Manual Comunicacion Industrial FIEE UNAC

COMUNICACIONES INDUSTRIALES

TEXTO DEL ESTUDIANTE PARA EL CURSO DE REDES INDUSTRIALES

ELABORADO POR: ING. ELMER E. MENDOZA TRUJILLO

CALLAO 2012

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO

FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y

ELECTRÓNICA

Comunicaciones Industriales Utilizando PLC´s

Ing. Elmer E. Mendoza T. Página 2 10/09/2012

Principios de comunicación en los entornos industriales

Introducción

Las necesidades de comunicación ya han sido experimentadas por el lector. Sin duda ha establecido conversaciones telefónicas e incluso habrá participado en alguna conexión a través de Internet. En el campo industrial, las decisiones que exigen tomar las necesidades de producción precisan ser llevadas a los dispositivos de control a pie de maquina o campo. Es decir, utilizaremos los medios de comunicación para conectar entre si los diferentes dispositivos que intervienen en los procesos de producción automatizados.

El control distribuido se ha convertido en el criterio y concepto que deben seguir todos los sistemas de comunicación industrial. El propio término nos indica la distribución de las responsabilidades en todo proceso del control de una compañía o empresa, ya sea grande o mediana. El entorno CIM utiliza las redes de comunicación y es el origen de que se necesiten técnicos con competencias en comunicaciones industriales.

Contenido

1.1 El proceso de la comunicación. 1.2 El entorno CIM (Computer Integrated Manufacturing). 1.3 Rede de comunicación. 1.4 Funciones de un sistema de comunicación industrial. 1.5 Protocolo de comunicaciones: modelo OSI. 1.6 Introducción a los niveles de comunicación industrial. 1.7 Normalización de las comunicaciones.

1.1. El proceso de la comunicación

En los sistemas de comunicación nos podemos encontrar con diferentes versiones y situaciones. Los cierto es que los distintos elementos que componen los sistemas de comunicación pueden intercambiar información, mensajes, entre si.

La comunicación requiere de los siguientes elementos genéricos:

• Emisor, también fuente generadora de mensaje; • Medio de transmisión, por el que se emite el mensaje; • Receptor, recibe la información.

Figura 1.1. El emisor el medio de transmisión y el receptor son los elementos que componen una comunicación.

1.1.1. Componentes de la comunicación

El emisor es el que elabora previamente el mensaje. La comunicación debe realizarse con información rigurosa y preparada para el fin que se busca. Es mas, se deben conocer las posibilidades de entendimiento del mensaje por parte del receptor. Esto origina que se introduzcan distintas formas de codificación de la información. Existe por tanto, un formato para el mensaje.

Emisor Receptor

Medio de transmisión



El medio de transmisión exige que tanto emisor como receptor adapten la forma física del mensaje. Es muy probable que nos vengan a la mente las líneas telefónicas constituidas por cables y/o enlaces mediante antenas de radiofrecuencia. Además se hace indispensable una adaptación del mensaje al medio de transmisión por parte del emisor. Cuando hablamos por teléfono, nuestra voz se convierte en una señal eléctrica que varia en amplitud y en frecuencia. Para utilizar los medios tecnológicos actuales, la misma voz se convierte en impulsos eléctricos que implementan los valores binarios uno y cero.

En el receptor se recogen los mensajes que llegan por el medio de transmisión. Si al formato del mensaje es reconocible, se extrae del mismo la información que se elaboro en le emisor y se procesa. Sin no es un mensaje con el formato adecuado, se puede descartar o solicitar un reenvió al emisor.

Figura 1.2 El emisor elabora el mensaje y lo adapta para que pueda ser emisor a través del medio de transmisión.

Tanto el emisor como el receptor invierten sus funciones cuando el tipo de comunicación así lo requiere. De este modo el emisor debe ser capaz de recibir la conformidad de los envíos de mensaje de asegurar que la comunicación con el receptor se esta llevando a cabo.

Así, tanto emisor como receptor emiten y reciben mensajes, es decir, envían y reciben mensajes en los formatos que se hayan establecido.

Figura 1.3. El receptor recoge el mensaje del medio de transmisión y lo descifra para su posterior utilización.

1.1.2. Particularidades de la comunicación

Para los casos en los que la cantidad y el tamaño de los mensajes son elevados, lo ideal es disponer de un camino para los mensajes que se emiten y otro para los que se reciben, a través de un mismo medio de transmisión, en cada extremo de la comunicación. Cuando se dedica un medio para cada sentido de la información, se beneficia la “claridad” con las que se establecen las comunicaciones.

No, obstante, si los mensajes son de tamaño pequeño, puede que estemos utilizando un medio sobredimensionado, y es preferible aplicar diferentes técnicas de turno de parada o espera para mantener el flujo de comunicación.

Medio de transmisión Receptor Recepción

Transmisión

Emisor Transmisión Recepción




Figura 1.4. El emisor es a la vez receptor.

La siguiente es una de las primeras novedades que podemos reseñar y es posible que el lector ya se haya preguntado en una comunicación ¿solo existe emisor y receptor? Emisor y Receptor solo son los papeles que desempeñan los participantes en un instante dado. Se pueden establecer una comunicación entre, por ejemplo, un emisor y varios receptores. En este caso se trata de una comunicación que implica distintos destinatarios para un mismo mensaje. Además, estos últimos, junto al emisor del mensaje, están conectados a un mismo medio o línea de transmisión. Algunos pueden recibir y participar activamente. Otros solo están en la escucha y no participan en la comunicación a no ser que se les interpele o indique con una señal. Así es como se desarrollan las comunicaciones hoy en día. Véanse los sistemas de radiodifusión y las conversaciones entre radioaficionados.

Figura 1.5. Un emisor y varios receptores.

En los sistemas de comunicación actuales los elementos que se conectan, emisores y receptores, se denominan estaciones o unidades.

Otra característica que podemos observar en la figura 5 es la siguiente: se busca conseguir comunicar con varios receptores y, al mismo tiempo, utilizar un único medio de transmisión de nuestra parte, pero manteniéndose la impresión de estar comunicando con cada uno de ellos individualmente. Las tecnologías tienen sus límites. Mientras la cantidad de información que viaja no sea excesiva, los sistemas pueden apreciar una dedicación individual del medio. Pero todos hemos oído hablar de la saturación de las líneas telefónica. Cuando crece la cantidad de información, los receptores buscaran en que ocupar el tiempo que el transmisor esta dedicando a los otros participantes.

De esta manera repartimos los tiempos de espera, ¿dejaríamos esperando a los demás, mientras finalizamos la conversación con uno de ellos? Esto podría originar inanición de la comunicación con ciertos receptores.

Además se entiende que el emisor esta actuando como elemento activo. Toma la decisión de solicitar (enviando y ordenando la devolución) mensajes a los receptores. Estos mensajes requieren respuesta. Cuando establezcamos una comunicación de este tipo, diremos que el emisor actúa como maestro o principal, y los receptores son secundarios o esclavos.

Emisor Receptor


Sentido del mensaje

Emisor

Receptor 1

Receptor 2

Receptor n



Desde el punto de vista del emisor, es en este tipo de comunicación en donde se aprovecha bien el medio de transmisión. Cada receptor esta atendido por un medio que deriva de una misma rama, común a los receptores. Una de las características de las telecomunicaciones actuales permite este hecho. Sean los múltiples canales de telefonía, televisión, etc. que pueden obtenerse o servirse desde un mismo medio de difusión: central telefónica y emisora de televisión por cable. Adelantando contenidos podemos hablar de diferentes canales o bandas de frecuencia por un mismo cable, que permiten la transmisión simultánea de conversaciones, datos, etc.

Obviamente, el aprovechamiento del medio y tipo de transmisión es uno de los objetivos de cada enlace o tipo de red de comunicación que encontramos en el mercado.

1.1.3 Una aproximación con aplicación industrial

En un sistema de comunicaciones industriales, los mensajes se pueden enviar desde ordenadores a autómatas programables. También entre instrumentos de precisión, autómata programable, controladores de temperatura (PID) y conjunto de válvulas motorizadas, etc.

Las tecnologías de comunicación industrial, actualmente disponibles, permiten realizar la automatización de los procesos industriales de una forma fiable, con una mínima tasa de errores, con gran disponibilidad de opciones de explotación de datos, en condiciones de seguridad de las personas y las cosas, e integrando una elevada variedad de dispositivos.

De esta forma al utilizar un medio de transmisión, disminuye el número de cables (es más: su longitud, tiempo de instalación y detección futura y seguras averías).

Aunque existen aplicaciones de automatización en la que un bucle de corriente de 4-20 mA, realizado a dos hilos, resuelve la interconexión de los dispositivos que intervienen en la misma, cuando se trata de conectar un elevado numero de controladores y componente, a distancias elevadas y con intervención de control en un nivel superior (por ejemplo explotación desde el departamento de producción), se utilizan sistemas de comunicación industrial como los que se van a describir a lo largo del texto.

Es decir, cuando se trata de supervisión, control, explotación y almacenamiento de la información que fluye por un sistema de control automático, se aplican las tecnologías que desarrollan las comunicaciones industriales. Además del ahorro de cableado, supone el beneficio de las tecnologías de información.

Podemos, por ejemplo, ser los responsables de automatizar un sistema transportador de cajas y, entre otras tareas a resolver, sincronizar la velocidad de varias cintas de transporte. Si optamos por un equipo que resuelva aisladamente esta aplicación, seguramente habremos ahorrado dinero y energía, al menos a corto plazo. De entrada, se asemeja a una comunicación, como la indicada en la figura 5.

Sin embargo, si nuestro cliente desea integrarlo en un sistema de control de la producción de toda una planta, deberemos incorporar los componentes que permitan la transmisión de mensajes entre los componentes accionadores (convertidor de frecuencia y motor) y los sistemas de control. La decisión de incrementar o disminuir la velocidad de transporte depende en gran medida del jefe de producción. Tomada la decisión debe disponerse de un sistema automático y comunicado para transmitir la orden de avance a todo el sistema de transporte. Un autómata programable o un ordenador industrial recibirá la orden de avance con un mensaje de este tipo “varia el transporte de 10 a 15 cajas por minuto”.



Es mas, si se opta por medir la velocidad del motor, y disponer así de un sistema regulado, puede que el dato del sensor o dispositivo elegido para la medida de la velocidad del motor se convierta en parte de los mensajes traídos y llevados por el medio de transmisión.

Cada para motor-variador se encarga de un tramo del transportador completo. Un autómata programable de última generación puede enviar y recibir mensajes de cada conjunto citado y tomar las decisiones oportunas, por medio de un programa de automatización. De esa forma, se pueden coordinar las velocidades de las distintas secciones de un transportador.

Figura 1.6. Autómata programable comunicado con dos variadores de velocidad.

Los mensajes pueden tener más de un receptor, dado que existen varios motores. Además, un software de gestión de la comunicación, junto a un hardware en cada elemento, y un medio de transmisión adecuado, conseguirán que los mensajes alcancen, y tengan sentido en cada extremo de la comunicación.

Así disponemos de información distribuida por todo el conjunto de elementos conectados entre si: desde un nivel superior de gestión de la planta, hasta el variador de velocidad que aplica la potencia necesaria al motor. Incluso si los dispositivos son de distintas marcas comerciales, se deberá garantizar el correcto funcionamiento y “entendimiento” de los mensajes. La utilización de dispositivos electrónicos específicos – adaptadores, tarjetas – permitirá la adecuada conexión eléctrica y mecánica.

Dadas las características de los diferentes sistemas industriales encontraremos mensajes a transmitir de un solo bit (por ejemplo, sensor de presencia de objeto en una cinta de transporte), un grupo de n bits (por ejemplo, valor de la velocidad de una de las cintas en formato binario) o incluso un valor analógico (por ejemplo, esa misma velocidad). Esto obliga a utilizar un formato y un tamaño para los mensajes, que para cada fabricante son o pueden ser diferentes. El objetivo es establecer las reglas del intercambio de información. De esta forma, los distintos fabricantes, adoptan sus reglas conforme a unas normas estándares, para todos y cada uno de los aspectos de la comunicación, desde el numero de pines de la conexión, hasta como detectar el error en un bit. Estos serán sistemas abiertos de comunicación. Cuando abordemos el estudio de los protocolos definiremos con más exactitud estos aspectos.

