Introducción
PROFIBUS (Process Field Bus) es un bus de campo desarrollado a fines de la década de 1980, mantenido por PROFIBUS & PROFINET International (PI) y normalizado como Type 3 en la serie IEC 61158 [1] y como familia de perfiles CPF 3 en IEC 61784-1 [2]. Su variante PROFIBUS DP (Decentralized Periphery, periferia descentralizada) está orientada al intercambio rápido y cíclico de datos entre controladores y dispositivos de campo distribuidos. Con una base instalada de decenas de millones de dispositivos, PROFIBUS DP continúa siendo una tecnología relevante tanto en factory automation como en process automation.
Capa física
La capa física más utilizada en PROFIBUS DP es RS-485, según TIA/EIA-485 [3], con cable de par trenzado apantallado de tipo A, cuya impedancia característica es de 150 Ω. Cada segmento debe terminarse en ambos extremos con una terminación activa alimentada desde el dispositivo. La velocidad de transmisión se selecciona entre 9,6 kbit/s y 12 Mbit/s, y la longitud máxima del segmento depende de ella [4]:
| Velocidad de transmisión | Longitud máxima por segmento (cable tipo A) |
|---|---|
| 9,6 a 93,75 kbit/s | 1200 m |
| 187,5 kbit/s | 1000 m |
| 500 kbit/s | 400 m |
| 1,5 Mbit/s | 200 m |
| 3 a 12 Mbit/s | 100 m |
Un segmento admite hasta 32 estaciones, incluidos los repetidores. Mediante repetidores es posible conectar hasta 126 direcciones en total, de las cuales las direcciones 0 a 125 están disponibles para estaciones. Para distancias mayores o entornos con alta interferencia se emplea fibra óptica, y para áreas clasificadas existe la variante RS-485-IS, con seguridad intrínseca.
Método de acceso al medio
PROFIBUS DP utiliza un método de acceso híbrido. Entre las estaciones activas, o maestros, circula un testigo (token) que otorga el derecho a transmitir durante un tiempo limitado. El maestro que posee el testigo se comunica con sus estaciones pasivas, o esclavos, mediante el principio maestro-esclavo: envía una solicitud y el esclavo responde de inmediato. Este esquema permite un tiempo de ciclo determinista y calculable.
Se distinguen dos tipos de maestro [5]:
- Maestro clase 1 (DPM1): controlador que ejecuta el intercambio cíclico de datos con sus esclavos asignados.
- Maestro clase 2 (DPM2): estación de ingeniería o diagnóstico que accede a los esclavos para configuración, puesta en marcha y mantenimiento.
Versiones funcionales
Las funciones de PROFIBUS DP se organizan en tres niveles de desempeño [5]:
- DP-V0: intercambio cíclico de datos de entrada y salida, diagnóstico de estación, módulo y canal, y comandos de control globales como Sync y Freeze, que permiten actualizar salidas o congelar entradas de varios esclavos en forma simultánea.
- DP-V1: agrega comunicación acíclica para lectura y escritura de parámetros durante la operación, además de alarmas. Es la base de la integración de instrumentos de proceso y variadores con parametrización compleja.
- DP-V2: incorpora el modo isócrono, sincronización de reloj con marca de tiempo, comunicación directa entre esclavos y redundancia de esclavos, funciones orientadas a control de movimiento y aplicaciones de alta disponibilidad.
Arranque del sistema y supervisión
Antes de iniciar el intercambio cíclico, el maestro envía a cada esclavo un telegrama de parametrización y uno de configuración. El esclavo verifica que la configuración recibida coincida con su estructura real de módulos y solo entonces entra en intercambio de datos. Este procedimiento detecta errores de configuración durante la puesta en marcha. Adicionalmente, cada esclavo dispone de un temporizador de vigilancia (watchdog): si deja de recibir telegramas del maestro durante el tiempo configurado, lleva sus salidas a un estado seguro definido.
Las características de cada dispositivo se describen en un archivo GSD (General Station Description), que la herramienta de configuración emplea para integrarlo sin programación adicional.
Diagnóstico
PROFIBUS DP ofrece un diagnóstico estructurado en tres niveles: estado general de la estación, estado de cada módulo y fallas específicas por canal, como cortocircuito, ruptura de cable o sobrecarga. Esta información se transmite al maestro y queda disponible en el programa de control y en los sistemas de supervisión. Complementariamente, el análisis de la señal eléctrica del bus permite detectar problemas de instalación, como terminaciones incorrectas, reflexiones o degradación del cable, antes de que afecten la operación. Las directrices de instalación normalizadas en IEC 61784-5-3 [6] establecen las reglas de cableado, apantallamiento y puesta a tierra que respaldan una comunicación estable.
Perfiles de aplicación
Sobre la comunicación PROFIBUS DP operan perfiles que normalizan el comportamiento de familias de dispositivos:
- PROFIsafe: transmisión de datos de seguridad funcional hasta SIL 3 por el mismo bus, normalizada en IEC 61784-3-3 [7].
- PROFIdrive: perfil de accionamientos eléctricos, incluido en IEC 61800-7 [8], que unifica el control y la parametrización de variadores.
- Perfil PA: instrumentación de procesos, utilizado junto con PROFIBUS PA en plantas de proceso.
Integración con redes Ethernet
Mediante el concepto de proxy definido por PI, las redes PROFIBUS DP pueden integrarse en arquitecturas PROFINET. Esto permite modernizar el nivel de control conservando los dispositivos de campo existentes, lo que protege la inversión en la base instalada y reduce los tiempos de detención en proyectos de actualización.
Principales áreas de aplicación
- Estaciones de entradas y salidas remotas en líneas de producción.
- Control de variadores de frecuencia y arrancadores de motores.
- Troncal de comunicación hacia segmentos PROFIBUS PA en plantas de proceso.
- Industrias de celulosa, minería, alimentos, química y tratamiento de agua.
- Aplicaciones de seguridad de máquinas mediante PROFIsafe.
Conclusión
PROFIBUS DP combina una capa física robusta, un método de acceso determinista y un diagnóstico estructurado por canal. Sus versiones funcionales permiten escalar desde el intercambio cíclico básico hasta el control isócrono, y sus perfiles normalizados simplifican la integración de accionamientos, instrumentos y funciones de seguridad. Su amplia base instalada y su integración con redes Ethernet respaldan su continuidad en plantas industriales de larga vida útil.
Referencias
[1] IEC 61158 (serie), Industrial communication networks — Fieldbus specifications, Type 3 (partes 2 a 6).
[2] IEC 61784-1, Industrial networks — Profiles — Part 1: Fieldbus profiles (CPF 3).
[3] TIA/EIA-485-A, Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint Systems.
[4] IEC 61158-2, Industrial communication networks — Fieldbus specifications — Part 2: Physical layer specification and service definition.
[5] PROFIBUS & PROFINET International (PI), PROFIBUS System Description — Technology and Application.
[6] IEC 61784-5-3, Industrial networks — Profiles — Part 5-3: Installation of fieldbuses — Installation profiles for CPF 3.
[7] IEC 61784-3-3, Industrial communication networks — Profiles — Part 3-3: Functional safety fieldbuses — Additional specifications for CPF 3.
[8] IEC 61800-7 (serie), Adjustable speed electrical power drive systems — Part 7: Generic interface and use of profiles for power drive systems.
