Ethernet como soporte de sistemas de control en red

Ethernet como soporte desistemas de control en redJuan Ángel Gámiz Caro y Javier Gámiz Caro

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Ethernet as a support of online control systems

DOSSIER

27Técnica Industrial, agosto 2011, 294: 26-35

Con toda probabilidad el siglo XX pasaráa la historia como el siglo de la informa-ción. Aunque relativamente joven, la cien-cia electrónica ha propiciado el impres-cindible soporte tecnológico al conjuntode actividades relacionadas con las tec-nologías de la información y las comu-nicaciones (TIC), en particular, y a lamejora del bienestar en general.

De manera similar a lo acontecido enel ámbito de la comunicación humana,la electrónica ha propiciado un des-arrollo espectacular de las redes de comu-nicación industrial en las que dispositi-vos y equipos intercambian informaciónrelevante en las plantas de fabricacióncon objeto de controlar las variables delproceso tendentes a establecer y homo-geneizar las características del producto.

Las actuales redes de comunicaciónindustrial como, por ejemplo, la redEthernet, pueden considerarse las here-deras de aquellas otras más primitivas delpasado. De acuerdo con la tecnologíaempleada en su diseño, construcción yexplotación, es posible clasificar las redesde comunicaciones en dos grupos cla-ramente diferenciados: al primero per-tenecerían las más antiguas, esto es, lasredes de comunicaciones analógicas y, al

segundo, las redes de comunicacionesdigitales.

Redes de comunicaciones analógicasEl ser humano se desenvuelve en unentorno donde las variables físicas que leafectan son fundamentalmente de natu-raleza analógica, esto es, variables demagnitud continua definidas en todotiempo (figura 1a). Este hecho le llevainicialmente a proyectar, con la tecnolo-gía de la época, métodos básicamenteanalógicos para captar, transmitir y pro-cesar las señales analógicas asociadas alas variables físicas de interés.

Así, en una primitiva red de comuni-cación analógica la amplitud de la señaleléctrica transmitida, típicamente ten-sión o intensidad, está muy relacionadacon la magnitud de la variable físicaque tratar. Es una red de comunicaciónpara el intercambio de medidas y accio-nes de control entre sensores, actuado-res y equipos de control usados en siste-mas automáticos de poca complejidad.Presenta las siguientes limitaciones:

a) Transmisión unidireccional: lainformación es transmitida solo en unsentido, esto es, desde el transmisor alreceptor. No es posible realizar el inter-

cambio de información en sentidoinverso y este hecho merma la capacidadinteractiva emisor-receptor.

b) Susceptibilidad al ruido eléctrico:la amplitud de la señal transmitida,portadora de la información, se ve adver-samente afectada por las perturbacioneselectromagnéticas de su entorno.

c) Excesivo volumen de cableado:habitualmente los enlaces suelen reque-rir tantas líneas independientes para elintercambio de información como pare-jas de dispositivos emisores-receptoresintervienen en la comunicación. Consti-tuyen los enlaces denominados “punto apunto”. Si la señal transmitida es en ten-sión, solo admiten la conexión de un emi-sor con un único receptor. En el caso deseñales en intensidad (p. ej., de 0 a 20mA) pueden soportar la conexión de unúnico emisor y varios receptores.

d) Funcionalidad reducida: presentanuna escasa modularidad y complican ladescentralización del control, el diag-nóstico integrado y el mantenimiento(Lian et al, 2001).

Redes de comunicaciones digitalesLos avances de la tecnología electrónica,particularmente en el desarrollo y comer-

RESUMENEn el área de la automatización de procesos es frecuenteencontrar lazos de control que se cierran a través de redes decomunicaciones. Estas arquitecturas de control dan lugar a loque se conoce con el nombre de sistemas distribuidos de con-trol. Cuando, además, los valores de las variables de control yde medida son actualizados, en el peor caso, dentro de unintervalo de tiempo conocido y asumible, se puede añadir a lafrase anterior el calificativo de tiempo real.

Ethernet es una red de comunicaciones de enorme popu-laridad debida, entre otras causas, al esquema abierto de suinterconexión, su eficiencia en el intercambio de grandes volú-menes de información y al bajo coste de las interfaces reque-ridas en su implementación. No obstante, su posible elecciónpara soportar el tráfico requerido en aplicaciones de controlde procesos no está exenta de riesgos.

En este artículo se exponen los requisitos exigidos a cual-quier red que deba servir de soporte en sistemas distribuidosde control y, en particular, se evalúa la conducta temporal deEthernet para este propósito.

Encargado: 1 de marzo de 2011Recibido: 5 de junio de 2011Aceptado: 25 de junio de 2011

ABSTRACTIn the area of process automation is common to find control loopsare closed over communication networks. These control archi-tectures give rise to what is known as distributed control systems.When, moreover, the values of the control variables and measu-rement are updated, in the worst case, within an interval of timeknown and manageable, you can add to the preceding sentencethe adjective real time.

Ethernet communications network is a hugely popular due to,among other things, to open their interconnection scheme, its effi-ciency in the exchange of large volumes of information and lowcost of the required interfaces in its implementation. However, apossible choice to support the required traffic control applica-tions process is not without risks.

This article sets out the requirements for any system shouldprovide support for distributed control systems and, in parti-cular, we evaluate the temporal behavior of Ethernet for thispurpose.