Este objetivo de integración nos llevara utilización de normas de comunicación, arraigadas en una marca comercial o en un estándar (europeo e internacional), para poder disponer de equipos de fácil sustitución, ante averías o ante necesidades de crecimiento.

Y, ante un control de planta general o la explotación de datos, o ante los niveles de operadores, el medio “hardware” utilizado es el ordenador y tarjetas específicas de control y comunicación. Entre los medios “software”, o programas de aplicaciones que están siendo implantados, se encuentran los SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition: supervisión, control y


Autómata Programable Variadores Velocidad Motores



adquisición de datos), basados en dos aplicaciones fundamentales de la informática y las telecomunicaciones: redes de comunicaciones de datos y base de datos.

Estos sistemas se aplican desde hace mas de dos décadas en compañías del sector del automóvil y de las petroleras, y desde hace una década, incluso en pequeñas aplicaciones como minicentrales hidroeléctricas, a lo largo del curso de un rió.

Los sistemas SCADA unidos a los instrumento, pantallas de operador, sistemas de seguridad, controladores e instrumentos, autómatas programables, sensores y equipos de transmisión, son de la forma actual del control de procesos distribuido actual.

El estudio y aplicación del contenido de este libro de texto permitirán operar y manipular estas aplicaciones informáticas, en lo que se refiere a establecer comunicaciones industriales entre dispositivos de control.

1.2. Entorno CIM (Computer Integrated Manufacturing)

La fabricación integrada por ordenador es el pilar de las plantas de producción. Por este sistema se entiende que se van a generar los diseños, ordenes de compra, gestiones de calidad, control total de los procesos de fabricación y otras que se van incorporando a medida que los avances tecnológicos van haciéndose realidad.

La instalación CIM queda definida por tres grupos:

Procesos de fabricación integrados por medio de tecnologías como la eléctrica, electrónica.

Distribución de jerarquías, dispositivos distribuidos en niveles, según sus tareas y unidos a elementos en jerarquía inmediatamente superior e inferior.

Agrupamiento, procesamiento, control y difusión de la información.

Tecnologías Descripción Electrónica Incluida en todos los elementos introducidos. Su complejidad

varía según el nivel de la jerarquía y la función del mismo. Control por ordenador, jerarquizado y distribuido.

Mecánica Ensamblado de distintas partes de los productos de producción, para llegar a un producto finalizado.

De la información La información puede llegar de distintas partes de la fábrica: campo, ingeniería, contabilidad, almacén…. Utilización de una misma fuente de datos para todos los integrantes.

Tabla 1.1. Integración en un sistema CIM.

1.2.1 Tecnologías en el CIM

Entre las más destacadas se encuentran:

• Diseño asistido de ordenador(CAD/CAE: Computer Aided Design/Computer-Aided Engineering)

• Fabricación asistida de ordenador (CAM: Computer Aided Manufacturing) • Control numérico (CNC) y Robótica



• Instalaciones industriales: eléctricas , estructuras….. • Sistema de planificación, supervisión y control de la fabricación • Manipulación y todo tipo de transformaciones automáticas en los materiales • Informática y ordenadores • Telecomunicaciones.

En un sistema de fabricación automatizado se persiguen los siguientes objetivos:

• Mínimos costos. • Instalaciones flexibles • Gestión de almacenamiento muy actualizado • Rápidos y sencillos cambios de producción • Centralización de datos • Distribución de tareas • Reducción del número de actuaciones en mantenimiento.

Tabla 1.2 Objetivos al aplicar un sistema CIM.

1.2.2. Niveles de integración en un sistema CIM

Ahora bien, en las áreas de fabricación, las maquinas se entenderán relacionadas e integradas entre si, no aisladas. Ello permitirá que el flujo de información llegue desde el sensor en plena maquina, hasta el nivel mas alto de la dirección de la fabrica, aun situado este ultimo, en el otro extremo del país.

Para ello se definen los siguientes niveles de integración en el entorno CIM:

Entre todos los niveles de la pirámide debe existir una fuerte comunicación, que se realiza en sentido ascendente, descendente y entre los que componen el mismo nivel. Por eso diremos que esta comunicación es vertical y horizontal. Así las redes de comunicación datos, que se introducen en el apartado siguiente, resolverán, o serán el medio, para establecer la comunicación.

Nivel Descripción Empresa Con los datos del nivel inferior se realizan los procesos automáticos de

productividad, planificación, cálculos de plazos, costos de mercado, gestión administrativa, gestión de recursos humanos, investigación y desarrollo. Coordinación de toda la corporación. Todo tipo de recursos comerciales.

Fabrica Control operativo de la productividad de la planta o fábrica. Datos de producción, conceptos estadísticos, gestión de compras, gestión de mantenimiento, inventario, análisis de costos, compras. Emite los pedidos y previsiones de ventas. Establece los costos y necesidades de cambio en ingenierías. Grandes ordenadores. Ordenadores de procesos.

Área Coordinación de los elementos de control de celda. Sincroniza los elementos inferiores. Suministra de información de cada celda. Almacena variables de proceso. Coordina los transportes. Sigue las órdenes de trabajo. Control de línea en curso y calidad. Programas de fabricación. Autómatas programables de gama alta ordenadores de control especifico para CNC y robots.

Celda Coordinación de los elementos inferiores. Se incorporan los elementos



de control numérico, robótica y se coordinan con las estaciones. Este nivel con el de la estación pueden fundirse en uno denominado LOCAL.

Estación Engloba los elementos que realizan el mando y control de una maquina. Se agrupan en este nivel: autómatas programables, instrumentación, terminales de operario. Se seleccionan informaciones para los niveles superiores.

Maquina Maquinas y elementos productivos y elementos básicos del mando control y accionamiento. Se lleva a término la producción. Se obtiene la información (analógica y/o digital) para pasarla a niveles superiores.

Tabla 1.3 Niveles de integración CIM

En un principio puede requerir elevadas inversiones, por lo que una pequeña o mediana empresa realizara una estimación de los posibles niveles de integración que están a su alcance.

Las comunicaciones de maquina, estación y celda, incluso el nivel de área, serán los niveles en los que nos desenvolveremos en este texto, incluso en la mayor parte de nuestra practica profesional. Se entiende por nivel de campo el que abarca el de estación y maquina, aquel más cercano al nivel a los componentes s que permiten el control automático y, por otro lado, se realiza un control por medio de un sistema de comunicaciones.

1.3. Redes de comunicación

Indudablemente el tipo de comunicación más sencilla es la que se establece entre dos elementos, a través de un medio de transmisión. Un ordenador y su ratón o su impresora, son ejemplos evidentes de un enlace dedicado punto a punto. Es un enlace directo, en el que trabajaremos, por ejemplo cuando realicemos aplicaciones ordenador – instrumento de control. Este tipo de comunicación resulta poco útil en muchos casos:

Figura 1.7. Pirámide de integración CIM.

• Si queremos comunicar los teléfonos de una población, se requeriría un “cable” para unir un teléfono con el de cada vecino. Además se haría muy difícil su coordinación.

• Si parte de los dispositivos involucrados se encuentran a gran distancia unos de otros, véase por ejemplo, conectar con la base de datos de un instituto tecnológico, y el ordenador en nuestro taller u oficina. Aquí deberíamos usar un cable de gran longitud.

MAQUINA

ESTACION

CELDA

AREA

FABRICA

EMPRESA



Por lo que la solución adoptada ha sido establecer la interconexión de cada par de estaciones por medio de un sistema que permite una red de caminos para establecer la misma. A esta solución la llamaremos red de comunicación. Esta red de comunicación, donde los elementos comparten el medio de transmisión, siguiendo unas reglas o protocolos de comunicación (por ejemplo, identificación del emisor, de identificación receptor o destinatario, evita la aparición de colapsos del medio).

Si vemos la red comunicación como un todo, cada subconjunto de estaciones relacionadas entre si (por su propiedad o su localización, por ejemplo), podemos denominarlo subred. Normalmente trabajaremos con el término red.

Los elementos de una red son:

• Líneas de transmisión: constituyen el medio de transmisión, por el que se transportan los mensajes entre los elementos.

• Estaciones (también unidades): cada elemento que esta conectado a la red de comunicación.

• Nodos: cada estación se encuentra unida a otra subred por medio de un nodo. Son los encargados del encaminamiento o conmutación de la información, a través de la red.

Tanto nodo como estación serán términos igualmente utilizados en la literatura técnica. Dentro de la red existen una serie de interconexiones, internas a la red, que van seleccionando los caminos, que facilitan la comunicación entre dos de las estaciones conectadas. Por medio de los nodos de seleccionan estos caminos, de ahí que se les conozca como elementos de conmutación.

Figura 1.8. Composición de una red de datos.

Las redes de comunicación pueden clasificarse atendiendo a varios criterios. Véase la tabla 1.4.

Toda la red

Líneas de Transmisión

Estación Origen Pertenece a una

Subred. Nodos.

Encaminan la comunicación enlaces Multiplexados

Subred Destino Estaciones.



Criterio Tipos de red Propiedad • Publicas.

• Privadas

Tipo de enlace • Punto a punto • Multipunto

Técnica en la transferencia de los datos

• Red de conmutación de circuito. • Red de conmutación de paquete (circuito virtual y

datagrama)

Extensión geográfica • WAN (Width Area Network, red de area extendida) • LAN (Local Area Network, red de area local)

Topología • Bus • Árbol • Anillo • Estrella

Tabla 1.4 Clasificación general de redes de comunicación.

1.3.1. El modelo cliente/servidor y los sistemas distribuidos

El modelo de comunicación distribuido utiliza un mecanismo denominado cliente/servidor. La idea es la siguiente: entre los dispositivos conectados, para la realización de la comunicación se han distribuido ciertas funciones. Así todos necesitan de “casi todos”. Unos ofrecen servicios y, solo para ese servicio o servicios concretos, son los servidores. Otros solicitan ese servicio, por lo que son cliente. Por supuesto, que una estación servidor puede ser cliente para obtener servicios de otra estación. Existen estaciones puramente clientes, estaciones puramente servidores y estaciones cliente/servidor.

Este modelo requiere de la utilización de ciertos protocolos comunes, sobre todo protocolos de sistemas abiertos, para poder aplicar software y hardware de distintos fabricantes. Lo habitual es que una estación servidora disponga de un software que se mantiene a la espera de que los clientes soliciten es servicio correcto.

Algunos de los participantes en la comunicación realizan tareas de gestión de la comunicación, coordinando posibles congestiones. Si en un momento dado, una gran cantidad de clientes solicitan el mismo servicio al mismo servidor, pueden bloquearlo. Alguno de los participantes pueden actuar como servidor de emergencia, a petición del otro servidor.

El modelo cliente/servidor reparte las funciones entre las estaciones. “Democratiza” las comunicaciones en los niveles que esto es posible. Es distinto al de principal/secundario, en el que una estación actúa como “director” (principal) de las comunicaciones y el resto siguen el ritmo marcado por aquel (secundarios). Podemos intentar descubrir cuales son los fundamentos del correo electrónico sobre Internet.

Habrá que distinguir entre operaciones de control y comunicaciones industriales. Desde el punto de vista de la automatización de procesos industriales, las diferentes operaciones de



control se encuentran distribuidas. Podemos verlos así: una señal del A.P. indica al variador de frecuencia que situé al motor a 1300 rpm, el variador ya ha sido programado para una rampa de aceleración y par de arranque y par motor adecuado.

Ahora bien, desde el punto de vista de las comunicaciones industriales, la comunicación que se ha establecido puede ser de tipo principal/secundario, el variador siempre recibe señales de comunicación por iniciativa del A.P.

