Durante más de dos décadas, PROFIBUS PA y FOUNDATION Fieldbus H1 han llevado la comunicación digital hasta el instrumento de campo en la industria de procesos, con alimentación y datos por un mismo par trenzado y con aptitud para áreas clasificadas. Ethernet-APL (Advanced Physical Layer, capa física avanzada) conserva esas propiedades e incorpora las de Ethernet: 10 Mbit/s en modo full duplex, direccionamiento IP y acceso directo al instrumento desde la red de control [1][2]. Sobre esta capa física, PROFINET aporta los mecanismos de diagnóstico, redundancia y reemplazo de dispositivos ya consolidados en la automatización industrial. Este artículo describe las etapas generales de una migración y los criterios normativos que intervienen en cada una.
Qué cambia y qué se mantiene
Ethernet-APL se basa en 10BASE-T1L, definido en IEEE 802.3cg-2019, con extensiones para las condiciones de la industria de procesos [1][2]. Al ser estrictamente una capa física, admite cualquier protocolo Ethernet; en este caso, PROFINET.
Se mantienen:
- La topología de troncal y derivaciones (trunk and spur), conocida por los usuarios de bus de campo [4].
- El cable de referencia: cable de bus de campo tipo A según IEC 61158-2 [2].
- La alimentación del instrumento por el mismo par de comunicación y la operación en zonas Ex.
- Un concepto de seguridad intrínseca simplificado: 2-WISE (IEC TS 60079-47) se basa en FISCO y utiliza los mismos valores máximos de seguridad y características de cable [3][4].
Cambian:
- El acoplador de campo (device coupler), prácticamente pasivo, se reemplaza por un switch de campo (field switch) activo, que alimenta cada derivación y conecta cada instrumento punto a punto [4].
- La tarjeta H1 o el acoplador DP/PA dejan de ser necesarios: el controlador se conecta directamente a la red Ethernet [4].
- Las longitudes admisibles: hasta 1.000 m por segmento de troncal y hasta 200 m por derivación con cable de categoría IV, sin límite de longitud total del segmento [2][4].
Etapa 1: levantamiento de la instalación existente
La migración comienza con un inventario por segmento: cantidad y tipo de instrumentos, versión de perfil PA o modo de integración FF, cajas de conexión (junction boxes), clasificación de áreas, longitudes y sección del cable, y estado del sistema de equipotencialidad.
Dos aspectos merecen atención especial. Primero, el switch de campo disipa más potencia que un acoplador, por lo que debe verificarse si la caja existente y su certificación Ex admiten el nuevo equipo [4]. Segundo, en instalaciones FF deben identificarse los lazos con control en campo (bloques PID en el instrumento), ya que el esquema de integración propuesto ejecuta el control exclusivamente en el controlador [4].
Etapa 2: recalificación del cable
La reutilización del cable existente es posible, pero debe verificarse. La Guía de Ingeniería Ethernet-APL exige examinar el cableado según ISO/IEC 11801-3 y clasificarlo en una de cuatro categorías, que determinan las longitudes máximas [2]:
| Categoría APL | Troncal máx. | Derivación máx. |
|---|---|---|
| I | 250 m | 50 m |
| II | 500 m | 100 m |
| III | 750 m | 150 m |
| IV | 1.000 m | 200 m |
A la calidad de transmisión se suma la caída de tensión. Los dispositivos Ethernet-APL consumen más energía que los instrumentos H1, lo que reduce la longitud posible de una troncal alimentada. En un ejemplo de referencia con cable AWG 18, doce instrumentos y switches en Zona 2, la troncal estimada es del orden de 1.500 m para H1 y de 450 m para Ethernet-APL [4]. Cuando la troncal no es apta, la alternativa es llevar Ethernet industrial hasta el switch de campo y reutilizar las derivaciones existentes [4].
Etapa 3: definición de la topología
La guía describe dos estructuras [2]:
- Ethernet industrial hasta el switch de campo: normalmente por fibra óptica (típicamente hasta 2 km en multimodo), con alimentación auxiliar en terreno. La velocidad de 100 Mbit/s hace despreciable la carga de red, y la fibra independiza las zonas con sistemas de equipotencialidad distintos.
- Troncal alimentada (powered trunk): un switch de alimentación (power switch) energiza los switches de campo y los instrumentos a través de la troncal, sin alimentación auxiliar en terreno; la longitud se calcula según la caída de tensión.
En áreas clasificadas, una configuración típica utiliza troncal en seguridad aumentada (Ex eb) y derivaciones intrínsecamente seguras (Ex ia) [2]. Con una red equipotencial mallada, la pantalla del cable se conecta en ambos extremos; en caso contrario, en un extremo directo y en el otro mediante condensador [2]. También se recomienda reservar puertos y potencia para ampliaciones futuras.
Etapa 4: integración de los instrumentos existentes
La migración no necesita ejecutarse de una sola vez. La tecnología proxy de PROFINET integra segmentos PROFIBUS PA existentes como dispositivos de la red, con acceso cíclico y acíclico, y con su diagnóstico y configuración disponibles como propiedades nativas de PROFINET [5].