Commissioned: March 1, 2011Received: June 5, 2011Accepted: June 25, 2011

Palabras claveRedes de comunicaciones, buses de campo, Ethernet, telecomunicaciones, sistemas de control

KeywordsCommunication networks, fieldbus, Ethernet, telecommunications, controlsystems

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Juan Ángel Gámiz Caro y Javier Gámiz Caro

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cialización del microprocesador (μP),posibilitaron procesar in situ las señalesanalógicas y obtener su correspondienteformato digital apto para ser transmitidopor una línea de comunicación. Los pro-cesos que permiten convertir una señalanalógica (dominio continuo) en discreta(dominio discreto) son básicamente dos:el muestreo y la cuantificación.

El proceso de muestreo consiste entomar periódicamente muestras de lamagnitud de la señal analógica de inte-rés, dando lugar a la aparición de unanueva señal denominada analógica detiempo discreto (figura 1b). Cuanto mayorsea el número de muestras tomadas a laseñal analógica primitiva, mayor fideli-dad de esta poseerá la nueva señal. Nóteseque entre muestra y muestra hay una evi-dente pérdida de información. La opera-ción de muestreo la realiza normalmenteun circuito electrónico de muestra yretención denominado sample and hold.

Mediante el proceso de cuantificaciónla amplitud de una señal analógica detiempo discreto es ahora asociada a unconjunto finito de valores permitiendoobtener, bien una señal denominada dis-creta de tiempo continuo (figura 1c) o, direc-tamente, una señal de magnitud y tiempodiscretos (figura 1d). Cuanto mayor seael conjunto finito de valores elegido enel proceso de cuantificación, más fiel-mente reproducirá la nueva señal la mag-nitud de la señal analógica de tiempo dis-creto. El conjunto finito de valoresasociados a la magnitud analógica de par-tida es el que determina la resolución delproceso de cuantificación. La operaciónde cuantificación la suele realizar un com-ponente electrónico denominado con-vertidor analógico-digital (ADC).

Finalmente, la señal obtenida en elproceso de cuantificación será periódi-camente adquirida por un dispositivoelectrónico como el microprocesador. Apartir de aquí, y aplicando el apropiadoproceso de codificación digital, el micro-procesador podrá transmitir a través delcanal de comunicación el código corres-pondiente a la magnitud de la variabletratada (figura 2).

Por codificación debe entenderse elproceso que interpreta la información dis-creta obtenida y la convierte en una com-binación de ceros y unos, aptos para serenviados a través de un canal de comuni-cación. En la práctica se suelen empleardistintos tipos de codificación en funcióndel medio de transmisión y de las caracte-rísticas de los equipos que comunican lainformación, todos ellos tendentes a con-seguir menor distorsión, menor tasa deerrores, mayor relación señal/ruido y mejorsincronismo entre emisor y receptor.

La comunicación digital solventavarias de las limitaciones que presentabala comunicación analógica, aunqueaparecen algunos otros inconvenientesque serán tratados más adelante. Lacomunicación digital presenta las siguien-tes características:

a) Transmisión y recepción bidirec-cional: la información puede ser trans-mitida en ambos sentidos, esto es, desdeel transmisor al receptor y viceversa.

b) Poco susceptible al ruido eléctrico:la información de interés es normal-mente transmitida mediante su corres-pondiente código numérico formado porunos y ceros. El código en su conjuntoes el portador de la información y no,como sucedía en el caso de las comuni-caciones analógicas, la amplitud de laseñal transmitida.

c) Mínimo volumen de cableado: a unamisma red de comunicación digital sepueden conectar múltiples dispositivosparticipantes (nodos), permitiendo elintercambio de información entre ellosen la forma que establezca el protocolode arbitraje de la red.

Implementando las redes de comuni-cación digital en sus procesos de fabri-cación, las industrias consiguen aplicarmétodos de control más sofisticados enlos que, inexorablemente, se produce unaumento significativo del número de sen-sores, actuadores y controladores de laplanta pero que, a la vez, mejoran lasratios de producción y revierten en unamayor homogeneidad en la calidad de susproductos.

HART: el híbrido que posibilitó elcambioEn la década de 1980 aparecieron redesde comunicaciones industriales, de natu-raleza exclusivamente digital, tendentes afacilitar el intercambio de informaciónentre dispositivos, equipos y sistemasinformáticos involucrados en los diferen-tes niveles del proceso productivo (figura3). Para adaptarse a los requisitos decomunicación exigidos en cada uno deestos niveles aparecieron soluciones parala comunicación entre equipos y disposi-tivos en zonas geográficas cercanas, comolas redes de área local (local area network’– LAN), o en zonas más extensas, comolas redes de área metropolitana (metropo-litan area network – MAN) o las redes deárea amplia (wide area network – WAN).

Las redes de comunicación que ope-raban en el nivel más próximo a la plantarecibieron la denominación genérica debuses de campo. Este fue el caso, p. ej., delbus CAN (controller area network), des-arrollado en 1986 por la firma alemanaRobert Bosch GMBH para el sector dela automoción, y del bus PROFIBUS(perfil PA) desarrollado en el año 1987por las firmas alemanas Bosch, KlöcknerMöller y Siemens. En redes LAN sur-gieron redes como la popular Ethernet

Magnitud

ta) Señal analógica (magnitud y tiempo continuo)

t

Magnitud

b) Señal analógica de tiempo discreto

tc) Señal discreta de tiempo continuo

Magnitud

td) Señal discreta (magnitud y tiempo discreto)

Magnitud

Sample &

HoldADC

SeñaldigitalµP

Señalanalógica

Proceso de muestreo (se

obtiene la señalanalógica de

tiempo discreto)

Proceso de cuantificación

(se obtiene la señal discreta

de tiempo continuo)

Procesos de codificación y transmisión de

la señal discreta obtenida

Figura 1. Tipos de señales obtenidas en un proceso demuestreo y cuantificación.