1.3.2. Redes de conmutación

Si se atiende a las técnicas de la transferencia entre los participantes de la red de datos encontramos:

• Red de conmutación de circuito. En este tipo de red cada comunicación que se establece, viaja a través de un circuito que se establece previamente. Este circuito se libera al finalizar la comunicación. Esta se realiza en tres fases:

1.- Establecimiento o creación del circuito, en la que se van creando los circuitos entre estación origen, nodos y estación destino.

2.- Transferencia de los datos, a través del circuito que se ha creado.

3.- Desconexión y liberación del circuito.

La conmutación de circuitos se utiliza en telefonía y en datos. La red telefónica básica establece una central de abonados, por las que estos últimos envían sus comunicaciones telefónicas – voz y datos- al resto de abonados. Entre las centrales conmutadas origen y destino se pueden encontrar múltiples centrales y con distinto nivel de centralización y calidad. Para garantizar que entre los nodos viajen diferentes comunicaciones simultaneas se utilizan las técnicas de multiplexado en frecuencia y en tiempo, que se estudia en el capitulo 2.

• Red de conmutación de paquete (circuito virtual y datagrama). La idea es transmitir datos en forma de paquetes cortos. Se descompone la información en bloque más pequeños, y se le añade, a cada paquete, información para tener conocimiento sobre el emisor, el receptor y alguna indicación sobre el camino por el que se quiere enviar. Es posible que los paquetes de una misma comunicación viajen por distintos caminos de nodos. Así, los paquetes viajan desde el emisor al nodo destino, que lo transfiere al receptor. Los dos tipos de conmutación de paquete, circuito virtual y datagrama de diferencian en que el primero –conmutación de paquete por circuito virtual- establece una reserva previa de recursos, mediante una llamada. En cada nodo se va estableciendo el nodo siguiente al que se transmitirán los paquetes.

Y en el segundo –conmutación de paquete por datagrama- , se envían los paquetes (que se denominan en este caso datagrama) sin establecer llamada ni reserva previas, así en cada nodo se debe “descubrir” a que nodo hay que enviar cada datagrama.

1.3.3. Redes de área amplia (WAN) y redes de área local (LAN)

A las redes totales se les viene a denominar WAN (redes de área amplia). En general se caracterizan por:

• Cubrir un área geográfica extensa, como mínimo mas allá de un edificio o de un campus



• Requerir, por lo general, utilización (por tanto, la adaptación y el gasto) de operadores de telecomunicación externos (por el ejemplo, le uso de la red telefónica con servició integrado ISDN: Integrated Service Data Network para datos, voz e imágenes).

Por el contrario, si conectamos dispositivos (por ejemplo desde ordenadores, trazadores, instrumento, controladores de robots, etc) es decir, cuando se restringe la localización del área de una red, se le denomina Red de Área Local (RAL) (Local Area Network: LAN). Cierto es que, cuando se implanta un sistema de fabricación integrado, se pasa necesariamente por una, o varias LAN, lo que constituye un sistema de comunicación distribuido. Con ello lo que se busca es una organización relacionada y no únicamente jerárquica, es decir una estructura que permita establecer actividades relacionadas entre si.

Las WAN y LAN resolverán comunicaciones entre los niveles CIM. Con un WAN se puede realizar las comunicaciones de varias plantas o fabricas. En cada una de estas, existen diferentes LAN (locales) que resuelvan la comunicación en cada uno y entre los distintos niveles CIM. Mas adelante enunciaremos los niveles de comunicación para distinguirlos de los CIM.

Figura 1.9. Topología tipo de subredes punto a punto.

Este tipo de redes corresponde a redes que permiten comunicar los elementos punto a punto. Cada línea de transmisión conecta únicamente dos nodos intermedios y a través de ellos podemos conectar nuestras estaciones. La forma en que se conectan los nodos aborda la

Subred Total

Subred en Estrella

Subred en Anillo

Subred en Árbol



topología de una red de enlace punto a punto. En la figura 9 pueden verse las posibilidades de conexión de nodos, lo que da origen a las redes locales con los siguientes nombres: anillo, estrella, árbol y total.

Otra forma de entender las redes se manifiesta en las redes de difusión que no utilizan nodos intermedios. Cada estación en si es emisora y receptora, que se comunica con otros elementos (estaciones y nodos) sobre el mismo medio de transmisión. Las demás estaciones pueden ver los mensajes que se emiten. Por tanto, se precisa una identificación (direccionamiento) para indicar el destinatario de un mensaje. Presentan problemas de competencia por el acceso simultáneo de dos o más estaciones al medio de transmisión. Bus y anillo son las más utilizadas en la industria. Es indudable su gran aplicación en los sistemas de comunicación.

Las tecnologías de comunicaciones industriales se basan en el establecimiento de enlaces punto a punto y redes de un área relativamente corta, sobre una fabrica, con gran interconexión entre los equipos. Es fácil encontrar dispositivos que concentran las entradas (sensores) y salidas (relés, electroválvulas) por medio de un único cable, de 2 hilos y malla. También un autómata de gama elevada, realizando las veces de elemento coordinador, y realizando el programa principal de una celda de 5 extrusoras (sector del plástico) y una estación de envasado. Por ello este texto se centrara en las técnicas de dispositivos, elementos de conexión y software de programación que hacen posible la comunicación sobre redes locales industriales desde ordenadores y autómatas programables. Sobre las LAN y sus características volveremos en capítulos dedicados en este texto.

1.4. Funciones de un sistema de comunicación industrial

Entre las tareas que un sistema de comunicación debe cumplir encontramos:

• Uso del medio de transmisión: técnicas de reparto de la capacidad del medio, para ser utilizado por más de una estación. Además técnicas de control para evitar l congestión de medios.

Figura 1.10. Topologías tipo de subredes de difusión.

ANILLO

BUS

SATELITE



• Generación de señales eléctricas: los valores eléctricos en los que se convierten los datos a transmitir deben ser generados e interpretados. En los sistemas de comunicación industrial existen repetidores que regeneran la señal, cada cierta longitud de la línea de transmisión.

• Gestión de intercambio: al realizar una conexión se debe establecer si existen turnos de parada y espera o si se establece un camino para que cada estación realice la transmisión de sus datos, actuando al otro extremo de cada camino como receptor.

• Sincronización: al menos se deben sincronizar, reconocer cuando una señal eléctrica comienza a llegar y cuando finaliza. De esta forma se permite realizar el establecimiento, el intercambio de información y la finalización de la comunicación.

• Detección y corrección de errores: habrá que decidir como detectar los errores y si merece la pena la inversión de recursos (hardware y software) en la reconstrucción de la información, o simplemente, la repetición de la misma.

• Control de flujo: lo normales que el destinatario o receptor dedique parte de sus recursos a la comunicación establecida. Si enviamos información masiva, podemos desbordarlo. Existirá un mecanismo para establecer la fragmentación (trozos mas pequeños) y el orden de envió de la información que se esta intercambiando, incluyendo tiempo de espera y turnos de espera.

• Encaminamiento y direccionamiento. Al utilizar diferentes caminos (véase la figura sobre topología en estrella), la red debe resolver los caminos por los que enviar los mensajes al receptor. Previa a esta tarea habrá que resolver la identificación del mismo.

• Formatos de los mensajes: debe existir una concordancia entre los dos extremos que establecen la comunicación. Debe coincidir el orden en formar palabras 16 bits cuando se envían los datos en 8 bits, o conocerse la forma de envió par el correcto funcionamiento.

• Restablecimiento: referido a la conexión desde el punto en el que se quedo la comunicación ante un fallo del sistema.

• Seguridad: se refiere a que el emisor debe asegurar que el mensaje enviado se recibe solamente por el receptor destinatario. Es decir si hay que activar la válvula de admisión de agua, no debe activarse la del desagüe. En otro orden, se refiere a la asignación de acceso de elementos y personas a ciertos puntos clave de una factoría. Lo que lleva a la inclusión de claves y nombres de usuario (password y login).

1.5. Protocolo de comunicaciones: modelo OSI

Cuando dos estaciones se comunican a distancia, por medio de una red de comunicación de datos, hemos de entender que lo que hacen realmente es intercambiar datos entre un programa o mas que se están ejecutando en cada extremo del enlace. Esto es una comunicación orientada a la conexión y, es fácil que el lector ya lo haya experimentado:

¿Ha comunicado entre un ordenador y un A.P. o autómata programable para intercambiar o modificar algún dato o programa de automatización? En cada uno de ellos tenemos varios programas en ejecución.

• Ordenador: sistema operativo (control del sistema), programa aplicación de comunicación con A.P. programa que comunica el puerto de comunicaciones.

• A.P.: software del puerto de comunicaciones, el sistema de control del A.P. y, si el A.P. esta en modo ejecución, el programa de automatización.

Esta es una comunicación orientada a la conexión, los dispositivos intercambian información mientras se mantiene la conexión. Si esta desaparece (desconecte el cable de cualquiera de los dos puntos), por algún dispositivo aparecerá una indicaron de error en los programas o aplicaciones que intercambian datos.



También podemos tener aplicaciones que no precisan conexión para su funcionamiento. Véase el correo electrónico. Si el lector envía un correo electrónico, y la dirección es correcta, el mensaje queda depositado en el servidor del destinatario. Hasta que no realice la operación de leer el buzón de la dirección de correo, no sabrá nada del mensaje que le fue enviado. Ha existido comunicación, pero no habido conexión directa entre los dos. Este tipo de comunicación es no orientada a la conexión. Si que la hubo, en intervalos, entre el que envió y su propio servidor, entre el servidor propio y los intermedios, entre los intermedios y el servidor del destinatario, y entre estos dos últimos.

¿Cuál es el fundamento para llevar el dato indicado desde que lo escribimos con el teclado en la pantalla de una aplicación hasta que aparece en el otro extremo del cable de conexión y en el lugar apropiado el autómata programable?

La solución para la comunicación de diferentes dispositivos la planteo el organismo internacional de normalización (ISO: Internacional Standars Organisation) a través de un modelo OSI: Opening System Interconnecction, conexión de sistemas abierto. Fue propuesto en 1978, y se saco a la luz en 1984, y aun no se han implantado en su totalidad. Los dos aspectos fundamentales son:

• Organización en niveles o capas. • Utilización de un protocolo para la comunicación entre los niveles.

Los niveles permiten independizar unas funciones de otras, y hacer entrega de la misma, de forma que le sea más fácil el tratamiento a cada uno de los niveles.

Un protocolo es un conjunto de reglas establecidas para asegurar el intercambio ordenado de información entre los participantes de una comunicación, o entre los niveles en los que se articula la misma. Los participantes de cualquier comunicación se entenderán mucho mejor si siguen unas reglas (formatos de información, turnos de espera).

En cuanto al término abierto, quiere indicarse la procedencia diversa de los dispositivos y sistemas que se podían adaptar. Frente a los propietarios, que indican un sentido cerrado del protocolo o estándar. Hoy en día el protocolo modelo que se ha establecido con más fuerza es el TCP/IP, y es el soporte de las aplicaciones distribuidas en Internet, de las que también hacen uso las comunicaciones industriales, aunque en su nivel más superior.

Decimos que es un modelo y no un estándar. En el mismo no se establecen como han de realizarse las diferentes tareas. En si no llega a describir los protocolos. Si los niveles, y la definición de que información o servicios requiere un nivel de otro. Las formas en las que se implementan estos servicios las describe un protocolo.

En los protocolos y, dado que son reglas por las que nos comunicamos, se definen los siguientes puntos:

• Sintaxis: forma de los datos • Semántica: como la información para el manejo de errores. • Temporización: secuencias de comunicación y adaptación de velocidades.

Los niveles sugieren una arquitectura de protocolos. Es decir, un modelo simple de tres niveles:

• Acceso a la red: Direccionamiento (destinatarios), incluso solicitud de facilidades (niveles de prioridad, de velocidad).

• Transporte: aplicación destino, número de secuencias para realizar la ordenación, códigos y decisiones para determinar y subsanar errores.



• Aplicación: las aplicaciones solicitan al sistema operativo un punto de acceso a la conexión solicitada, este punto conecta con el protocolo de transporte.

