PROFINET IO resuelve el transporte de datos entre controladores y dispositivos de campo mediante comunicación cíclica, servicios acíclicos de lectura y escritura de registros (record data) y alarmas. Sin embargo, el protocolo por sí solo no establece qué significa cada dato transferido: cómo se ordena una consigna de velocidad, cómo se informa el estado de un transmisor o cómo se lleva un equipo a un modo de bajo consumo. Esa definición corresponde a los perfiles de aplicación (application profiles), especificaciones elaboradas por los grupos de trabajo de PROFIBUS & PROFINET International (PI) que normalizan las funciones y el comportamiento de dispositivos y aplicaciones en la automatización industrial [1].
Este artículo describe qué son los perfiles PROFINET, cuáles son los más utilizados en la automatización de manufactura (factory automation) y de procesos (process automation), y cómo se incorporan en las distintas etapas de un proyecto.
Qué es un perfil de aplicación
Un perfil de aplicación es una capa adicional situada sobre el protocolo PROFINET. No interfiere con los servicios estándar de comunicación ni los modifica: los utiliza para transportar datos con una estructura y un significado previamente acordados [2]. Se trata de especificaciones independientes del fabricante que describen el conjunto de propiedades que deben exhibir todos los dispositivos de una determinada clase, de modo que equipos de distintos proveedores se comporten de manera uniforme ante el controlador [2].
La implementación de un perfil es opcional: no forma parte de las características obligatorias de todo dispositivo PROFINET. No obstante, cuando un fabricante declara que su producto soporta un perfil, debe integrar la especificación correspondiente [2]. Varios perfiles están definidos tanto para PROFINET como para PROFIBUS, lo que facilita la reutilización de la lógica de aplicación en instalaciones que combinan ambas tecnologías.
PI clasifica los perfiles en dos grupos [2]:
- Perfiles generales: aplicables a distintos tipos de dispositivos y aplicaciones, como la seguridad funcional (PROFIsafe) o la gestión de energía (PROFIenergy).
- Perfiles específicos: desarrollados para un tipo de dispositivo o una aplicación en particular, como accionamientos (PROFIdrive), encoders o instrumentos de procesos (PA Profile).
Perfiles generales
PROFIsafe: seguridad funcional sobre la misma red
PROFIsafe permite transmitir datos relevantes para la seguridad entre un controlador de seguridad (F-Host) y dispositivos de seguridad (F-Devices) a través de la misma infraestructura PROFINET que transporta los datos estándar. Está normalizado como IEC 61784-3-3 y es apto para aplicaciones hasta SIL 3 y PL e [3].
Su fundamento es el principio de canal negro (black channel): la capa PROFIsafe se ubica sobre el protocolo estándar, es independiente de él y no exige calificar como segura la red subyacente [3]. Las medidas de detección de errores, entre ellas el número correlativo de mensajes, la supervisión de tiempo, la identificación de emisor y receptor y la verificación de integridad mediante CRC, residen en los extremos de la comunicación. Por esta razón, el canal puede incluir switches, enlaces e incluso tramos inalámbricos, con restricciones acotadas: hasta 100 switches en serie y un espacio de direcciones F (F-Address) único dentro de cada isla PROFIsafe [4].
Los beneficios directos son la eliminación del cableado paralelo dedicado a seguridad, la posibilidad de modificar funciones de seguridad por software y la integración de sensores, módulos de E/S, accionamientos y encoders seguros en una arquitectura única.
PROFIenergy: gestión del consumo en pausas productivas
PROFIenergy permite a un controlador llevar dispositivos o celdas completas a estados de bajo consumo durante las pausas de producción, y reactivarlos de forma ordenada al reanudar la operación. Utiliza los mecanismos existentes de PROFINET, por lo que sus comandos se transmiten a través de la red sin infraestructura adicional [5].
El perfil define comandos normalizados, como Start_Pause y End_Pause, la consulta de los modos de ahorro que ofrece cada equipo y la lectura de valores de medición de energía [5]. Contempla pausas breves, por ejemplo durante la colación, pausas prolongadas (noches, fines de semana o feriados) en las que se pueden activar modos de ahorro más profundos, y la adquisición de datos de demanda para visualización y gestión energética [6]. Durante las pausas breves, las funciones relacionadas con la seguridad se mantienen activas [6].