Figura 2. Procesos de discretización de una señal analógica.

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en el año 1985 y PROFIBUS (perfilesDP y FMS) en el año 1987.

Convencidas de las ventajas que entra-ñaba el uso de las redes de comunicacio-nes digitales, las empresas se planteabanel cambio radical de toda la instrumen-tación de la planta con objeto de adap-tarla a los nuevos requisitos. Sinembargo, el coste que suponía este cam-bio podía penalizar el rápido desarrollode este tipo de redes. Este coste no solovenía dado por el valor de la nueva ins-trumentación ya que, también implicabaen muchos casos el paro forzoso de losprocesos productivos durante el periodode instalación y prueba de la nueva ins-trumentación.

En el año 1991 la firma Rosemountestableció una nueva filosofía de comu-nicación en el nivel de campo, dandolugar a la aparición de los dispositivosHART (highway addressable remote trans-mitter). La intención de Rosemount enaquellos momentos fue la de proporcio-nar al mercado un transmisor inteligentede campo (smart transmitter), compati-ble con los convencionales analógicos de4 a 20 mA pero con la capacidad deintercambiar información con otros dis-positivos de la planta en sistemas inte-grados de supervisión de control y adqui-sición de datos (SCADA). Rosemounttrataba así de atender la demanda delmercado en relación con una conexiónestándar que permitiera integrar demanera global la instrumentación pro-pia de cualquier proceso industrial. Estaintegración implicaba un comporta-miento transparente de los dispositivosHART en redes analógicas convencio-nales, pero con la posibilidad de traba-jar intercambiando información digitalmediante unos mensajes de control y

operación universalmente aceptados yreconocidos por todos los dispositivosde la planta.

La comunicación digital de un dispo-sitivo HART (Berrie et al, 1995) se esta-blece modulando la frecuencia de unaseñal analógica (FSK), de amplitud cons-tante de 1 mA (± 0,5 mA), y superpo-niéndola a la señal analógica de medida(figura 4). La distorsión que genera laseñal FSK de comunicación sobre la ana-lógica de medida es mínima dado que suvalor medio es igual a cero y, por tanto,transparente para cualquier otro dispo-sitivo clásico conectado a la línea.

Por efecto de la modulación, un bita ‘1’ superpone una frecuencia de 1.200Hz y un bit a ‘0’ una frecuencia de 2.200Hz. En el equipo receptor se separa laseñal de medida de la de comunicación

y esta última es desmodulada hasta obte-ner la información digital asociada.

La inclusión de dispositivos HART enredes de comunicaciones analógicas hizoposible la reconversión paulatina de lainstrumentación convencional de laplanta y, a medio y largo plazo, posibi-litó disponer del soporte necesario paraestablecer, finalmente, una comunicaciónsolo digital entre todos los dispositivosinstalados en la planta.

Sistemas distribuidos de controlLa proliferación de las redes de comuni-caciones digitales permitió pasar de losclásicos sistemas centralizados, típicos enla década de 1970 y normalmente basa-dos en equipos de altas prestaciones y ele-vado coste, a los actuales sistemas distri-buidos de control, también llamadossistemas de control en red (network con-trol system - NCS), basados en equiposmás sencillos conectados a través de estasredes (Berrie et al, 1995).

El criterio de elección de una red decomunicación digital que satisfaga losrequerimientos de control de un ciertoproceso industrial debe incluir las dife-rentes necesidades funcionales del diseño,su eficiencia, su coste, su mantenimientoy su futura ampliación (Eccles, 1998). Unerror habitual en la elección de la red esconsiderar determinante la velocidad detransferencia de la información entre losdistintos equipos y dispositivos de la ins-talación. Aun siendo este un factor impor-tante, hay que tener muy presentes otros,tales como el retraso que sufren los men-sajes causados por la posible congestiónde la red, el determinismo temporal del

Red MAN

Red LAN Red LAN Red LAN

Bus de campo

Pasarela

Nivel dedirección

Nivel de control de producción

Nivel de control de proceso

Nivel de campo

Control de calidad

Gestión

Pasarela Pasarela Pasarela

Terminal PLC PLC

Scada Regulador

TerminalControlador

Indicador

Pupitre de control

PLANTA

Actuadores

Sensores

20 mA

+0,5 mA

0

-0,5 mA1200

‘1’2200

‘0’Hz

4 mA

t

Figura 3. Arquitectura de redes de comunicaciones industriales.

Figura 4. Características de las señales de comunicación en un dispositivo HART.



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enlace, el número máximo de dispositi-vos participantes, la integridad en el inter-cambio de mensajes, etcétera.