Figura 1.11. Visión simplificada de una arquitectura de comunicación basada en tres niveles.

Cada uno de los niveles tiene unas funciones por lo que par adaptar los datos de un nivel a otro se forma una unidad de datos, aplicando un protocolo. Es decir, para pasarle los datos que se van a transmitir, desde el nivel de aplicación al de transporte, se aplica un protocolo a una unidad de datos de aplicación, que genera una unidad de datos de transporte. ¿En que consiste esta unidad de datos?

Los datos se segmentan en palabras de tantos bytes como requiere un protocolo, y se empaquetan entre una cabecera inicial y un delimitador final. Son los delimitadores del nivel de transporte. Pero para poder ser enviados a través de la red, falta información: incrementar la unidad de datos de transporte con los delimitadores de la red, la segmentación o la compresión de esas unidades de datos, en el número que indique el protocolo correspondiente.

En resumen se ha dividido (la transmisión de información entre sistemas abiertos) en una serie de funciones. A cada función se le ha fijado un nivel (o capa), y para pasar los datos de una capa de aplicación a la de transporte, y de esta a la red, se segmenta y completa cada registro o dato a enviar. Del paso entre niveles se encargan los diferentes protocolos. Por ello se dice que configuran una pila de protocolos.

En el receptor, o en la estación que actúa como receptora para esa transmisión, una vez reconocido un grupo de tramas de datos, se le van eliminando las cabeceras o los delimitadores. Cada protocolo obliga a que la unidad de datos, a medida que atraviesa los niveles, se desprenda de la información de control que se añadió en el emisor.

Así pues, a medida que la información se transfiere entre los distintos niveles, en el sentido red-transporte-aplicación, se aplican los mismos protocolos, pero en sentido inverso. De esta forma se entrega, no solo la estación adecuada, si no que esta información o mensaje, libre de errores se entrega a la aplicación o programa que, con toda seguridad, estará esperando dicho mensaje.

Si profundizamos un poco más encontraremos entre los distintos niveles:

Aplicación

Acceso a Red Acceso a Red

Transporte Transporte

Aplicación

Protocolo de aplicación. Objetivo: Intercambio en

aplicación. 1. Formato adecuado. 2. Correspondencia de

Protocolo de transporte. Objetivo: Intercambio de datos

seguro. 1. Llegan al destino.

2. En el mismo orden que fueron

Red de datos (Sistema de transmisión)



• Un protocolo, formas en las que cooperan entre los niveles los formatos de los datos que se intercambian pueden concurrir más de uno.

• Servicios, que cada nivel ofrece al nivel siguiente. Los servicios se ofrecen en forma de primitivas (como una llamada a función en lenguaje C). Las primitivas de servicio son de los siguientes tipos: petición, indicación, respuesta, confirmación. Cada primitiva puede ser en sentido ascendente o descendente. Para ello se deben dotar a los servicios de distintos puntos de conexión, entre los niveles. Si el lector ha realizado esta prueba, o la realiza aclarara este aspecto. Al conectarnos a una página Web o a un servicio de fichero FTP, podemos obtener una información y almacenarla en nuestro disco duro. Pero si esta conexión va durar unos minutos, nada quita para que se pueda abrir una conexión con un servicio de correo electrónico, y leamos nuestra cuenta o simplemente cambiemos a otra página Web. La pregunta es, ¿Cómo se distingue la información que se esta pasando de nivel a nivel? La respuesta es que, entre algunos detalles de mayor profundidad, una de las soluciones es realizar un punto de acceso distinto para cada conexión que se establece (generalmente es un identificador similar al de los ficheros en lenguaje C).

• Direccionamiento, en realidad se trata de indicar la aplicación y a que punto de acceso a los que va a dirigida la información, entre cada nivel.

Figura 1.12. Descomposición de la información. Delimitadores añadidos y eliminados entre niveles por la acción del software que llevan a cabo los protocolos.

1.5.1. Funciones de los protocolos

Existen diferentes clases de las funciones de los protocolos:

• Descomposición y ensamblado: existen redes que solo admiten bloques de los datos de varias decenas de bytes, por ello se aplica la descomposición para enviar palabras y palabras de 32 bits (de 4 bytes). Los mensajes se descomponen o también se segmentan (Stalling 97, Págs. 499 y 500).

• Empaquetado: a cada unidad descompuesta, se le añade información de control. Podemos encontrar la dirección de emisor y receptor, o control del propio protocolo.

• Control de la conexión. Las conexiones se caracterizan por una secuencia lógica: solicitud, transferencia y finalización. Bien dado que se deben enviar, y reenviar si hay

Estación 2 Datos recibidos en formato

digital

Aplicación A

Acceso a Red R

Transporte T

Acceso a Red

Transporte

Aplicación

Red de datos (Sistema de transmisión)

Estación 1 Datos a transmitir

Cabeceras A│Segmento 1

Cabeceras A│T│ Segmento1

Cabeceras AT R│Segmento 1 Cabeceras AT R│Segmento 2

Cabeceras A│Segmento 1

Cabeceras AT│ Segmento1

Cabeceras AT R│Segmento 1 Cabeceras AT R│Segmento 2

-A

-R

-T



errores, diferentes bloques de datos existen una serie de protocolos para llevar a cabo la conexión.

• Emisión ordenada. Los bloques de datos deben ordenarse antes de entregarse a la aplicación. El protocolo puede realizar la numeración de la secuencia.

• Control de flujo. Si el emisor realiza una emisión de todos los bloques de datos, sin tener en cuenta el posible desbordamiento del receptor, nos podemos encontrar con la perdida de datos. Sin ser rigurosos podemos afirmar que existirán mensajes “dando vuelta” en la red, esperando a que despierte el destinatario. El protocolo que tiene en cuenta el control de flujo establece el numero máximo de bloques de información transmitidos por el emisor sin ser reconocida por el receptor, que puede haber.

• Control de errores. Esta función requiere que el mensaje que viaja por la red incorpore información para el control de errores, de forma que el receptor al aplicar un algoritmo o similar, realice la comparación para detectar la existencia de los mismos.

• Direccionamiento. ¿Quién envía? ¿A quien va destinado? Por si deben atravesar distintos medios y tipos de redes habrá que indicar quien es el destinatario del mensaje. Además, de alguna forma se debe indicar al receptor la procedencia del mensaje. Si diferentes tipos de protocolos utilizan diferentes formas de identificación, habrá que indicar bajo que forma se esta identificando el emisor, es decir, el protocolo puede obligar a indicar, en la información del mensaje, el tipo de direccionamiento utilizado.

• Servicio de la transmisión. Existen algunas opciones adicionales que pueden ofertar los protocolos. Entre ellas la de prioridad para ciertos mensajes, por ejemplo. También las de seguridad.

1.5.2. El modelo OSI

Veamos la propuesta del modelo OSI (Open System Interchange). Este utiliza la arquitectura de niveles, concretamente de siete niveles. En si no especifica, de un a forma exacta los servicios, protocolo, normas que se deben ejecutar y utilizar en cada nivel.

Existen los servicios entre los niveles. Las funciones que debe realizar cada primitiva están bien definidas, pero el formato concreto no lo esta. De esta forma se tuvo en cuenta la posibilidad de efectuar cambios tecnológicos. Los siete niveles se pueden observa en la tabla 1.5.

Debe entenderse que los protocolos establecen la cooperación entre los distintos niveles, así un nivel siempre dispone de un protocolo que da el formato a las unidades de datos para ser entregado al siguiente nivel, y realizar las operaciones considerando que todos los niveles mas inferiores ya han resuelto las dificultades que les corresponden. Pero como todo no es así, existen protocolos que incluyen la detección de deficiencias en los niveles precedente.

Los tres primeros niveles, físico, enlace y red, se pueden considerar como los propiamente implicados en el hecho de la comunicación. Es decir, la información que procesan los protocolos de estos niveles puede verse alterados al ser transmitidas por las diferentes redes. El nivel de transporte realiza el papel de intermediario entre los tres primeros y los tres últimos (sesión, presentación y aplicación). Estos son más dedicados al procesamiento de la información, y están mas cerca de los sistemas y usuarios (persona y maquina). A continuación describimos, brevemente, cada uno de ellos.

Num. Nivel Objetivo Principal 1 Físico Transmisión de bits. Características eléctricas y mecánicas 2 Enlace de

datos Formato de trama. Mantenimiento del enlace (establecimiento, liberación y transferencia de datos). Detección de errores.

3 Red Encaminamiento de datos por una red. Prestaciones de la



red a los datos que se transmiten. Resolución de la congestión

4 Transporte Intercambio de datos entre extremos. Optimiza la calidad de los servicios del nivel de red.

5 Sesión Control de dialogo entre las aplicaciones de los extremos 6 Presentación Formato y transformación de datos entre las aplicaciones. 7 Aplicación Aplicaciones distribuidas específicas y su gestión.

Tabla 1.5 Niveles del modelo OSI.

Nivel físico

Se definen las características eléctricas (valores eléctricos y codificación), mecánica (conectores), funcionales de los circuitos (que componen la tarjeta de la interfaz) y los métodos para especificar los flujos de intercambio de bits (moduladores) en el medio físico (cable). Por ejemplo, ISO2110 (RS232C), RS422 y RS 485 muy utilizados en comunicaciones industriales.

Nivel de enlace de dato

Hace que el nivel físico sea seguro. Su principal objetivo es la recogida de datos del nivel de red y para su transmisión formando las tramas. Además impone los métodos de direccionamiento, códigos, detectores y de recuperación de errores, y fija el orden a las tramas transmitidas. Sincronización del emisor y receptor, por medio del control de flujo. Por ejemplo, HDLC e IEEE 802.2-7.

Nivel de red

Medios para establecer, mantener y liberar la conexión, entre los extremos, a través de una red comunicación, compuesta por nodos y caminos. Se encarga pues de controlar la ruta que seguirá la comunicación. Las estaciones, por medio de este nivel, dialogan con la red especificando las direcciones, y obteniendo de la red el encaminamiento adecuado (a través de los nodos) y prestaciones especiales. En este nivel se habla de paquetes de datos, como la unidad de datos. Además establece las formas de resolver los problemas de congestión. Si es un enlace punto a punto no será necesario este nivel. El protocolo ISO9542 para LANA.

Estos tres niveles son los que abordamos en este texto.



Figura 1.13. Modelo OSI y las unidades de datos.

Nivel de transporte

Este nivel es el responsable del intercambio de datos entre los extremos. Si es orientado a la conexión, las unidades de datos de este nivel deben entregarse correctamente en secuencia, sin duplicados y sin errores. También es responsable de algunos de los servicios que solicita a la red como retardos y tasas de errores, así como otros que le sean reclamados por el nivel de sesión. En este nivel se decide si hay multiplexación. Por ejemplo, X.214 (ISO 8072), ISO 8073 (TCP, utilizado en Internet) es un protocolo que aborda algunas funciones del nivel de sesión.

Nivel de sesión

Permite el intercambio de datos entre usuarios extremos de una forma organizada. Organiza y sincroniza la comunicación entre los mismos. En este nivel se solicita la conexión de una estación con otra. Este nivel proporciona tres grupos de funciones que son:

• Tipo de dialogo ( en ambos sentidos, full duplex o con espera alternada semi-duplex) • Recuperación, ante fallos. • Verificaciones, de agrupación de datos relacionados, de las claves de acceso, de

comunicación entre la red y el sistema operativo.

Por ejemplo, X.215 (ISO 8326).

Unidad de datos USUARIO

Unidad de datos USUARIO CA

U. datos APLICACION CP

NIVELES DE COMUNICACIÓN

EXTREMO A EXTREMO

U. datos PRESENTACION CS

U. datos SESION CT

U. datos TRANSPORTE CR

NIVELES DE COMUNICACIÓN

Con información PARA LA RED

U. datos RED CE FE

U. datos ENLACE CF

Aplicación

Presentación

Sesión

Transporte

Red

Enlace de Datos

Físico

Aplicación

Presentación

Sesión

Transporte

Red

Enlace de Datos

Físico

MEDIO DE TRANSMISION

Estación A Aplicación 1

Estación B Aplicación 2



Nivel de presentación

Utilizado para el intercambio de información, cuando se utilizan sistemas de transferencia con códigos distintos. No se ocupa de la semántica sino de la sintaxis. Se obtiene independencia de la representación de datos los procesos de aplicación. Lo que ofrece este nivel es un conjunto de transformación, cifrado y comprensión de datos.

