Dimensionamiento de red PROFIBUS PA
Un segmento PROFIBUS PA es una sola fuente repartida entre todos los instrumentos conectados: la corriente del acoplador, la tensión que queda en el borne más lejano y la longitud total de cable salen del mismo presupuesto. Esta página muestra cómo se verifica el segmento — corriente con holgura, caída de tensión tramo a tramo, longitud por tipo de cable, límite de spur por número de derivaciones, FISCO en área clasificada, bytes cíclicos y tiempo de ciclo — con los límites de la IEC 61158-2.
Cuándo usar
Al repartir los instrumentos de campo entre los puertos del acoplador DP/PA, al decidir dónde van las cajas de conexión a lo largo del troncal, al comprobar si un segmento con posicionadores todavía deja 9 V en el dispositivo más lejano y al verificar una fuente FISCO contra la zona y el grupo de gas del área.
Qué se dimensiona en un segmento PA
Un segmento PROFIBUS PA nace en un puerto del acoplador o link, sigue como troncal por las cajas de conexión y llega a cada instrumento por un spur — los caudalímetros electromagnéticos, los transmisores de presión diferencial, los medidores de nivel por radar y los transmisores de temperatura montados en termopozos. El mismo par lleva datos y alimentación, así que cada instrumento nuevo consume corriente, suma caída de tensión y agrega cable a la longitud total. Dimensionar es comprobar que ese presupuesto único cierra en todos los ejes a la vez: corriente, tensión, longitud, spurs, atenuación, datos y tiempo.
Corriente y tensión: el mismo presupuesto
La corriente del segmento es la suma de las corrientes de reposo más una holgura fija de 20 mA y la corriente de FDE, y debe quedar por debajo de la salida del acoplador. La tensión se sigue luego tramo a tramo desde el acoplador: cada tramo de troncal pierde I × R × L con la corriente de lo que está aguas abajo, y cada spur pierde la corriente de su propio instrumento. El instrumento más lejano debe conservar al menos 9,0 V — o el mínimo que pida la hoja de datos, normalmente mayor en posicionadores y analizadores. Por encima del techo MBP de 32 V el segmento se informa como no evaluado, y no como aprobado.
Longitud, spurs y topología
Troncal y spurs cuentan contra la longitud máxima del tipo de cable; con cables mixtos se suman las fracciones. Use las longitudes reales del recorrido por las bandejas portacables, no la distancia en línea recta. El límite de spur baja a medida que crece el número de derivaciones, y con seguridad intrínseca la columna es más estricta. El bus tiene dos extremos: el terminador integrado en el acoplador y el de la caja de conexión que cierra el troncal. Un troncal que se ramifica tiene más extremos que terminadores, y la herramienta lo señala.
Área clasificada y FISCO
El nivel de protección sigue a la zona: la zona 0 pide ia, la zona 1 pide ib y la zona 2 admite ic. Con eso y el grupo de gas, la herramienta lee el techo de Io en las tablas FISCO y verifica Uo, Po y el límite de 1000 m. Un segmento declarado en zona clasificada sin seguridad intrínseca no cumple, sea cual sea la fuente.
Lo que esta herramienta no cubre
Verifica la fuente FISCO, no los instrumentos: Ii, Pi, Ci y Li de cada equipo y los valores del terminador deben confirmarse contra los certificados. El cálculo por concepto de entidad, FNICO y los troncales de alta potencia con barreras quedan fuera del modelo. El lado DP del acoplador — espacio de direcciones del maestro, parámetros de bus y ciclo DP — se verifica en el dimensionamiento de red PROFIBUS DP, y el espacio para acopladores, fuentes y switches en la sala de control, en el dimensionamiento de rack 19”. Para redes nuevas de instrumentos que llevan Ethernet hasta el dispositivo, el sucesor de un solo par del segmento PA se verifica en el dimensionamiento de red Ethernet-APL.
Fórmulas y fundamentos
I_seg = Σ I_b + I_holgura + I_FDE ≤ I_acoplador Σ I_b es la corriente de reposo de los instrumentos — 15 mA para 2 hilos alimentado por el bus y 10 mA con alimentación externa, cuando no se ingresa el valor de la hoja de datos. La holgura es absoluta, 20 mA (ampliación o cambio de fabricante), y la corriente de falla (FDE) es 0 mA salvo indicación del fabricante. Un margen inferior al 10 % de la corriente del acoplador genera alerta.
ΔV = I_aguas_abajo × R_lazo × L ; V_nodo = V_padre − ΔV Se aplica desde el acoplador hacia afuera a lo largo del árbol (troncal → caja de conexión → spur). Cada instrumento tiene su tensión mínima de borne, 9,0 V por defecto; 10,5 V es la holgura recomendada.