El retraso de los mensajes ensistemas distribuidos de controlFrecuentemente, las variables del pro-ceso que son captadas por los sensoresde la planta son enviadas a través de lared de comunicación a un nodo con-trolador que, finalmente, determina yenvía la acción de control a través dela red hacia un nodo actuador encargadode aplicar la correspondiente acción decontrol en el lugar conveniente de laplanta. En aplicaciones industrialesdonde se trata de distribuir el controlde la planta a través de una red de comu-nicaciones digital. Sin embargo, debenconsiderarse problemas adicionales deri-vados de su limitado ancho de bandaefectivo, del método de acceso al medioempleado por los dispositivos partici-pantes y de la sobrecarga de informa-ción que se puede presentar en la pro-pia red.

Por ancho de banda efectivo de unared debe entenderse la cantidad máximade datos significativos transmitidos porunidad de tiempo. Con independenciade la red utilizada, la transferencia deinformación a través de cualquier canalde comunicación conlleva un tiempo quedependerá, entre otros factores, del pro-pio ancho de banda efectivo, de la sobre-carga del enlace, de la velocidad de trans-misión, del número de participantes y delruido eléctrico que pueda afectar a la red(Martí et al, 2001). Consecuentemente,

el tiempo empleado en la comunica-ción de la información puede verse afec-tado de un retraso que, en muchos casos,tiende a degenerar la estabilidad del con-trol (Yepez, 2002).

En un lazo de control como el de lafigura 5 se dan tres tipos de retrasos quedeben tenerse en cuenta: el retraso decomunicación entre el nodo sensor y elnodo controlador (τsc

k ), el retraso de cál-culo operacional del controlador (τc

k) y elretraso de comunicación entre nodo con-trolador y nodo actuador (τca

k ).Desde una perspectiva de control

basada en el muestreo de datos es natu-ral pensar en tomar una muestra k de lavariable de interés, y(t), y aplicar lacorrespondiente acción correctora al pro-ceso, u(t). Todo ello, con una ciertaperiodicidad temporal T. El retraso demuestra y actuación, τk , consideradoel tiempo que transcurre desde que estomada una muestra en el nodo sensorhasta que es actualizada la correspon-diente señal de control en el nodo actua-dor, vendrá dado por la suma de los suce-sivos retrasos (Sha, 2000):

Las redes candidatas a soportar el trá-fico de información en sistemas distri-buidos de control deben cumplir dosrequisitos principales: que el retraso detiempo que pueda sufrir cualquier men-saje sea limitado y que su transmisión estégarantizada. Esto implica que un men-saje debe ser transmitido con éxito en unplazo de tiempo limitado.

Componentes del retraso del mensajey el determinismo de la redEl retraso máximo (Rm) que puede sufrirel mensaje en una red de comunicaciónes, a su vez, la suma de tres retrasos bási-cos (Tindell, 1995): el retraso Jm (jitter)que se produce desde que el mensaje esgenerado en el nodo hasta que es colo-cado en su cola de salida, el retraso Imque sufre el mensaje en la cola de salidaantes de ser transmitido y, finalmente, elretraso Cm provocado por el tiempo depropagación del mensaje en la red (figura6). Así, se tiene:

En la mayoría de aplicaciones la com-ponente Jm no interviene significativa-mente en el valor global del retraso porcuanto se trata de un tiempo dependientede la propia electrónica del nodo y, con-secuentemente, mínimo y despreciablefrente a las componentes Im y Cm.

En aplicaciones de tiempo real enlas que los mensajes se generan con unacierta periodicidad (aplicaciones time-triggered) es necesario considerar, ade-más, dos parámetros de extraordinariaimportancia a la hora de planificar la via-bilidad del sistema de comunicaciones.El primero es el periodo, Tm, con el quese genera cada mensaje en particular y,el segundo, el retraso máximo admisible,Dm, para cada uno de los mensajes, con-tabilizado desde su generación en el nodoremitente hasta su recepción en el nododestinatario.

Es evidente que para que la red decomunicaciones soporte los tiempos deintercambio de información previstos,para cualquier mensaje del sistema se debecumplir que Rm ≤ Dm y que Tm≥ Cm.Esto implica (Gámiz, 2005) las defini-ciones siguientes:

Donde: α es el denominado factor derelajación y toma el valor del menor delos cocientes. Dm/Rm es la relación entreel retraso máximo admisible y el retrasoreal para un mensaje dado m.

Cred es la carga de la red dada por lasuma de cocientes Cm/Tm de los n men-sajes del sistema.

n es el número total de mensajes delsistema.

PLANTA

Nodoactuador

τcak

τc

k

Red de comunicaciones

u(t) y(t)

Nodosensor

Nodocontrolador

τsck

Figura 5. Retrasos de los mensajes en un sistema distribuido de control.



Nótese que para garantizar que elretraso de cualquier mensaje (Rm) nosupera su valor máximo admisible (Dm),el factor de relajación de la red debe sermayor o igual a la unidad (α ≥ 1). Asi-mismo, para asegurar que todos los men-sajes generados en los nodos puedenser transmitidos, la carga de la red debeser menor o igual a la unidad (Cred ≤1). Si estas dos condiciones se cumplensimultáneamente, podrá asegurarse quela red puede ser implementada cum-pliendo con los requisitos temporalesprevistos.

Necesariamente, lo anterior implicaque la conducta temporal de la red debeposibilitar la obtención de todos y cadauno de los retrasos de los mensajes (Rm)en el caso más desfavorable. Si esto es así,la red será catalogada de determinista.