Nivel de aplicación

Soporta los procesos de aplicación de usuarios. Es el camino de entrada de estas aplicaciones a todo el sistema de comunicación. En este nivel se sitúan las aplicaciones (programas específicos) como acceso a terminales remotos, transferencia de ficheros, servidores de impresión, comandos del sistema operativo de red, sentencias send/receive de algunos lenguajes de programación, etc. Como en todos los niveles utilizan los servicios del nivel inferior, nivel de sesión.

Resumiendo los niveles de protocolo en los que los técnicos mostraran sus competencias profesional se sitúan en.

• Nivel 1, nivel físico: selección del cable, realización de conectores, la conexión, verificar y configurar la velocidad de transmisión, etc.

• Nivel 2, la supervisión sobre el enlace de datos y la toma de decisiones sobre los números de participantes, donde haga falta.

• Nivel 7, aplicación; los fabricantes de dispositivos de comunicación industrial, ofrecen varios tipos de software de comunicación con los dispositivos. La visión del usuario (los/las técnicos) establecen la comunicación con el sistema final, y utilizan herramientas que le permiten incorporar nuevos dispositivos, establecer funciones de diagnostico, la verificación de diferentes parámetros de la red de control. Estas opciones son a nivel de software.

La pila de protocolos TCP/IP

Como alternativa al modelo OSI, en los años 80 se implanto el modelo TCP/IP. Este grupo de protocolos se inspira en el modelo OSI, pero implementa aquellas funciones de protocolo imprescindibles. Por ejemplo, elude el nivel de presentación. Tuvo especial incidencia en el desarrollo de la red de rede Internet.

1.6. Introducción a los niveles de comunicación industrial

Desde el punto de vista de redes de datos, introducidas anteriormente, los niveles de comunicación permiten administrar los mensajes según la función de los mismos.

Es fácil imaginar que no es lo mismo, desde el punto de vista temporal, enviar un mensaje para activar un cilindro de separación de paquetes (enviar un bit a una estación), que recoger la información de velocidad de un transporte compuesto de cinco pares convertidor-motor (solicitar a cinco estaciones de la red que transmitan grupos de bytes, cuyo significado es la velocidad del motor).

Para aclara los niveles esenciales de comunicación reducimos el modelo general. Disponemos de los niveles de fabrica o gestión, en el nivel mas alto de la jerarquía, el de la celda donde se realiza la coordinación de maquinaria en general y el de campo (incluimos el de maquina), en el que se encuentran todos los dispositivos que realizan el control de los procesos o maquinas. Con estos tres niveles podríamos desarrollar la inserción de la fabricación integrada en una pequeña y mediana empresa.



Figura 1.17. Niveles básicos de comunicación industrial.

Como puede observarse, el nivel del campo abarca la comunicación entre todos los elementos que están unidos directamente al proceso o maquina controlada. Es el nivel inferior. Los aspectos de mando (por ejemplo, paneles de operarios o instrumentos) o autómatas de control, se encuentran por encima del nivel de sensores y pre-accionadores y accionadores (por ejemplo, convertidor de frecuencia, elementos de caldeo).

Los niveles de de control que gestionan la información para el nivel de celda son ordenadores, con programas o aplicaciones informáticas especificas y/o autómatas programables de gama alta. Una característica tanto del software como del hardware de estos equipos es la posibilidad de estar comunicados a dos medios o redes que, con toda seguridad, utilizan protocolos y medios de transmisión diferentes. Podemos decir que son pasarelas entre unas subredes de un tipo y otras, o entre unos tipos de buses y otros.

Aunque estos niveles pueden variar, ante la falta de estándares, si que están. Establecidos cinco niveles, que pueden observarse de una forma mas rigurosa que en la figura anterior, en la tabla 1.6.

El nivel puede denominarse de maquina (y el bus que permite la comunicación es machinebus, dispositivos sensor/accionador) y los niveles cero y uno forman lo que se llama el nivel de campo (fieldbus), aunque a falta de normalización los niveles de campo abarcan la comunicación. Son niveles de bajo nivel por realizar la comunicación entre el proceso (sensores y actuadotes) y le operador de la maquina. En general podemos encontrarlos implementados comercialmente en buses de muy fácil instalación y puestas en funcionamiento.

Nivel de comunicación

Descripción de la comunicación

5 Gestión de planta. Gestión de la producción. Integración de más redes de comunicación.

4 Gestión de procesos. Intercomunicación. Tareas de supervisión, control. Información distribuida entre controladote. Coordinación.

3 Control de líneas de producción. Coordinación de estaciones. Supervisión y control. Programación de autómatas y controladores.

2 Celdas de trabajo y maquinas aisladas. Se comparten información entre controladores de una maquina. Interfaz a dispositivos con protocolo dedicado o específico. Gestión de interfaz hombre-maquina. A.P. y

Nivel de Factoría

Nivel de celda

Nivel de Campo

Comunicaciones Industriales Simplificación en tres niveles

● Gestión de producción y procesos supervisión y control

● Grupos de Maquinas, Manipuladores, Robots, CNC, Coordinación.

Supervisión. Control

● Maquina Aislada: Coordinación, Sensores, Actuadores. Control



Tabla 1.6. Niveles de comunicación industrial

En realidad con tres segmentos serian suficientes para definir los niveles de comunicación industrial:

• Nivel de información (niveles: 4 y 5), donde se realiza la gestión y la explotación de los datos.

• Nivel de controladores (niveles: 2 y 3), en el que se encuentran los elementos controladores de los procesos controlados.

• Nivel de dispositivos o campo (nivel 1 y 2). Ciertas operaciones de mando y control se realizan a pie de maquina. En este mismo nivel se encuentran sensores y preaccionadotes (válvulas, contactores, convertidores de frecuencia…..).

En este momento queremos dejar clara la diferencia entre redes industriales y los buses de campo. Mejor haremos en aclarar conceptos. El bus de campo se enmarca en la comunicación de maquinas (redes de dispositivos accionador y sensor). Las redes industriales incluyen el nivel de campo, dispositivos, celda, área. Hablaremos de red industrial cuado se incluyen todos estos niveles. Cuando el término incluya exclusivamente los sensores/actuadores, tan solo hablaremos de redes de sensores.

Bus de campo, cuando estamos tratando sobre una red o sistema de control con comunicación industrial, que se compone tanto de los dispositivos que realizan el control (A.P., controladores…) como de los dispositivos insertados en maquinas (sensores/accionadores). Además los equipos de control pueden ser estaciones de otra red de nivel superior.

1.6.1. Mejoras para el mantenimiento y la puesta en marcha

Utilizamos todos los niveles de comunicación y las funciones de un sistema de comunicaciones de fabricación integrado, existen dos aspectos del entorno industrial que se ven beneficiados: mantenimiento y puesta en marcha.

Por un lado se disponen de mas datos para realizar el mantenimiento, datos del comportamiento de los sistemas integrados en la red de comunicación que se ha ido explotando para este fin (se recogen, seleccionan, analizan repeticiones, etc). Es más. Las aplicaciones de mantenimiento integral, disponibles en el mercado industrial, utilizan el soporte de las comunicaciones para la culminación de muchas de sus prestaciones.

La puesta en marcha de los sistemas de producción industrial, que incluyen comunicaciones, se ve enriquecida con la utilización de herramientas software de gestión control y supervisión. Esto permite la anulación de subsistemas dentro de las maquinas, enviando mensajes apropiados a los dispositivos de control de los mismos. Así se facilita la puesta en marcha de celdas de fabricación y estaciones de trabajo complejas, según las secciones, al tiempo que permite un arranque gradual, con gran nivel de control

Estas cuestiones y otras van a ser abordadas en el texto, es decir, los conceptos que intervienen en la comunicación de datos, todo lo necesario para poder comprender las redes de área local de datos y los aspectos tecnológicos prácticos de conexión y programación de los dispositivos sobre los que se realizan las comunicaciones industriales.

controladores están al mismo nivel.

1 Dispositivos de maquinas: Sensores, actuadores. Descentralización de las E/S. control distribuido. Interfaz directa.



1.7. Normalización de las comunicaciones

A lo largo del capitulo ya hemos hecho referencia a algunos estándares. Las comunicaciones industriales se ven afectadas, al igual que todas las técnicas aplicadas, por los estándares o normas. Estas normas pueden tener carácter obligatorio o no, según el aspecto de comunicación al que nos estemos refiriendo. Las normas no preceptivas se vienen a denominar recomendaciones.

Por ejemplo en Europa mediante organismo pertinentes, se adaptan las normas UNE, cumpliendo los criterios de las normas y directivas de la Unión Europea, así como el objetivo de la armonización normativa para toda la unión. Esta a su vez propone y comparte en el seno del organismo internacional de normalización (Internacional Standard Organisation: ISO).

Dentro de cada organismo existen unas agencias o comités que reparten sus funciones, en base a la disciplina que aborda cada uno, así lo relacionado con las comunicaciones e informática se indican en la tabla 1.7.

Existen tres referentes ineludibles localizados en Estados Unidos de América del Norte. Estos son:

• ANSI, American National Standard Institute, institución para la normalización. Miembro del ISO. Existen ANSI para todas las disciplinas.

• EIA, Electronics Industries Asociates, como:

- RS 232C, interfaz entre dispositivos de comunicación y terminales de datos, que utilizan comunicación binaria serie.

- RS 422-A, características eléctricas de circuitos de interfaz digital de tensión equilibrada.

- RS483, estándar para la comunicación entre dispositivos de comunicación y terminales de datos, que utilizan comunicación binaria serie, a dos hilos, permiten enlace multipunto e incluyen circuitos de interfaz digital de tensión equilibrada. Es uno de los estándares de conexión utilizados en el bus de campo PROFIBUS.

• IEEE, Institut of Electrical and Electronic Engineers: instituto de ingenieros eléctricos y electrónicos, elaboran normas como:

- IEEE-488, bus industrial, cuyo objetivo es a interconexión e integración de instrumentos de todo tipo, desde monitores de potencia, hasta verdaderos controladores. Su equivalente internacional es IEC 625.

- IEEE 802, todas las recomendaciones sobre las redes de área local LAN (IEEE 802.1 a IEEE 8022.11).

Lo que un técnico debe asumir es la búsqueda de equipos que dispongan de la conformidad y el mercado europeo, en sus diferentes modalidades. Al mismo tiempo la utilización de procedimientos, conexión (conector y cable), tipos de redes y procesos de trabajo (disposición de cableado, software, supervisión, mantenimiento……) estándares.

De todos los dispositivos que pueden integrar un sistema de comunicación industrial: en general equipos susceptibles de conexión a red publica de telecomunicaciones pero que no estén destinados a tal fin, módems, telemandos, servicios móviles de radio terrestre, interfaces de de datos, equipos para circuitos y equipos terminales de datos (ordenadores, controladores, instrumentos, A.P……)



Organismo Descripción Tipos de norma, algunos ejemplos

ISO Organismo internacional de normalización, recomendaciones internacionales para la coordinación de todas las disciplinas y zonas geográficas

ISO 1177 Procesado de información estructura de caracteres para transmisiones sincronías y por arranque y paradas. ISO 3309 Comunicación de datos. Procedimientos de control del enlace de datos de alto nivel. Estructura de trama.

UIT-T

http://www.itu.ch/

Unión internacional de telecomunicaciones, coordinación entre sistemas de diferentes fabricantes, genera normas de recomendación para los reglamentos de los países.

G, transmisión telefónica por enlaces de cable, fibra óptica, radio. Características y definiciones de los medios de transmisión.

K, protección contra interferencias.