V_conservadora = V_acoplador − Σ I_b × R_lazo × L_total La fórmula de manual, que asigna toda la corriente a toda la longitud. Siempre sobreestima la caída y se muestra al lado como verificación para usar mientras la topología aún no está definida.
Σ (L_x / L_max,x) ≤ 1 Troncal más todos los spurs, por tipo de cable. L_max es 1900 m para el tipo A, 1200 m para el B, 400 m para el C y 200 m para el D; la seguridad intrínseca (FISCO) limita el segmento a 1000 m, y la zona 0 también.
A = (L_spur × 0,15 nF/m + C_d) × 0,035 dB/nF ≤ 14 dB Capacitancia del cable del spur sumada a la del equipo, convertida en atenuación. Por encima de 12 dB el spur genera alerta; por encima de 14 dB no cumple.
Tc = 10 ms × N + 10 ms + 1,3 ms × techo(bytes / 5) N instrumentos, 10 ms de servicios acíclicos clase 2 y 1,3 ms por conjunto de 5 bytes cíclicos (entrada más salida). Cada variable cíclica cuesta 5 bytes.
Normas y métodos
- IEC 61158-2 — capa física MBP (cables A a D, Tabla 5 de spurs)
- PROFIBUS Design Guideline, PI Order No. 8.012 v1.27 — longitud del segmento FISCO
- IEC 60079-11, Anexo E — límites de la fuente FISCO (Tablas E.1 y E.2)
- IEC 60079-14 — selección de equipos por EPL (zona → ia / ib / ic)
- IEC 60079-25 — sistemas intrínsecamente seguros
Valores típicos de referencia
| Magnitud | Rango típico | Observación |
|---|---|---|
| Cable A / B / C / D — resistencia de lazo | 44 / 112 / 264 / 40 Ω/km | 0,8 / 0,32 / 0,13 / 1,25 mm² |
| Cable A / B / C / D — longitud máxima del segmento | 1900 / 1200 / 400 / 200 m | troncal + todos los spurs; 1000 m con FISCO o en zona 0 |
| Límite de spur, sin SI | 120 m (≤ 12 spurs) · 90 m (13–14) · 60 m (15–18) · 30 m (19–24) | con 25 spurs o más el spur prácticamente desaparece (1 m) |
| Límite de spur, seguridad intrínseca | 60 m (≤ 18 spurs) · 30 m (19–24) | — |
| Corriente de reposo del instrumento (sin dato) | 15 mA por el bus · 10 mA con alimentación externa | — |
| Tensión en el borne | 9,0 V de piso · 10,5 V recomendado · 32 V de techo MBP | — |
| Fuente FISCO, zonas 0 y 1 (ia/ib) | Uo ≤ 17,5 V · Po ≤ 5,32 W · Io ≤ 75 mA (IIC) / 213 mA (IIB) a 17,5 V | IEC 60079-11 Tabla E.1; 183 / 380 mA a 14 V |
| Fuente FISCO, zona 2 (ic) | Uo ≤ 17,5 V · Io ≤ 112 mA (IIC) / 319 mA (IIB) a 17,5 V | Tabla E.2, potencia no restrictiva |
| Datos cíclicos | 5 bytes por variable · 244 bytes de entrada y 244 de salida | — |
Ejemplo resuelto
Dos cajas de conexión, 12 instrumentos, área no clasificada
Datos de entrada
- Salida del acoplador
- 19 / 400 V / mA
- Cable
- tipo A 44 Ω/km
- Troncal CP-01 → JB-01 → JB-02
- 350 + 300 m
- Spurs de la JB-01 (FT-01, FT-02, PT-01, PT-02, LT-01, TT-01)
- 25, 25, 15, 15, 30, 20 m
- Spurs de la JB-02 (TT-02, PT-03, FV-01, FV-02, LT-02, TT-03)
- 20, 20, 40, 40, 35, 60 m
- Consumo
- 15 (posicionadores FV-01/02: 13) mA
- Variables cíclicas
- 1 cada uno (FT: 2 de entrada; FV: 1 entrada + 1 salida) —
Resultados
- Corriente del segmento (176 + 20 de holgura)
- 196 mA de 400
- Tensión en JB-01 / JB-02
- 16,29 / 15,15 V
- Borne más lejano (TT-03)
- 15,11 V (piso 9,0)
- Verificación por la fórmula cerrada
- 11,29 V
- Longitud total (650 de troncal + 345 de spurs)
- 995 m de 1900
- Spur más largo
- 60 m de 120 (12 spurs)
- Mayor atenuación de spur
- 0,32 dB
- Bytes cíclicos entrada / salida
- 70 / 10 bytes
- Tiempo de ciclo
- 150,8 ms
El segmento cierra con holgura: 204 mA de margen de corriente, 15,11 V en el instrumento más lejano y la mitad de la longitud permitida para cable tipo A. Incluso la fórmula cerrada, conservadora, queda por encima de 10,5 V. Lo que limita este segmento es el tiempo, no la energía: 12 instrumentos y 16 conjuntos de bytes dan unos 151 ms de ciclo. Si la FV-01 cierra un lazo de caudal que necesita ser más rápido, es el ciclo lo que justifica repartir los instrumentos en otro puerto del acoplador.