Red de comunicación EthernetEn 1985, el IEEE (The Institute ofElectrical and Electronics Engineers)produjo un conjunto de normas para lasLAN bajo la denominación IEEE802.X. Una de las normas IEEE 802es la conocida como Ethernet (IEEE802.3), adoptada por ISO como ISO8802-3. Ethernet es una red con topo-logía lógica en bus cuyo estándar espe-cifica una velocidad de transmisión de10 Mbit/s, aunque con la versión FastEthernet se alcanzaron los 100 Mbit/sy con la actual Ethernet gigabit hastalos 10 Gbit/s.

Ethernet es una red de comunica-ciones de enorme popularidad debida,entre otras causas, al esquema abierto de

su interconexión, su eficiencia en el inter-cambio de grandes volúmenes de infor-mación, al bajo coste de las interfacesrequeridas en su implementación y a suvelocidad. Su espectacular difusión le hapermitido presentar batalla para hacersecon cuotas de mercado, incluso, en elnivel de la pirámide de comunicacionesreservado a los buses de campo. En elsoporte de numerosos sistemas distri-buidos de control se presenta como unserio competidor a las redes determinis-tas, no obstante, cuando ha de garanti-zarse el retraso máximo que pueden sufrirlos mensajes, principalmente en aplica-ciones de tiempo real, su elección no estáexenta de riesgos.

Capa de enlaceEn el año 1984, bajo la norma ISO 7498,la ISO (International Standards Organi-zation) aprueba el modelo de OSI (OpenSystems Interconnection) que describelas reglas por las que deben regirse losequipos de comunicaciones que inter-cambian información a través de unainfraestructura de red. El modelo espe-cifica las reglas atendiendo a su obje-

tivo funcional y las clasifica en siete capaso niveles: aplicación, presentación, sesión,transporte, red, enlace y físico.

La capa de enlace de datos (link layer)de una red estándar Ethernet es la encar-gada, entre otras cosas, de empaquetarlas tramas que conforman los mensajes(figura 7). Cada trama constituye unaunidad de datos del protocolo (PDU) quecomienza con 8 bytes (preámbulo +SOF), seguidos de 14 bytes para el con-trol de la información, de 46 a 1.500bytes significativos de datos útiles delmensaje (SDU) y, finalmente, 4 bytespara el control de errores CRC (cyclicredundancy check). La trama entera es pre-cedida por un tiempo de inactividad enla red, IFG (GAP inter-frame), equiva-lente al tiempo de transmisión de 12bytes (bus idle).

Método de acceso al medioEthernet utiliza en una subcapa de la capade enlace un protocolo de control deacceso al medio (MAC) denominadoCSMA/CD (carrier sense multiple accesswith collision detection). En CSMA/CD,cuando un nodo desea realizar una trans-misión de datos observa que el bus estélibre (bus idle). En esta situación, si coin-cide que dos o más nodos intentan unatransmisión en el mismo instante, se pro-duce una colisión que corrompe los men-sajes enviados, debiendo reintentar latransmisión después de transcurrido untiempo aleatorio que viene dado por elalgoritmo de arbitraje BEB (binary expo-nential back-off) que ejecuta cualquiernodo de la red.

El algoritmo BEB establece que des-pués de producirse una colisión k entredos o más nodos que intentan comuni-car información al mismo tiempo, cadatransmisor forma un conjunto de núme-ros: {0, 1, 2, 3,... (2 k -1)} (para k £ 10),elige un valor aleatorio R del citado con-junto e intenta reenviar la trama despuésde transcurrido un tiempo igual al pro-ducto de R por el tiempo de tramamínima (51,2 ms para Ethernet de 10Mbit/s). De la undécima a la decimo-quinta colisión k permanece constante

M1

M2

M3

M4

Generación delmensaje

Colade

salida

Tm

Jm

Im

Cm

Red de comunicación

Nodo

Figura 6. Componentes del retraso en la transmisión de un mensaje.

Preámbulo

7 bytes 1 26 bytes 6 bytes 4 bytes46 a 1.500 bytes

Direccióndestino

Direcciónfuente

Datos (SDU) CRCSOF

Tipo

Figura 7. Trama de mensaje generada en Ethernet.



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en 10 y a partir de la decimosexta coli-sión, ante la imposibilidad de transmi-tir el mensaje, el nodo lo desecha y noti-fica un error (Tanenbaum, 1996).

Cálculo del retraso del mensaje enEthernetEl algoritmo de arbitraje BEB empleadoen Ethernet estándar hace que esta redposea un comportamiento temporal nodeterminista (Wheelis, 1993), lo cualimplica que no será posible calcular exac-tamente el retraso que pueden llegar asufrir los mensajes (Lian et al, 2001), perosí el valor probable de este retraso. Estoes así debido a que R es un valor obtenidoal azar y de él depende, básicamente, eltiempo de retransmisión de los mensajescuando se producen colisiones. Estehecho excluye a Ethernet del grupo de lasredes aptas para el control de tiempo real.

Sin embargo, siempre que no se pro-duzca el fenómeno de captura de Ether-net (Ramakrishnan, 1994), y para car-gas de tráfico en la red medias (< 60%) ybajas (< 10%, habituales en redes Ether-net utilizadas para control), será posi-ble determinar el retraso de los mensa-jes con una probabilidad elevada deacierto, lo que la capacita para gobernarotros procesos en los que el control nodeba ser necesariamente de tiempo real.

Para trabajar con cargas de tráficobajas o medias hay que limitar necesa-riamente el número de nodos conecta-dos a la red e intercambiar mensajes conun mismo tamaño de datos útiles. Ade-más, y con tal de apostar por la aleato-riedad pura que impone el algoritmoBEB, se debe cuidar que las característi-cas de la interfaz de comunicación entodos los nodos sean idénticas.