Funciones I&M: identificación y mantenimiento
Las funciones de identificación y mantenimiento (Identification & Maintenance, I&M) constituyen un conjunto normalizado de datos para identificar un dispositivo, sus módulos y submódulos a lo largo de su ciclo de vida. Están especificadas en IEC 61158-6-10 para PROFINET, y PI publica una guía de perfil que describe su implementación y uso [7]. El registro I&M0 actúa como placa de características electrónica (fabricante, número de serie, versiones de hardware y firmware), mientras que los registros siguientes permiten almacenar información escrita por el usuario, como la función y la ubicación del equipo, la fecha de instalación o una descripción. Estos datos apoyan la puesta en marcha, el diagnóstico, la actualización de firmware y la gestión de activos [7].
Perfiles específicos
PROFIdrive: integración uniforme de accionamientos
PROFIdrive es el perfil normalizado para accionamientos sobre PROFIBUS y PROFINET y forma parte de la serie IEC 61800-7: la especificación del perfil corresponde a IEC 61800-7-203 y su mapeo sobre las redes de comunicación, a IEC 61800-7-303 [8][9]. Define un modelo base del dispositivo, una máquina de estados común, un modelo de parámetros con un subconjunto de parámetros de perfil, funciones de diagnóstico y telegramas estándar para el intercambio cíclico de palabras de control y estado, consignas y valores reales [8].
Para cubrir aplicaciones que van desde un variador de frecuencia básico hasta sistemas multieje sincronizados de alta dinámica, el perfil establece seis clases de aplicación (Application Classes, AC). Un accionamiento puede implementar una o varias clases, según su segmento de mercado [8]. En términos generales, las primeras clases abordan el control de velocidad y el posicionamiento, mientras que las superiores incorporan control de movimiento centralizado con comunicación isócrona y automatización distribuida.
Para el ingeniero de aplicación, el efecto práctico es que la lógica de control escrita para un telegrama estándar puede reutilizarse con cualquier accionamiento certificado que soporte dicho telegrama.
Perfil para encoders
El perfil de encoders para PROFIBUS y PROFINET, versión 4.2, define una interfaz de aplicación interoperable para encoders. Integra las definiciones para encoders isócronos y no isócronos y, a partir de esta versión, incluye la transmisión de valores de posición seguros mediante PROFIsafe [10]. De este modo, un mismo dispositivo puede aportar la realimentación de posición al control de movimiento y, a la vez, a las funciones de seguridad de la máquina.
PA Profile 4: instrumentación de procesos
Para la automatización de procesos, PI agrupa sus perfiles bajo PROFIprocess, que incluye el PA Profile 4 y perfiles para E/S remotas [11]. El PA Profile describe transmisores, válvulas, dispositivos binarios y otros equipos de control de procesos, y normaliza sus funciones y parámetros típicos [12]. Su versión 4 es independiente del protocolo de comunicación, por lo que sus parámetros y funciones se utilizan tanto en PROFIBUS como en PROFINET, incluido PROFINET sobre Ethernet-APL [13][14].
El perfil incorpora el diagnóstico normalizado según la recomendación NAMUR NE 107, con mensajes uniformes entre fabricantes, y habilita flujos de reemplazo automático de equipos, incluso entre distintos fabricantes [14]. Además, PI publica una definición de etiquetas que vincula los parámetros del perfil con IEC 61987 (CDD), con los parámetros esenciales de la recomendación NAMUR NE 131 y con el modelo de información OPC UA PA-DIM [12], lo que facilita la integración de los datos del instrumento con sistemas de nivel superior.
Cómo se aplican los perfiles en un proyecto
La incorporación de perfiles se distribuye en las etapas habituales de un proyecto de automatización:
- Especificación: la ingeniería básica debe indicar qué perfiles se requieren y con qué alcance; por ejemplo, PROFIsafe para las funciones de seguridad, la clase de aplicación PROFIdrive necesaria para cada eje o el PA Profile 4 para la instrumentación.
- Selección de dispositivos: el soporte de un perfil se acredita mediante la certificación de PI, que incluye pruebas específicas del perfil, como las pruebas de conformidad PROFIdrive o las pruebas PROFIsafe [3][8]. Conviene verificar la versión del perfil declarada en el certificado y en el archivo GSDML del equipo.