Errores comunes
- Aplicar la fórmula cerrada a un proyecto terminado. Cargar toda la corriente sobre toda la longitud condena segmentos que cierran con holgura: en el ejemplo de abajo da 11,29 V donde el cálculo por tramo da 15,11 V.
- Leer el límite de spur por número de instrumentos. La Tabla 5 de la IEC 61158-2 cuenta derivaciones: con 13 spurs el límite baja de 120 m a 90 m, y con 25 el spur prácticamente desaparece.
- Dejar el acoplador en su valor no-Ex dentro de un área clasificada. Una salida de 19 V / 400 mA entrega 7,6 W, por encima del techo FISCO de 5,32 W de las zonas 0 y 1, y sus 400 mA superan la Io admitida en cualquier tensión tabulada.
- Ramificar el troncal. El segmento PA es un bus con dos extremos y dos terminadores; dos cajas de conexión colgadas del mismo punto crean un tercer extremo que ningún terminador cierra.
- Dimensionar solo la energía y olvidar el tiempo. Cada instrumento suma unos 10 ms al ciclo; un segmento con 12 equipos ronda los 150 ms, demasiado lento para un lazo de caudal rápido.
Preguntas frecuentes
¿Cuántos instrumentos caben en un segmento PROFIBUS PA?
No hay un número fijo — es un presupuesto de corriente y tensión. Con instrumentos de 15 mA, acoplador de 400 mA y 20 mA de holgura, la corriente permite hasta 25; la tensión en el borne más lejano, el límite de spur (que baja a medida que crece el número de derivaciones) y el tiempo de ciclo suelen limitar antes. En área clasificada, el techo de corriente FISCO recorta el número mucho más.
¿Por qué la tensión por tramo difiere de la fórmula de manual?
La fórmula cerrada multiplica la corriente total del segmento por la longitud total del cable, como si todos los instrumentos estuvieran en la punta de la línea. Por tramo, cada tramo lleva solo la corriente de lo que está aguas abajo. La primera es una verificación segura de anteproyecto; la segunda es la tensión real una vez dibujada la topología.
¿Cuál es la longitud máxima de spur en PROFIBUS PA?
Depende de cuántas derivaciones tenga el segmento (IEC 61158-2, Tabla 5): 120 m hasta 12 spurs, 90 m con 13–14, 60 m con 15–18 y 30 m con 19–24, fuera de seguridad intrínseca. Con seguridad intrínseca el límite es 60 m hasta 18 spurs y 30 m hasta 24.
¿Qué verifica la herramienta en FISCO?
En una zona clasificada sin seguridad intrínseca el segmento no cumple. Con seguridad intrínseca verifica Uo ≤ 17,5 V y la Io admitida por la Tabla E.1 (zonas 0 y 1, que además limitan Po a 5,32 W) o E.2 (zona 2) del Anexo E de la IEC 60079-11, para el grupo de gas declarado, y limita el segmento a 1000 m. Entre tensiones tabuladas toma la fila inmediatamente superior, que es la lectura conservadora.
¿El límite de 244 bytes hace fallar el segmento?
No — se muestra como alerta. Los 244 bytes de entrada y 244 de salida son el techo del esclavo DP que representa el acoplador o link, y la herramienta no sabe detrás de qué maestro DP está el segmento. Por encima del techo, revise la configuración del link.
Glosario
- MBP
- Manchester Bus Powered — capa física de la IEC 61158-2 usada por PROFIBUS PA, 31,25 kbit/s con datos y alimentación en el mismo par.
- Segmento
- Todo lo que alimenta un puerto del acoplador — troncal, cajas de conexión y spurs — con un terminador en cada extremo.
- Spur (derivación)
- Ramal que sale de una caja de conexión (o del acoplador) hacia un único instrumento; no lleva terminador.
- FDE
- Fault Disconnection Electronics — corriente que el equipo consume en falla antes de aislarse del bus.
- FISCO
- Fieldbus Intrinsically Safe Concept — seguridad intrínseca por los límites de la fuente (Uo, Io, Po) y por equipos certificados, sin cálculo de entidad por lazo.
- Acoplador DP/PA
- Pasarela entre PROFIBUS DP (RS-485) y el segmento PA, al que además alimenta.