Considerando las premisas citadas,varios son los casos que se presentancuando se desea obtener el probableretraso que sufren los mensajes en unared Ethernet:

Caso 1: transmisión continua de un único men-

saje en cada nodo

Es el caso en el que se garantiza elempleo de todo el ancho de banda de lared para transmitir los mensajes al ritmocon el que éstos pueden ser “evacuados”de los nodos (Tm = Rm). Según la expre-sión (2), el tiempo de bloqueo Im que unmensaje m debe esperar una vez que elnodo de Ethernet está listo para trans-mitirlo está en estrecha relación con elgrado de ocupación de la red en eseinstante. Definiendo el parámetroUrex(m) como el factor de utilización dela red (ancho de banda) reservado parael resto de nodos en el instante en queun nodo trata de transmitir un mensajem, se obtiene la correlación existente conel número de colisiones que puede llegara sufrir el mensaje m antes de ser trans-mitido (figura 8).

Así pues, con valores de Urex(m) de,por ejemplo: 0,5 (2 nodos), 0,75 (4 nodos),0,80 (5 nodos) y 0,90 (10 nodos), la pro-babilidad de que el mensaje m sufra unacolisión antes de ser transmitido es de 1/2,3/4, 4/5 y 9/10 respectivamente. Obsér-vese que los numeradores de las fraccio-nes anteriores (1, 3, 4 y 9) indican el pro-bable número de colisiones (Nc) que sufreel mensaje m antes de ser transmitido.

Consecuentemente, el número decolisiones que sufren los mensajes enfunción del factor de utilización de lared, vendrá dado (Gámiz, 2005) por lasexpresiones:

Donde: Cm es el tiempo de propagacióndel mensaje a una velocidad de red dada,

cex(m) es el conjunto de mensajesdel sistema excluido m,

c(ms) es el conjunto del total de men-sajes del sistema,

Nc(m) es el número de colisiones quesufre el mensaje m,

M es el número de nodos de la red.De otra parte, el tiempo de bloqueo

del mensaje (Im) estará en estrecha rela-ción con el tiempo que éste debe esperarhasta finalizar la transmisión del mensajecon el que colisiona. Consecuentemente,este retraso se podrá escribir como:

Donde: Cm— es el tiempo de transmi-sión medio de los mensajes del sistema(idéntico para tramas con un mismonúmero de datos útiles. En adelante senotará como Cm).

Para una línea de transmisión formadapor conductores trenzados y apantallados lacomponente del retraso de propagación Cmen Ethernet viene dada por la expresión:

Donde: bits fijos son los 304 bits quetotalizan la información fija de cada trama(38 bytes),

max [Ndata, 46] es el valor máximo delos dos indicados entre corchetes (Ndata≤ 1500 bytes),

baud_rate es la velocidad de transmi-sión en bit/s,

llínea es la longitud de la línea en metros.Para Ethernet, y considerando la com-

ponente Jm = 0, la expresión (2) adquiereel siguiente aspecto:

Nótese que, para el caso en estudio y losdos que siguen, el periodo de generaciónde los mensajes se considera igual paratodos e idéntico a la del retraso obtenido(Tm = Rm). Esto fija el mínimo tiempode generación de los mensajes en los nodosy marca el límite por debajo de la cual el

18,00

Colisionesmensaje “m”

Urex(m) x 100

15,00

12,00

9,00

6,00

3,00

0,00

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Figura 8. Número de colisiones del mensaje ‘m’, versus Urex (m).



sistema de comunicaciones no podría cum-plir los requisitos temporales exigidos.

Caso 2: transmisión continua de un mismo

número de mensajes en todos los nodos

Dado que en Ethernet estándar no existeprivilegio alguno en el acceso al mediode los nodos que intercambian informa-ción, la determinación del retraso de cadamensaje es inmediata en el caso de queen los nodos haya un número idéntico demensajes n a transmitir. En el caso másdesfavorable, la expresión del retraso (9)es ahora:

Donde: n es el mismo número demensajes en todos los nodos.

Caso 3: transmisión continua de distinto número

de mensajes en los nodos

En el caso de que haya un número dife-rente de mensajes en cada nodo (λ1, λ2,λ3,…,λM), la expresión del retraso de losmensajes en cada nodo vendrá dada por:

Donde: λi es el número de mensajesen el nodo i.

Rm(λi) es el retraso que sufren losmensajes del nodo i.

Caso 4: transmisión periódica de un único

mensaje en cada nodo

Recoge el caso en el que los mensajespueden ser generados en los nodos conuna periodicidad mayor que la de sucorrespondiente tiempo de propagaciónpor la red (Tm > Cm). Esto hace queahora los parámetros Urex y Nc no seanúnicos bajo una determinada situaciónde carga de la red (idénticos en todos losnodos), sino dependientes de la periodi-cidad del mensaje en cada nodo. En estecaso las expresiones (5) y (6) adquieren(Gámiz, 2005) el siguiente aspecto:

Donde: Urex(η) es el factor de utili-zación de la red en cada nodo (η = 1, 2,3,…, M),