O, características de los instrumentos de medida

V, transmisión de datos a través de la red telefónica. X, transmisión de datos a través de la red publica de transmisión de datos. Z, lenguajes de programación para establecimiento de comunicaciones.

CEI Comisión electrotécnica internacional, todos los aspectos sobre las instalaciones y dispositivos electrotécnicos, tanto en distribución como en el ámbito de usuario industrial o domestico.

Organizado en comités, con funciones especiales y un código IEC 304, sobre cables. Tanto seguridad, compatibilidad electromagnética, dispositivos….

CEN Comité europeo de normalizaciones

A modo de ISO, para la unión europea

ETSI Comité europeo de telecomunicaciones

Normas NET de telecomunicación.

CENELEC Comité europeo de normalización electrotécnica dicta las normas EN relacionada con la energía eléctrica en cuanto instalaciones y dispositivos electrotécnicos, tanto en distribución como en el ámbito de usuario

Por ejemplo:

En 50082-1:1992,

Compatibilidad electromagnética (CEM). Norma genérica de inmunidad, residencial, comercial e industria ligera.

EN 50170, Buses Europeos



industrial o domestico Estándares PROFIBUS (http://www.profibus.com)

AENOR C/Genova, nº 6 28004 MADRID Tel. 914 326 000 Fax. 913 103 695

http://www.aenor.es

Agencia española de normalización y certificación armonización de las normas de la unión europea y de los aspectos particulares de nuestro país. Compuesta por diferentes agencias y oficinas, en algunas ciudades. Crean normas UNE y UNE-EN. Certificaciones de marcado.

Telecomunicación… los números encargados son:

• Telecomunicaciones • Instalaciones

electrotécnicas • Sistemas de información y

dispositivos.

Tabla 1.7. Organismos y agencias de normalización.



Principios de teleinformática: tipos de comunicación y transmisión de datos

Introducción

Por teleinformática se entiende el conjunto de aportaciones de dos disciplinas de la ingeniería como son telecomunicaciones e informática, y la conexión de equipos a distancia que permite el tratamiento automático de la información. En el primer capitulo hemos presentado los niveles de comunicación para los procesos de fabricación integrados. Además se han ilustrado las redes de comunicación, como el medio o soporte para llevar a cabo la estructura piramidal CIM.

En este capitulo comenzaremos a desmenuzar los componentes necesarios del mundo de la teleinformática, para abordar con éxito la comunicaciones industriales. Como elementos de la comunicación nos referimos a todos aquellos conceptos que va a ser decisorios para distinguir unos tipos de red de otra: envió de caracteres, formato de mensajes, cadena de bits, velocidad de transmisión…. También, desde el punto de vista de un tipo de comunicación, se establecen varios criterios que van a distinguir aspectos sobre el tipo de señal que se transmite o si existe sincronización o no entre los mensajes y los dos extremos de la comunicación.

Describiremos las técnicas de transmisión de datos y los conceptos de codificación y de modulación y sus tipos. Fundamentales para el intercambio de información en el plano físico (señales eléctricas, cables y en el conexionado de tarjetas electrónicas). Y de esta forma describir la plataforma sobre la que ejecutan los programas de comunicación.

Finalmente describiremos los aspectos fundamentales sobre módems, los cuales representan a uno de los dispositivos mas antiguos en cuanto a su utilización en las redes comunicaciones con ordenadores. Además en la conexión y programación de estos dispositivos podremos establecer mucho de los “trucos” básicos de la comunicación.

Contenido

� 2.1 Elementos que intervienen en la comunicación � 2.2. Conceptos de señales y problemática en la transmisión. � 2.3 Clasificación de tipos de comunicación de datos. � 2.4 Técnicas de transmisión de datos � 2.5 Introducción al modem.

2.1 Elementos que intervienen en la comunicación

En 1874, Emil Baudot utilizo la primera maquina de transmisión serie (a través de un mismo cable de transmiten secuencias de bits) y con datos binarios. Así nació la primera teleimpresora. Lo realizo utilizando un código de cinco bits para representar caracteres y números. Dado que un carácter (letra o numero) quedaba representado cada cinto bits, para delimitar cada uno de aquellos, incorporo un bit de inicio o principio de carácter. Empleo 2 hilos en cada sentido de la comunicación. La velocidad de comunicación quedaba supeditada a la velocidad con que podían imprimirse los datos en el extremo receptor.



Figura 2.1. Secuencia de bits transmitidos por la teleimpresora de Baudot.

2.1.1. Mensajes

Los elementos y dispositivos que participan en un sistema de comunicación intercambian mensajes, como vimos en el capitulo primero. Toda la información que se incluye en un mensaje se convierte en una secuencia de bits. Estos bits se vuelcan al medio de transmisión por medio del adaptador o interfaz de red, que existe en el ordenador, al igual que existe un interfaz para el ratón (software y hardware: conector, cable, sistema de detección de movimiento tradicional de la bola), incluido en los ordenadores del instituto donde realiza sus estudios, o su ordenador personal.

Aunque nos adelantemos, hay dos tipos de adaptadores de red:

Modem (lo tratamos al final de este capitulo) para la conexión a través de la red telefónica, y otras tarjetas de RED (NIC, Network Interface Card o tambien NSB Network Service Board), que se fabrican y seleccionan para un tipo determinado de ordenadores y redes (por ejemplo, NE2000 Ethernet, compatibles con TCP/IP, conjunto de protocolos soporte para Internet).

Así pues, la transmisión de mensajes consiste, físicamente, en la emisión a través de un medio de transmisión, de una secuencia de bits, convertidos en unos niveles eléctricos u ópticos, según el tipo de medio de transmisión elegido.

Pero para los usuarios, los mensajes se basan en órdenes concretas, o en campos de información de transacciones financieras de una base de datos, o en el valor de un contador rápido para un controlador de una cortadora de cartón.

Para que las estaciones puedan ejecutar las ordenes, estas deben tener sentido. No se puede reconocer caracteres o letras cuando se esta esperando una distancia, con centenas, decenas y unidades. Es decir habrá que convenir en adoptar un protocolo, en cuanto a los formatos de datos. Podemos estar hablando del nivel presentación o nivel 6 de la pila de protocolos OSI, ya comentado en el capitulo primero.

Los mensajes y ficheros, las cantidades y estructuras de datos, son transformados en dos sentidos:

• Aplicándoles los códigos binarios estándares, codificación (ASCII, ya conocidos o EBCDIC) o en el que exija el receptor de la información.

• Incrementando la información: del mensaje propiamente dicho, habrá que incorporar la información del receptor para que el mensaje, dentro de todos los dispositivos conectados a la red, solo sea recogido por el receptor destinatario. Incluso, si el mensaje debe viajar por distintas subredes, información para realizar el encaminamiento del mismo. Así, y como ya hemos dicho, el mensaje, desde el punto de vista del usuario, es un subconjunto de información respecto al mensaje que se transmite por el medio de comunicación.

1 2 3 4 5

1

0

Inicio Bits de Datos Inicio del

Siguientes Caracter

1 2 3 4 5



• Descomposición en grupos o paquetes del mismo tamaño. Este tamaño suele ser fijo, y la unidad mínima de datos para su transmisión.

Figura 2.2. Los mensajes se convierten y transmiten a la línea de transmisión y llegan en el receptor

en una secuencia de bits.

Lo expuesto implica que la información a transmitir se entiende:

• Descompuesta en trozos o paquetes más pequeños. Un fichero puede tener un tamaño de 2 Mbytes y un “trozo” estándar puede ser de 800 bytes. Así la información se debe descomponer, para adaptarse al tamaño de datos de la transmisión.

• “Empaquetada” en campos, por el incremento de la información, que en general vienes a ser:

- Identificación del origen. - Identificación del destino - Campos especiales - Valores o bytes o caracteres que componen el mensaje. - Verificación, para facilitar la detección de errores.

Entre los campos especiales pueden existir distintos subcampos, que indicaría al receptor aspectos específicos de esa comunicación:

• Código de caracteres. • Estados de espera • Prioridades • Destino, una vez en el receptor.

En las figuras 2.2 y 2.3 se muestran estas características.

En el caso de un enlace directo, o punto a punto, no serán necesarios los campos de identificación de origen y destino, en general. Solo cabria esta necesidad en el caso de ser un enlace directo entre dos dispositivos, pero de forma que en uno de ellos estuviesen funcionando dos mas aplicaciones o programas. Entonces los datos o mensajes deberían incluir identificación del programa. Destino para laborar esa información. Existen sistemas en los que esta información se incluye en los campos especiales, y en los que el sistema operativo, que incluye el dispositivo con más de una aplicación, nos ofrecerá una serie de servicios que, irremediablemente, deberemos programar o utilizar.

111100010110101

Velocidad del transporte B: 5 m/s, a la estación 3

⇓ 111100010110101

Velocidad del transporte B: 5 m/s

⇑ 111100010110101

Emisor Estación 1

Estación 2. No es el receptor

Destino Estación 3



Figura 2.3. De los 2 bytes enviados, solo uno, el de más a la derecha, contiene el mensaje propiamente dicho 5m/s en binario. El resto es información para garantizar que el mensaje

llegue a su destino y al lugar que interesa.

2.1.2 Caracteres y códigos de representación

Hablaremos de bytes u octetos, indistintamente. Representaran 8 bits, en serie. Tal y como lo representa la figura 2.3, el mensaje de compone de dos bytes.

Además, debemos indicar un convenio en la comunicación que se establece, por un lado, de comienzo, para indicar cual comenzamos a transmitir, por cual de los bytes si hay mas de uno, y por que bit. Asumiendo el convenio del bit mas (MSB) y menos significativos (LSB), tal y como ya debe ser conocido por el lector. Esta información se encuentra en el protocolo que previamente conocen tanto origen o destinatario.

Con más rigor podemos decir, que al elegir el tipo de comunicación ya se conoce este nivel de detallé. Bien se configura por los usuarios al instalar el programa de comunicación en cada estación o al configurar el equipo industrial que se va instalar, o bien lo realiza el sistema operativo, si estamos usando aplicaciones que se ejecutan sobre la red de datos que controla este ultimo, como ocurre al instalar los protocolos de red para clientes Microsoft de Windows XP.

Otro aspecto son los códigos de información utilizados. Estos códigos son tal y como usted los estudio en informática industrial de 1er curso, o en otro curso de formación profesional o universitaria. Es decir, ASCII (American Standard Code Intechange Information: código americano para el intercambio de información). Consiste en una serie de bits, agrupados en 7 u 8, lo que da un conjunto posible de 128 o 256 elementos del código (27 o 28). Esto corresponde a las comunicaciones asíncronas, que s ven mas adelante.

Cada carácter, cada numero, cada elemento que se quiera transmitir será convertido al código que le corresponde. De esta forma se entiende cada extremo de la comunicación.

Así, pues, para representar el 5 en código ASCII de 7 bits, el dispositivo que utiliza este código lo representa como: 0110101, que en decimal representa el numero 53.

Otro detalle es definir cual es el bit más significativo (MSB) y cual es el menos significativo (LSB), para enviar el cinco en el orden que sea entendido por el receptor. En general no encontramos con los siguientes conjuntos de códigos:

• Letras mayúsculas, minúsculas: a-z, A-Z • Números, o digito, del 0-9 • Caracteres: @ ¿ ? ¿¡!$ y mas • Caracteres de control, se pueden agrupar en según el tipo de control: de formato, de

transmisión, separadores de información y el resto, una miscelánea, con diferentes funciones. Veamos la descripción de un par de cada grupo.

0001 0011 1001 0101

Estación destino Parámetro a variar

Valor del Parámetro

Estación origen



Nombre (código)

Tipo Descripción

BS (8)

Formato “Backespace”, indica un movimiento de retroceso en una posición del cursor.

CR (13)

Formato “Carrier Return”, desplazamiento del cursor a primera posición de la línea actual.

STX (2)

Transmisión “Stara of Text”, comienzo del texto y, también, final de una cabecera

EOT (4)

Transmisión “End of Transmisión”, final de una transmisión. Se puede haber transmitido varios textos con sus cabeceras.