Para FOUNDATION Fieldbus H1, el informe técnico FCG TR10365 define un switch de campo con función proxy, cuyos puertos se configuran para un instrumento H1 o uno Ethernet-APL. Así, un instrumento puede reemplazarse al término de su vida útil sin modificar la infraestructura [4]. El documento describe tres conceptos:
- G1 (greenfield): instalación nueva que combina instrumentos APL y H1 donde aún no existe equivalente APL.
- B1 (brownfield): reutiliza estrategia de control, configuración de instrumentos y pantallas de operación.
- B2 (brownfield): rediseña la mayor parte del software y conserva la configuración de los instrumentos.
Este esquema implica que el planificador de enlaces (LAS) y los bloques de control en el instrumento no se utilizan. Además, los instrumentos certificados con el concepto Entity requieren un limitador de corriente adicional [4].
Etapa 5: ingeniería en el sistema de control
El PA Profile 4 es independiente del protocolo y opera tanto en PROFIBUS como en PROFINET. Incorpora archivos GSD de perfil, diagnóstico según NAMUR NE 107 y parámetros normalizados según NE 131 [5][6]. Su principal beneficio es el reemplazo automático de instrumentos, incluso entre fabricantes: el equipo nuevo conectado al mismo puerto se detecta y parametriza automáticamente [6].
PROFINET complementa estas funciones con la detección de vecinos (LLDP), que asigna nombre y parámetros al equipo de reemplazo sin herramienta de ingeniería; la redundancia de sistema S2, obligatoria en la clase de conformidad CC-B(PA), y la reconfiguración dinámica sin detener la planta [5]. La integración de instrumentos se unifica mediante FDI (IEC 62769), con un único paquete por dispositivo [5][7].
La carga de red debe estimarse en la troncal más cercana al controlador. Bajo 20 % no se requiere acción; entre 20 % y 50 % se recomienda revisarla; sobre 50 % debe reducirse. Como referencia, 150 instrumentos con ciclo de 1 s generan una carga de 1,1 % [2].
Etapa 6: aceptación y puesta en marcha
La guía define la aceptación como primera etapa de la puesta en marcha: inspección visual, mediciones de cable y verificación básica sin sistema de control [2]. Cada derivación 2-WISE requiere un documento descriptivo del sistema que registre el nivel de protección, el grupo de equipos, la clase de temperatura y los parámetros del cable [2][3]. Para el diagnóstico de tráfico se recomienda prever un puerto espejo o un TAP [2].
Beneficios de la migración
- Acceso directo al instrumento: las herramientas de gestión de activos se conectan en paralelo al controlador por la red Ethernet, sin depender de la tarjeta H1 ni de un terminal portátil [4].
- Mayor alcance de las derivaciones: 200 m frente a 120 m en H1 y 60 m con FISCO [4].
- Mayor disponibilidad: con dos switches de alimentación y troncal redundante, la disponibilidad supera la de un segmento H1 [4].
- Ancho de banda para diagnóstico: el tráfico cíclico típico deja amplio margen para configuración y gestión de activos [2].
- Una sola tecnología de red: desde el controlador hasta el instrumento, lo que reduce la diversidad de conocimientos requeridos [5].
- Protección de la inversión: los proxies permiten una transición gradual, segmento a segmento o instrumento a instrumento [4][5].
Conclusión
La migración a PROFINET sobre Ethernet-APL es un proceso por etapas que comienza en la verificación del cable y la topología, continúa con la integración gradual mediante proxies y culmina con la ingeniería y aceptación según las guías del proyecto APL. Las especificaciones de PI, FieldComm Group y las normas IEC e IEEE entregan un marco técnico definido para planificar cada etapa y aprovechar las capacidades de Ethernet hasta el instrumento de campo.
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Este artículo es parte de nuestra guía de comunicaciones industriales.
Referencias
- IEEE Std 802.3cg-2019. IEEE Standard for Ethernet – Amendment 5: Physical Layer Specifications and Management Parameters for 10 Mb/s Operation and Associated Power Delivery over a Single Balanced Pair of Conductors. IEEE, 2019.
- FieldComm Group, ODVA, OPC Foundation y PROFIBUS & PROFINET International. Engineering Guideline Ethernet-APL, versión 1.14, septiembre de 2022 (PI Order No. 8.122). https://www.profibus.com/download/engineering-guideline-ethernet-apl
- IEC TS 60079-47:2021. Explosive atmospheres – Part 47: Equipment protection by 2-wire intrinsically safe Ethernet concept (2-WISE).
- FieldComm Group. FCG TR10365 – FF to Ethernet-APL Migration Concept, edición 1.0.1, 22 de julio de 2024. https://www.fieldcommgroup.org/sites/default/files/imce_files/technology/documents/FCG_TR10365%7B1.0.1%7D_FF_Ethernet-APL-Migration.pdf
- PROFIBUS & PROFINET International. PROFINET – The Solution Platform for Process Automation, White Paper, edición 2018. https://se.profibus.com/fileadmin/media/downloadsection/brochures/White_Paper_PN_in_PA_ENG_2021_web.pdf
- PROFIBUS & PROFINET International. First devices with PROFINET over APL and PA Profile 4 on the start. https://www.profibus.com/newsroom/press-news/first-devices-with-profinet-over-apl-and-pa-profile-4-on-the-start
- IEC 62769 (serie). Field Device Integration (FDI).