Cm es el tiempo de propagación delmensaje a una velocidad de red dada,

cex(η) es el conjunto de mensajes delsistema excluido el del nodo η,

c(ms) es el conjunto del total demensajes del sistema,

Nc(η) es el número de colisionesque sufre el mensaje del nodo η,

M es el número de nodos de la red.Aplicando un criterio análogo al

expuesto en el caso 1, la expresión delretardo que sufre el mensaje en cadanodo vendrá dado por:

Resultados experimentales

Con objeto de validar la expresión (9) serealizó un conjunto de experiencias sobreuna arquitectura como la mostrada en lafigura 9. La plataforma de ensayo estabaformada por un conjunto de nodos (PC),construyendo, a partir de un HUB,una arquitectura en estrella con seg-mentos de cable de 5 m de longitudconectados con RJ-45. Los distintosnodos podrían ser considerados loselementos de un hipotético sistema decontrol (sensores, actuadores, controla-dores, etcétera) que intercambian lainformación de interés a través de la redde comunicaciones.

Para minimizar el tiempo de alma-cenamiento de los mensajes en cada unode los nodos receptores se creó un discovirtual en RAM y, además, se instaló unaaplicación que permitía examinar la velo-cidad de la red, la cantidad de informa-ción recibida y el tiempo que duraba elensayo. Asimismo, en los nodos trans-misores se instaló otra aplicación, con-feccionada a medida, que posibilitaba rea-lizar la transmisión de las tramas con eltamaño y la periodicidad deseados.

El procedimiento utilizado en las dis-tintas experiencias se basó en el reen-vío continuo de un mensaje, con 46 bytes

útiles de datos, desde el nodo transmi-sor 2 al nodo receptor 1. Mientras estatransmisión se producía, el flujo de datosera interferido por la información queintercambian otros nodos de la red (3, 4,...n). De esta forma, aumentando elnúmero de nodos que intercambianinformación a través de la red se podíaobtener el retraso experimental quesufrían los mensajes en el nodo ‘1’ bajodiferentes condiciones de carga en la red.La tabla 1 recoge los resultados de lasexperiencias realizadas.

Las distintas experiencias realizadassobre la plataforma de ensayo confirmanplenamente las expresiones que descri-ben el modelo de comportamiento tem-poral de la red Ethernet presentado ante-riormente. La gráfica de la figura 10valida, asimismo, las expresiones (5) y (6)al reproducir fielmente la relación exis-tente entre el factor de la utilización dela red (Urex) y el número de colisiones(Nc) en cada una de las experiencias rea-lizadas.

¿Ethernet podría soportar tráfico de tiempo real?

Teniendo presente que Ethernet es unared no determinista debido, básicamente,al método probabilístico empleado porlos nodos para acceder a la red despuésde producida una colisión, parece lógicoimitar los mecanismos de arbitraje deotras redes deterministas que soportantráfico de tiempo real. Un método deacceso al medio intrínsecamente deter-minista en redes con topología de bus esel de paso de testigo (token bus – IEEE802.4) (ISO 1985). El símil de comuni-cación entre humanos se tendría en unmétodo de intervención entre partici-pantes basado en el turno de palabra. Estemétodo evita colisiones dado que, en cadainstante, solo habla aquel que le corres-ponde por turno.

El método de arbitraje basado en elpaso de testigo evita el fenómeno de coli-sión de mensajes. Todo nodo de la redestá identificado con un número concreto

Nodo 1 Nodo 2

Red EthernetHUB

Nodo 3 Nodo 4 Nodo 8

Figura 9. Plataforma de comunicación en Ethernet.



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que es conocido por el resto de partici-pantes. Para poder realizar el intercam-bio de información el nodo debe esperara recibir un mensaje único y caracterís-tico (el testigo) de su antecesor y librarloa su sucesor, una vez haya intercambiadola información deseada. De esta forma,el testigo pasa de participante a partici-pante emulando virtualmente una topo-logía de red en anillo, posibilitando asíel intercambio de información. El pro-tocolo debe garantizar, asimismo, que eltestigo pueda circular ágilmente portodos los nodos de la red, evitando quecualquiera de estos pueda abusar deltiempo de posesión del testigo.

Para garantizar la ágil circulación deltestigo pueden emplearse diversas técni-cas. Por ejemplo, considérese que se esta-blece, como un parámetro más de la red,un tiempo máximo para la rotación del

testigo (TMR) que es común y conocidopor todos los nodos participantes.Entiéndase por tiempo de rotación deltestigo el periodo que transcurre entredos visitas del testigo a un mismo nodode la red. Si, además, en cada nodo secontabiliza el tiempo real que transcurreentre dos recepciones consecutivas deltestigo (TRR) y se obtiene la diferenciaTPT = TMR – TRR, podría pensarse envincular la transmisión de los mensajespendientes de acuerdo con el resultadodel valor TPT obtenido en cada uno delos nodos.

Cuando el valor TPT resultase mayorde cero (figura 11a), el nodo podría trans-mitir los mensajes pendientes hasta ago-tar el tiempo TMR. Si, por el contrario,TPT fuese cero o negativo (figura 11b),se podría pensar en transmitir un únicomensaje (el más prioritario).

Lo anterior obligaría a asignar unaprioridad concreta a cada mensaje de laaplicación que serviría para identificar ydecidir el orden de transmisión de losmensajes en las diferentes situaciones quepudieran presentarse. La informaciónque fija la prioridad de cada mensajepodría estar constituida por un conjuntoconcreto de bytes insertados como un‘identificador’ en el campo de datosútiles del mensaje, lo que permitiría suordenación automática en la cola desalida del nodo mientras el mensajeespera a ser transmitido.

