre accionamientos, con intercambio de datos entre ellos |
| AC3 | Accionamiento de posicionamiento | El accionamiento ejecuta el control de posición y actúa como posicionador autónomo de un eje |
| AC4 | Control de movimiento central con consigna de velocidad | El lazo de velocidad se cierra en el accionamiento y el lazo de posición en el controlador |
| AC5 | Control de movimiento central con consigna de posición | El controlador entrega consignas de posición en lugar de velocidad |
| AC6 | Automatización descentralizada con procesos sincronizados y eje electrónico | Un accionamiento maestro al que se sincronizan varios accionamientos esclavos |
AC1 y AC3 cubren bombas, ventiladores, compresores, cintas y posicionadores simples; AC4 a AC6 se orientan a máquinas herramienta, robots y sistemas multieje.
Canal cíclico: telegramas y señales normalizadas
Los datos de proceso cíclicos se construyen con señales normalizadas, con abreviaturas derivadas del alemán. Las más frecuentes son la palabra de control 1 (STW1, control word 1), la palabra de estado 1 (ZSW1, status word 1), la consigna de velocidad (NSOLL_A en 16 bits o NSOLL_B en 32 bits) y el valor real de velocidad (NIST_A o NIST_B) [3]. Las velocidades se transmiten normalizadas: en el formato de 16 bits, el valor 4000 hex equivale al 100 % de la velocidad de referencia configurada en el accionamiento [1].
El perfil agrupa estas señales en telegramas estándar (standard telegrams), idénticos en PROFIBUS y PROFINET [3], [4]. La tabla resume algunos de ellos.
| Telegrama | Datos del controlador al accionamiento | Datos del accionamiento al controlador | Uso típico |
|---|---|---|---|
| 1 | STW1, NSOLL_A | ZSW1, NIST_A | AC1, velocidad en 16 bits |
| 2 | STW1, NSOLL_B, STW2 | ZSW1, NIST_B, ZSW2 | AC1, velocidad en 32 bits |
| 3 | STW1, NSOLL_B, STW2, G1_STW | ZSW1, NIST_B, ZSW2, G1_ZSW, G1_XIST1, G1_XIST2 | AC4, velocidad con un encoder |
| 5 | Telegrama 3 + XERR, KPC | ZSW1, NIST_B, ZSW2, G1_ZSW, G1_XIST1, G1_XIST2 | AC4, con desviación de posición y ganancia |
| 7 | STW1, SATZANW | ZSW1, AKTSATZ | AC3, selección de bloque de desplazamiento |
| 9 | STW1, SATZANW, STW2 y consignas de entrada directa, MDI (Manual Data Input): posición, velocidad, aceleración, deceleración y modo | ZSW1, AKTSATZ, ZSW2, XIST_A | AC3, entrada directa de consignas |
STW2 y ZSW2 transportan, entre otras funciones, la señal de vida (sign-of-life), con la que ambos extremos detectan la pérdida de sincronismo. Para la industria de procesos, el perfil incluye además una sección dedicada a la integración de accionamientos según las recomendaciones VIK-NAMUR [3].
Interfaz de encoder
PROFIdrive admite hasta tres encoders de posición por eje. Las señales Gx_STW y Gx_ZSW gestionan las funciones del encoder, y Gx_XIST1 y Gx_XIST2 entregan los valores de posición al controlador [5]. Los principios de estos sensores se tratan en el artículo Encoders y resolvers.
Máquina de estados del accionamiento
STW1 no transmite una orden aislada de marcha o parada: sus bits actúan sobre una máquina de estados normalizada, y ZSW1 informa el estado alcanzado. El diagrama general contempla los estados Switching On Inhibited (bloqueo de conexión), Ready for Switching On (listo para conectar), Switched On (conectado), Operation (en operación) y Switching Off (en desconexión) [3], [5].
Para la detención, el perfil distingue tres modos. OFF1 lleva el motor a reposo siguiendo la rampa de deceleración configurada; OFF2 corresponde a la parada por inercia (coast stop), en que se bloquean de inmediato los pulsos de disparo del inversor; y OFF3 es la parada rápida (quick stop), con una rampa de deceleración más corta [5]. Como STW1 incluye además habilitaciones de operación y de consigna y el reconocimiento de fallas, la secuencia de arranque es idéntica en cualquier accionamiento conforme, lo que simplifica la programación de la lógica de mando.