FS (31)

Separador “File Separador”, ha finalizado un fichero.

GS (30)

Separador “Group Separador”, ha finalizado un grupo de caracteres

NUL (0)

Varios “Null”, relleno de espacio o datos.

ESC (27)

Varios “Escape”, extensión del código, cambia el significado de los caracteres o números que sigan a continuación

Tabla 2.1. Algunos caracteres de control ASCII de 7 bits.

Los valores de los códigos se presentan en decimal y no en binario por cuestión de espacio

Otros códigos utilizados, similares al ASCII y que solo mencionamos son:

• EBCDIC (Extended BCD Interchange Code, código extendido de conversión BCD) de 8 bits. No esta normalizado, por lo que existen varias versiones, es anterior, cronológicamente, al ASCII.

• Radio-64, 6 bits se ha desarrollado para aplicaciones distribuidas en Internet.

2.1.3. Detección de errores

Un error consistirá en el cambio de uno o más bits en los mensajes, respecto a su valor original, al salir del transmisor. La detección de errores y los diferentes métodos se verán mas adelante. Aquí solo los mencionamos, recordamos que existen varios métodos para ello:

• Bit de paridad, añadimos un bit de verificación, y su modalidad doble paridad. • CR, polinomios CRC, normalizados por estándares, se realiza una división en el

receptor, y si el resto no es cero se da situación de error. • Cheksum, suma de verificación, añadida al final.

Así pues, habrá que añadir información en el origen (paridad, CRC o Cheksum), y en el destino, se aplica la técnica correspondiente para ver sise detecta o no la condición de error.

2.1.4. Cadenas de bits, tramas y velocidad de transmisión

Los caracteres se transmiten como una cadena de bits. Valores cero y uno lógico, uno a continuación del otro. Toda esa cadena de bits tiene un formato, establecido por el protocolo que se haya elegido para la comunicación. Además, cada grupo de bits, dependiendo del código utilizado, debe pues separarse para que se sepa donde comienza el primer bit del cada carácter, o de cada campo. También se puede utilizar el método de cuenta, es decir cada campo tiene un número de bits o de bytes.



Hablaremos de tramas, con anterioridad a la conversión física de todos estos bits. Una trama contiene toda la información previa a ser transmitida. El mensaje completo es una trama. Y para un receptor una trama contiene bits. El receptor, que mantendrá un grado de cooperación con el emisor porque se habrá decidido el mismo protocolo para las tramas, leerá los bits como campos organizados, tal y como los envió el emisor. Extraerá la información y la entregara a los programas de aplicación.

Aspectos importantes de las tramas son:

• Una trama será la primera información con significado lógico (susceptible de ser tratado por los programas), en el receptor. Si nos encontramos en el transmisor, ser la cadena de bits, que se envía para ser transmitida por la tarjeta o el adaptador al medio de transmisión.

• Una trama podrá ser rechazada, si el campo de verificación contiene error o si el campo de identificación no corresponde a la estación receptora.

• Los campos de una trama, que van delimitando la información de control, se obtienen por cuenta de bits, una vez que se detecta el comienzo de una trama.

Existe una conversión adicional previa a que nuestro mensaje sea “depositado” en el medio de transmisión, que depende del tipo de comunicación y del medio de transmisión utilizada (cable, fibra óptica o aire) y del tipo de señal a transmitir, que en nuestro caso se refiere a señales digitales. Mas adelante tratamos el apartado de transmisión de la información, en el que abordamos estos aspectos.

En cuanto a la velocidad de transmisión (en otros textos denominado razón de datos) nos vamos a referir al numero de bits por segundo (bps) que se transmiten o se reciben. Es una de las quimeras de la comunicación de datos digitales. Hablaremos de un enlace a 128 Kbps, si se están transmitiendo 128.000 b.p.s. esto supone que el tiempo que se le dedica a un bit es de 7,8125 microsegundos (tiempo de un bit = 1/velocidad de transmisión). Este tiempo corresponde a una celda tiempo o celda de bit.

Así pues, la palabra “paz”, transmitida con código ASCII de 7 bits, mas uno de separación y otro de paridad (9 bits por letra), transmisión carácter a carácter, tardaran en transmitirse 3 x 9 x 7,8125 = 210,9375 microsegundos 211 ms, aproximadamente.

Cuidado con creer que si enviásemos los caracteres, entre los bits de separación y de paridad, ahorraríamos algún tiempo de transmisión. Esto es cierto, pero también lo es que deberían tener la certeza de la llegada correcta de 3 x 7 = 21 bits. En las redes de datos locales y extendidos así es. El mensaje tiene una longitud de hasta varias decenas de bytes. Pero en enlaces directos, se utiliza el método descrito.

Para que una comunicación tenga sentido, los dispositivos deben hacer coincidir esa velocidad. Existen dispositivos industriales en los que esta velocidad se puede configurar, y por lo general son la mayoría de los que se puede establecer un enlace directo a ordenador o entre dispositivos similares, también denominados enlace punto a punto. La configuración puede ser software (pantallas con campos que se rellenan) y hardware (miniconmutadores o, mas conocidos como “switch2).

2.2. Conceptos de señales y transmisión de datos

Dado que la transmisión de datos utiliza un medio de transmisión para enviar los mismos, veamos algunos conceptos relacionados con las señales y los medios, sobre todo los guiados (cables y fibra óptica).



• Señales. • Espectro. Ancho de banda. • Conflicto en la transmisión: atenuación, distorsión, ruido, diafonía, capacidad de canal

ideal y máxima.

2.2.1. Señales

a) Tipo de señales

Trataremos dos tipos de señales que son.

• Continuas, no presentan discontinuidades. Corresponden, por ejemplo, a la voz o a un valor de un sensor de temperatura PT100.

• Discretas, toman un número finito de valores. Puede representarse por un valor binario, como el del un final de carrera.

En cuanto al comportamiento temporal, señales que se aplican en transmisión de datos se encuentran las periódicas. Aquellas cuyo valor se repite en un mismo periodo T, de tiempo.

b) Características de una señal periódica

Las tres características de una señal periódica son:

• Amplitud, valor de una señal, en cualquier instante. • Frecuencia, el número de veces que se repite un periodo de un segundo. Inversa del

periodo, en hercios. • Fase, posición relativa temporal, en un periodo de señal, en radianes.

Figura 2.4 Señal analógica sinusoidal

Podemos representar una señal sinusoidal, continua y periódica, como s(t)= A sin(2fπ+φ), donde:

• s(t), valor instantáneo de la señal; • φ, representa la fase; • A, la amplitud máxima de la señal; • f, la frecuencia; • ω=2f, es la pulsación rads-1.

Además las señales tienen una componente continua, que se corresponde con el valor medio de la misma para un ciclo completo. Esta se corresponde con el valor de la frecuencia cero.

Periodo T

Amplitud de la señal analógica

Fase φ



c) Longitud de onda

El termino longitud de onda λ, en una señal, se define como la distancia que mide un ciclo completo, o periodo de la señal. Si esta ultima se propaga con una velocidad, la longitud de onda es λ=T, equivale a λf=ν, dado que el medio de transmisión puede permitir velocidades de propagación próximas a la de la luz, c=3x108 m/s, la expresión de la longitud de onda también se puede expresar como λ=cT, equivalente a λf=c.

En la figura 7 pueden verse estos conceptos de señales.

2.2.2. Especto de frecuencia y ancho de banda

Realmente, las señales electromagnéticas, que son las que se transmiten por los cables o medios de transmisión, están compuestas por muchas frecuencias. Se denomina espectro de frecuencia al conjunto de frecuencias que constituyen una señal.

Figura 2.5 Características de una señal analógica sinusoidal. La única diferencia se encuentra en la fase.

Según el teorema de Fourier, cualquier señal periódica puede descomponerse en una o mas componentes frecuenciales, además cada componente es una señal sinusoidal y de frecuencia múltiplo de la fundamental o central que corresponde con al de la señal.

Es decir, si nuestra señal es de frecuencia f, según el análisis de Fourier y tomando 3 componentes frecuenciales de la misma, sus frecuencias serán: f, que es la fundamental, 2f y 3f.

Otra característica que se ve afectada es la amplitud de cada componente. A medida que tomamos componentes frecuenciales mayores (también denominamos armónicos de la señal), su amplitud disminuye.

1

0,5

0

-

-1

0ms 200m 300m100m

1

0,5

0

-

-1

0ms 200m 300m100m

A=2, T=100ms, f=10Hz, φ=0. Si c, λ=3x107 m.

A=2, T=100ms, f=10Hz, φ=π/2. Si c, λ=3x107 m.



Para que las señales transmitidas puedan ser reproducidas con suficiente fidelidad en el otro extremo, deben mantenerse el suficiente numero de componentes frecuenciales. Así pues, cuanto mayor se la fidelidad del espectro de frecuencias mas fiel es la señal que se transmite por el medio.

Es el ancho de banda (BW, band width), de una señal, el ancho del espectro de frecuencia, es decir la diferencia entre los valores de frecuencia mayor y menor. En realidad, y dado que la amplitud de las componentes frecuenciales va disminuyendo a partir de la 5ta componente, en lugar de existir un ancho de banda absoluto infinito, lo que realmente existe es un ancho de banda efectivo o simplemente ancho de banda, entre las componentes frecuenciales.

Figura 2.6 Componentes o espectro de frecuencia de una señal. En este caso existe componente continua.

Es mas los medios de transmisión actúan como filtro de paso bajo, permitiendo el paso de las componentes frecuenciales menores, que son la de mayor amplitud. Habrá que garantizar, pues, que nuestro medio permita el paso de 3 a 5 componentes como mínimo.

Existe una relación entre la velocidad de transmisión y el ancho de banda: a medida que aumenta el ancho de banda efectivo de un medio de transmisión mayor es la velocidad a la que se pueden transmitir los datos. Por lo general, se requiere un ancho de banda superior a dos veces la velocidad de transmisión.

Piénsese en el ancho de banda de un amplificador de alta velocidad.

2.2.3. Conflictos de transmisión

Al transmitir a través de un medio, las señales sufren una serie de deformaciones en sus diferentes características entre ellas. Veamos que circunstancias y terminos aparecen.

• Atenuación. • Distorsión: debido a la atenuación y al retardo de grupo. • Ruido: térmico, de las líneas, diafonía. • Capacidad del canal máximo.

a) Atenuación

Consiste en la disminución de la amplitud de la señal transmitida. Además tiene un efecto proporcional a la distancia de la comunicación. Si esta es muy elevada llega un punto en el que la amplitud de la misma es irrelevante y no es recogida por los receptores.

1

0

0 f 2f 3f

Amplitud

Frecuencia



Para recuperar las características de la señal se utilizan elementos activos, que se insertan en el medio, cada cierta distancia. Cuando la señal que se va a transmitir es digital se utilizan los repetidores. Si la señal es analógica se utilizan los amplificadores.

El valor de la atenuación se da en decibelios, dB (al igual que la de ganancia o amplificación) que expresa la relación entre dos potencias mediante el logaritmo, en base 10.

Ganancia Atenuación Expresión 10 log P2/ P1 (dB) 10 log P1/ P2 (dB) Significado P2, potencia recibida

P1, potencia transmitida P2, potencia recibida

P1, potencia transmitida Si el resultado

es negativo Atenuación ganancia

Doble de +/- 3dB +/- 3dB

Tabla 2.2 Ganancias y atenuación.

El valor absoluto de potencia de una señal transmitida viene dado a un valor de referencia. Este es de 1 mW, y en ese caso se indica el valor de dBm. Así la formula 10log P2/ 1 m W, nos ayuda a obtener el valor de la potencia de la señal en dBm. Por ejemplo, una señal cuya potencia medida con un vatímetro de telecomunicaciones (generalmente analizador mas complejo) si es de 1 mW, se indicaran 0 dBm; si la potencia es de 1 W se indica con 30 dBm.