Técnicas como la comentada tiendena regular el abuso en el tiempo de pose-sión del testigo y a seleccionar y trans-mitir el mensaje más prioritario cuandoun nodo recibe el testigo a tiempo TMRvencido. Además, posibilitan la obten-ción del valor del retraso máximo quepueden sufrir los mensajes y, consecuen-temente, aproximan el comportamientotemporal de la red al de cualquier otra detipo determinista.

Variantes de las técnicas vistas sonpropuestas actualmente para conseguirdotar a Ethernet de la capacidad degestionar el tráfico en aplicaciones detiempo real. Este es el caso, por ejemplo,de los protocolos RETHER y otros enlos que, sin modificar la compatibilidadde Ethernet, se puede intervenir en susubcapa de control de acceso al medio(MAC) para hacer que esta red puedasoportar tráfico de tiempo real.

Se ha de hacer notar, sin embargo,que soluciones como las indicadas selogran a expensas de un rendimientoinferior al que presenta el protocolo

20

Nc

1816

14

12

10

8

6

4

20

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

Urex

Figura 10. Número de colisiones vs Urex.

Baud-rate Factor Im Cm Número Rm Rm Errorexperimental de red teórico teórico colisiones teórico experimental absoluto(Mbit/s) (Urex) (µs) (µs) (Nc) (µs) (µs) (µs)

9,13 0 0,000 73,604 0,000 73,604 73,604 0,000

9,05 0,0798 6,439 74,254 0,087 80,693 80,702 0,009

9,19 0,1468 12,581 73,123 0,172 85,704 85,712 0,008

9,08 0,2664 26,876 74,009 0,363 100,884 100,899 0,015

9,16 0,3183 34,254 73,362 0,467 107,617 107,635 0,018

9,22 0,4298 54,939 72,885 0,754 127,824 127,847 0,024

8,93 0,5378 87,561 75,252 1,164 162,813 162,783 -0,030

9,29 0,6385 127,763 72,336 1,766 200,099 200,099 0,000

9,19 0,6801 155,458 73,123 2,126 228,581 228,355 -0,226

9,29 0,7329 198,483 72,336 2,744 270,819 270,860 0,041

8,83 0,8015 307,292 76,104 4,038 383,396 382,067 -1,329

8,94 0,9078 740,101 75,168 9,846 815,269 815,620 0,351

8,86 0,9451 1.305,693 75,847 17,215 1.381,539 1.380,651 -0,888

Tabla 1. Resultados de las diferentes experiencias realizadas.



CSMA/CD, sobre todo, cuando la redtrabaja con volúmenes de tráfico redu-cidos (Koubias 1995).

ConclusiónDebido a su amplio ancho de banda, elestándar Ethernet presenta una buenaeficiencia y un buen tiempo de res-puesta en sistemas de control con unnúmero de nodos reducido, con idén-ticas longitudes de trama para los men-sajes y con intercambios de informacióndedicados exclusivamente a la aplica-ción de control. Sin embargo, el com-portamiento temporal de la red están-dar Ethernet no es determinista y estopuede decidir su exclusión en sistemasdistribuidos de control de tiempo realen los que, por su relevancia o peligro-sidad, los distintos mensajes del sistemaestén sometidos a grandes constreñi-mientos de tiempo.

En sistemas de control que no requie-ran un tráfico de tiempo real, puede serempleada la red estándar Ethernet bajolas premisas expuestas en el artículo. Lasexpresiones presentadas proporcionan elvalor del retraso del mensaje más proba-ble y, como refleja el resultado de lasdistintas experiencias, este valor se apro-xima de manera notable al valor teóricocalculado.

Realizando las oportunas modifica-ciones en el método de acceso al medioy valiéndose de la funcionalidad que pro-porcionan las interfaces de comunicación

de la red Ethernet estándar, sin embargo,pueden implementarse soluciones queposibilitan el empleo de esta red en apli-caciones de tiempo real.

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Juan Ángel Gámiz [email protected] ingeniero en Electrónica y profesor titular dela Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrialde Barcelona (EUETIB), centro adscrito a la Universi-dad Politécnica de Cataluña (UPC). Profesor ads-crito al departamento de Ingeniería de Sistemas, Auto-mática e Informática Industrial (ESAII) de la UPC.

Javier Gámiz [email protected] Ingeniero en Informática e ingeniero técnico en Informá-tica de Sistemas. Profesor titular del departamento deESAII de la UPC. Jefe de proyectos en el departamentode Sistemas de la empresa Aqua Ambiente (GrupoAGBAR).

Figura 11. Limitación del tiempo de posesión del testigo (TPT) en el nodo ‘n’.

Tiempo de rotación real del testigo (TRR)empleado por los nodos n+1 a n-1

Tiempo máximo de rotación fijado (TMR)

Nodo ‘n’transmitemensajes

Nodo ‘n’ envíatestigo a nodo

Nodo ‘n’ envíaun único mensaje

Nodo ‘n’ recibetestigo de nodo

Nodo ‘n’ recibetestigo a nodo

Nodo ‘n’ envíatestigo de nodo n-

a) Transmisión dentro del tiempo TMR

b) Transmisión fuera del tiempo TMR

Tiempo TPT

t

t

Tiempo máximo de rotación fijado (TMR)

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Ethernet como soporte de sistemas de control en red