Canal acíclico: acceso a parámetros
Los parámetros no son críticos en el tiempo, por lo que se acceden de forma acíclica, sin cargar el intercambio de datos de proceso. El mecanismo normalizado es el acceso a parámetros en modo base, BMPA (Base Mode Parameter Access), basado en una estructura de petición y respuesta [3]. En PROFIBUS se transporta con los servicios acíclicos de lectura y escritura de DP-V1, y en PROFINET IO mediante servicios de lectura y escritura de registros (record data) [4]. Los parámetros 900 a 999 están reservados para funciones del perfil, como la identificación del dispositivo, la configuración de telegramas y el búfer de fallas [5].
Operación sincronizada
En las clases AC4 a AC6 los lazos de posición se cierran a través de la red, por lo que la adquisición de valores reales y la aplicación de consignas deben ocurrir en instantes definidos. PROFIdrive especifica la operación sincronizada con el reloj (clock synchronous operation) [3]. En PROFIBUS DP se implementa mediante el ciclo equidistante de DP-V2, y en PROFINET mediante tiempo real isócrono, IRT (Isochronous Real-Time), definido en los perfiles de comunicación de IEC 61784-2-3 [6]. Para estas clases de aplicación, la fluctuación (jitter) de la señal de reloj debe ser igual o inferior a 1 µs [5].
Diagnóstico y seguridad funcional
El perfil distingue advertencias, que se reconocen solas al desaparecer la causa, y fallas, que provocan una reacción definida del accionamiento. Cada falla queda registrada en el búfer de fallas con su número, un código opcional y un valor asociado o la hora del evento [5]. En PROFINET, estas condiciones se integran además con los servicios de diagnóstico y alarmas de PROFINET IO [4].
Las funciones de seguridad del accionamiento se comandan con PROFIsafe, el protocolo de comunicación de seguridad de PI normalizado en IEC 61784-3-3 [7], que comparte la misma red y el mismo dispositivo con PROFIdrive. Este tema se desarrolla en el artículo Seguridad funcional en drives: STO, SS1 y más.
Conclusión
PROFIdrive convierte la comunicación con un accionamiento en una interfaz predecible: modelo de dispositivo común, clases de aplicación, telegramas estándar, máquina de estados única, acceso normalizado a parámetros y diagnóstico homogéneo. Al estar recogido en IEC 61800-7 y mapeado a PROFIBUS DP y PROFINET IO, permite reutilizar la ingeniería entre redes y fabricantes, migrar instalaciones sin rediseñar la aplicación y escalar desde una bomba hasta un sistema multieje sincronizado.
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Referencias
[1] PROFIBUS & PROFINET International. PROFIdrive – Profile Drive Technology, versión 4.2, Order No. 3.172. Karlsruhe: PROFIBUS Nutzerorganisation e.V., 2015.
[2] IEC. IEC 61800-7-1:2015 Adjustable speed electrical power drive systems – Part 7-1: Generic interface and use of profiles for power drive systems – Interface definition. Ginebra: IEC, 2015.
[3] IEC. IEC 61800-7-203:2015 Adjustable speed electrical power drive systems – Part 7-203: Generic interface and use of profiles for power drive systems – Profile type 3 specification. Ginebra: IEC, 2015.
[4] IEC. IEC 61800-7-303:2015 Adjustable speed electrical power drive systems – Part 7-303: Generic interface and use of profiles for power drive systems – Mapping of profile type 3 to network technologies. Ginebra: IEC, 2015.
[5] PROFIBUS & PROFINET International. PROFIdrive – Technology and Application – System Description, Order No. 4.322. Karlsruhe: PROFIBUS Nutzerorganisation e.V., 2021.
[6] IEC. IEC 61784-2-3:2023 Industrial networks – Profiles – Part 2-3: Additional real-time fieldbus profiles based on ISO/IEC/IEEE 8802-3 – CPF 3. Ginebra: IEC, 2023.
[7] IEC. IEC 61784-3-3:2021 Industrial communication networks – Profiles – Part 3-3: Functional safety fieldbuses – Additional specifications for CPF 3. Ginebra: IEC, 2021.