- Configuración: al importar el archivo GSDML, la herramienta de ingeniería ofrece los submódulos definidos por el perfil, por ejemplo, los telegramas estándar PROFIdrive o los submódulos F con su F-Address y su tiempo de supervisión.
- Programación: el controlador utiliza bloques de función o servicios normalizados que operan sobre la estructura del perfil y que son reutilizables con cualquier equipo que cumpla la misma especificación.
- Operación y mantenimiento: los datos I&M, el diagnóstico normalizado y los comandos PROFIenergy se aprovechan durante toda la vida útil de la instalación.
Beneficios de los perfiles
- Interoperabilidad: dispositivos de distintos proveedores se comportan de manera uniforme frente al controlador [1].
- Intercambiabilidad: el reemplazo de un equipo por otro que cumpla el mismo perfil reduce la reingeniería y los tiempos de detención.
- Menor esfuerzo de ingeniería: la lógica de aplicación y la documentación se reutilizan entre proyectos.
- Respaldo normativo: perfiles como PROFIsafe y PROFIdrive forman parte de normas IEC, lo que facilita la evaluación de conformidad.
- Una sola red: los datos estándar, de seguridad y de energía comparten la misma infraestructura PROFINET.
Conclusión
Los perfiles de aplicación convierten a PROFINET en algo más que un medio de transporte de datos: otorgan a cada dispositivo un comportamiento predecible y documentado. Incluirlos desde la especificación del proyecto y verificar su soporte certificado al seleccionar equipos permite aprovechar plenamente la interoperabilidad que ofrece la tecnología, tanto en la automatización de manufactura como en la de procesos.
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Este artículo es parte de nuestra guía de comunicaciones industriales.
Referencias
[1] PROFIBUS & PROFINET International (PI). PROFINET Profiles. https://www.profibus.com/technologies/profinet/profiles
[2] PI North America. PROFINET Profiles, Additional Layers of Functionality. https://us.profinet.com/?p=19830
[3] PROFIBUS & PROFINET International (PI). PROFIsafe System Description – Technology and Application, 2016. https://cl.profibus.com/fileadmin/media/downloadsection/technical_description_%26_books/PROFsafe_System_Description_engl_2016_Update.pdf
[4] PROFIBUS & PROFINET International (PI). Black Channel constraints. https://cl.profibus.com/technology/functional-safety/black-channel-constraints
[5] PROFIBUS & PROFINET International (PI). PROFIenergy – Power Consumption Management for OT and IT; Common Application Profile PROFIenergy, Technical Specification. https://www.profibus.com/technology/profienergy/
[6] PROFIBUS & PROFINET International (PI). PROFIenergy – Use Cases. https://sk.profibus.com/technology/energy-efficiency/use-cases
[7] PROFIBUS & PROFINET International (PI). Profile Guidelines Part 1: Identification & Maintenance Functions, V2.1, Order No. 3.502. https://www.profibus.com/download/profile-guidelines-part-1-identification-maintenance-functions
[8] PROFIBUS & PROFINET International (PI). PROFIdrive System Description – Technology and Application, 2021. https://www.profibus.com/fileadmin/user_upload/PROFIdrive_System_Description_engl_2021_Update.pdf
[9] IEC 61800-7-203:2015 y IEC 61800-7-303:2015. Adjustable speed electrical power drive systems – Generic interface and use of profiles for power drive systems (profile type 3). International Electrotechnical Commission.
[10] PROFIBUS & PROFINET International (PI). Profile Encoder, V4.2, Order No. 3.162. https://www.profibus.com/download/encoder-profile
[11] PROFIBUS & PROFINET International (PI). PROFINET Application Profiles. https://profinet.com/profinet-explained/profinet-application-profiles
[12] PROFIBUS & PROFINET International (PI). Profile for Process Control Devices (PA Profile), V4.02, Order No. 3.042. https://www.profibus.com/download/process-control-devices
[13] PROFIBUS & PROFINET International (PI). New PA Profile – now for PROFINET too. https://www.profibus.com/newsroom/press-news/new-pa-profile-now-for-profinet-too
[14] PROFIBUS & PROFINET International (PI). 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