Si en vez de referencia 1 mW nos encontramos con la referencia de 0,775 voltios, estamos ante una referencia en decibelios voltio. La expresión que aplicaremos es de 20 log V2/ V1, en dBV. En esta expresión cambiaremos el significado anterior de potencia por el de tensión. Es mas, este valor de 0,775 voltios corresponde a la potencia de señal, sobre una carga de 600 ohmios. (P=V2/R).

Figura 2.7 Atenuación de 5 dBm, debido a la longitud de la línea de transmisión entre los puntos A y B.

b) Distorsión

Aunque la atenuación afecta por igual a todas las componentes frecuenciales de la señal que es transmitida, también se sabe que afecta más a las componentes de mayor frecuencia. Esto provoca el cambio de forma de la señal original, dado que sus componentes ya no aportan la misma amplitud (en términos de Fourier, han cambiado los valores de las componentes del desarrollo).

Esta deformación se denomina distorsión por atenuación. Pueden recomponerse incorporando dispositivos ecualizadores.

7 dBm

2 dBm

Punto de medida A Punto de medida B

Linea de transmisison



Puede que no todas las señales lleguen al receptor en el mismo instante, lo que también origina una distorsión por retardo de grupo. Los niveles eléctricos correspondientes a lo unos pueden verse afectados, introduciendo errores en la transmisión.

c) Ruidos

Los tipos de ruidos que vamos a comentar son:

• Ruido térmico. • Ruido en una línea de transmisión. • Diafonía.

- El ruido térmico es un problema de todos los sistemas electrónicos. Afecta a todo el espectro de frecuencia, y es proporcional a la temperatura.

- El ruido de las líneas de transmisión es bastante inesperado, y se debe a interferencias ajenas a la propia línea. Muy acusado en ambientes industriales, obliga a la utilización de la normativa en compatibilidad electromagnética, basada en la directivas europeas, y que, a la hora de realizar una instalación de comunicación, se debe consultar el catalogo y las normas que afectan a la misma.

Para expresar la calidad de la señal respecto al ruido en un sistema de transmisión se emplea una expresión, desarrollada por el matemático Claude Shannon. Cuando esta presente un nivel de ruido eléctrico en una señal, cabe esperar que el aumento del nivel de la señal permita la correcta recepción de los datos. El parámetro utilizado es la relación señal ruido (S/N). Se expresa en decibelios, medida logarítmica, que tienen que ver con la disminución de la potencia de una señal. Si S/N es de 20 decibelios, este dato debemos interpretarlo como que la relación de señal frente al ruido es de 100 a 1. Su expresión es:

(S/N)dB=10log10(nivel potencia señal/nivel potencia ruido).

- La diafonía es debido al acoplamiento no deseado entre líneas que transportan señales eléctricas que se encuentran muy próximas.

2.2.4. Medio s de transmisión

El medio de transmisión es el conducto físico por el que se comunican emisor y receptor. Por medio físico se transporta la información.

Existen dos tipos generales de medios:

• Guiados, medios impuestos.

- Para trenzado. - Cable coaxial - Fibra óptica. - Cableado especifico.

• No guiados, el medio es el aire, como un enlace de microondas, también denominados inalámbricos.

- Microondas terrestres y satélites. - Ondas de radio de UHF y VHF.



- Infrarrojos.

Indudablemente cada medio es utilizado para un tipo de comunicación. Cuando conectamos nuestro ordenador a una impresora, utilizamos cable de 25 hilos, tratándose de un cableado especifico. Al comunicar dos centrales telefónicas, que pueden estar a gran distancia, se utilizan los enlaces a través de microondas por satélite.

Puede parecer que las comunicaciones industriales se caracterizan por distancias no muy grandes. Esto dependerá del nivel de comunicación que queremos resolver. En el capitulo 1 veíamos estos niveles de comunicación (recordemos: planta o fabrica, área, célula, estación maquina) esta claro que en una maquina, las distancias no pasaran de decenas de metro, en una estación y en una celda puede que se supere los quinientos metros. Estos serán nuestros campos profesionales más habituales. Claro esta que para comunicar con niveles superiores nos vemos obligados a trabajar con distancias mayores y, por tanto, con dispositivos y elementos de los mismos.

Dejamos notar que la elección de un tipo de red local, sea respecto a campo, máquina o interniveles, conlleva la elección de un medio de transmisión. Cada fabricante cuando ofrece un tipo de red, nos ofrece el tipo de cable (medio de transmisión) que mejor se adapta a la misma. De todas formas, observemos consideraciones que se tienen en cuenta a la hora de seleccionar el tipo de medio de transmisión, para ello véase la tabla 2.3.

Recomendamos consultar a los fabricantes de los mismos o la visita de Internet de sus páginas web, para obtenerse datos actualizados.

Caonsideraciones Comentarios Tipo de medio Guiado o no guiado. Ancho de banda Dado que el ancho de banda esta relacionado con la

velocidad máxima en b.p.s., y las posibilidades de comunicación. Depende del tipo de cable y su construcción.

Longitud Longitudes totales y de cada segmento de la red, dependiente de la tipología.

Instalación Tanto de la vulnerabilidad del tipo del medio, por las manipulaciones que se deban realizar.

Transferencia fiable Consideramos la fiabilidad afectada por las condiciones medioambientales (temperatura, interferencias), atenuación (en dB/unidad de longitud). Se evalúa el porcentaje obtenido de la relación entre bits transmitidos y errores generados.

Seguridad Sobre si se puede o no permitir que intercepten las comunicaciones.

Costo Tanto del medio (cables o no) como las operaciones de instalación.

Tabla 2.3 Elección del medio de transmisión.

a) Guiados

Una de las características de los medios de transmisión guiados es la envoltura de uno o mas hilos o cables conductores eléctricos u ópticos.



Entre los medios eléctricos, uno de los parámetros es la impedancia característica Z0, en ohmios. Esta debe mantenerse en toda la longitud de la conexión, si no se quiere sufrir la perdida del información. Sin embargo, en los cables de fibra óptica, lo importante es mantener el ángulo de incidencia del rayo luminoso, entre los inevitables empalmes, que sufre la conexión. Analicemos cada uno de estos tipos con algo más de profundidad.

a.1. Par trenzado

Pares de hilos de cobre, aislados con recubrimiento plástico. Los datos que hay que transmitir se aplican a uno de ellos, y el otro se conecta a tierra.

El cable puede estar apantallado (STP, Shield Twiested Pair), o no (UTP, Unshielded Twiested Pair), mediante un conductor en forma de malla que recubre a todos los conductores de línea. Existe un parámetro característico para ambos que es el número de trenzas por cm, o por pulgada.

Los no apantallados, UTP, disponen de varias categorías, reconocidas desde la 2 a 5, que se diferencian en la calidad del mismo. El tipo STP es más adecuado para mayores distancias y ambientes con interferencias. Requieren repetidores cada 2 o 3 km de longitud.

Características STP apantallado

UTP no apantallado, Cat 2 a 5

Aplicación Voz y datos Voz y datos conectores RJ45 y RJ11 RJ45 y RJ11 Impedancia, en ohmios 120 a 150 100 Números depares 2 4 Atenuación 25 dB/300 m a 10 MHz 25 dB/300 m a 10 MHz Velocidades, Longitud: < 100 m

100 a 150 Mbps 4 a 150 Mbps

Tabla 2.4 Cable para trenzado.

Figura 2.8 Cable de par trenzado.

El par trenzado soporta menores distancias, menor ancho de banda y menor velocidad de transmisión que el cable coaxial y la fibra óptica. Actualmente el mas utilizado es UTP categoría 5, y el que mas se había montado era el de categoría 3. a la hora de seleccionar el cable, habrá que decidir la categoría, la atenuación y el numero de pares que se deben utilizar. Es el tipo de cable más sencillo de conectar. Los cables de categoría 4 están ya en desuso.

El cableado se puede encontrar fabricado en diferentes formas y agrupaciones. También aparecerá con un numero de cables (1 a 80 cables) y diámetros variados (0,4 a 1 mm). Aparecen con la envoltura de una funda no conductora en PVC. Suelen disponer de un elemento fijo, alma, en el centro, sobre el que se envuelven diferentes agrupaciones de conductores.



Los conductores interiores pueden ser pares STP o UTP, cableada en haz, trenzados o por capas. Existe una gran diferencia en cuanto a su construcción física si esos se instalan en el exterior, ya que se requieren envolturas y calidad de fabricación mucho mejores, para así mantener las prestaciones de las comunicaciones a las va destinadas.

Hoy en día existen marcas comerciales que ofrecen las categorías 6 y 7, con mayores velocidades y anchos de banda.

a.2. Cable coaxial

Los cables coaxiales constan de un par de conductores. Uno de ellos, el más externo, envuelve al más interno. Se trata de una construcción concéntrica. Entre ellos existe un aislamiento, al igual que con el exterior.

El mas externo se denomina malla. El más interno activo.

Figura 2.9 Estructura del cable coaxial.

Se utiliza para transmisión de datos en redes locales y la distribución de televisión. También en instalaciones de antena colectiva. Es menos susceptible a las interferencias y a la diafonía que el par trenzado.

Los tipos de cable coaxial empleados normalmente se muestran en la tabla 2.5.

Los cables coaxiales, para banda base, tienen mayor diámetro que los de banda ancha. Su respuesta es buena ante interferencias. También tienen un gran ancho de banda. Aunque es mas complejo de montar e instalar que el par trenzado

Figura 2.10 Cables y conectores.

Características Banda base

Delgado Banda ancha

Aplicación Redes en bus

Redes en bus

Red en bus, y antenas colectivas

Conectores, con brida y rosca

N BNC Especial

Impedancia, en Ohmios

50 50 75



Tipos de transmisión

Banda base Banda base Banda ancha, ancho de 14MHz

Velocidades, Mbps

10 Distancia <500 m

10 Distancia <185

10 Distancia <1.800

Tabla 2.5 Cable coaxial.

a.3. Fibra óptica

Es el medio de transmisión más reciente, finales de los setenta, y el de más aplicación cuando se requieren altas velocidades de transmisión. La fibra óptica esta constituida por un núcleo muy fino, circular, de fibra de vidrio. Tiene un elevado índice de refracción, lo que le permite transmitir la energía óptica en su interior. Todo el cable esta envuelto por un revestimiento opaco y absorbente de luz.

Se aplica luz a través de un diodo emisor de luz (LED, Light Emitting Diode) o láser, estos últimos permiten mayor velocidad (ILD Injection Lase Diode, emisión esta que debe ser asumida con cierto grado de seguridad). Esta luz se proyecta con un ángulo, ángulo de incidencia, adecuado para que vaya reflejándose en el interior de la fibra. Las fibras ópticas trabajan en el espectro infrarrojo (con longitudes de onda de 850, 1300 y 1500 nm), por debajo de las frecuencias o espectro visible que están entre 400 y 700 nm.

Como sabemos, la luz es menos sensible a las interferencias electromagnéticas y permiten tiempos de transición (variaciones de uno a cero o viceversa) muchos menores. Existen tres tipos de cable de fibra óptica.

• Fibra monomodo, rayo axial, figura (c). • Fibra multimodo de índice gradual, figura (b). • Fibra multimodo de índice discreto o escalonad, figura (a).

Figura 2.11 Tipos de fibra óptica en función de la propagación del haz.

Características Monomodo Multimodo índice secreto

Multimodo Índice secreto

Aplicación Rede en estrella, anillo canal de fibra óptica

Redes anillo, estrella sensores

Redes anillo, estrella canal de fibra óptica.

Tipo de propagación Haz luminoso axial

Haz luminoso con ángulo atenuado

Haz luminoso con ángulo abrupto.

Atenuación, en dB/Km

0,25 6 0.9

(a)

(b)

(c)



Distancias < 10 Km, remotos < 3 Km, edificios < 4 Km, red local Velocidades, Mbps 800 10 100 (ancho de banda, BW x longitud) mayor que

10 GHz x km 100 MHz x km 1 GHz x km

Tabla 2.6 Fibra óptica (espectro luminoso considerando 150 nm)

Figura 2.12 Fibra óptica.

La utilización de fibra óptica requiere la incorporación de nuevos dispositivo:

• Transmisor: con modulador para transformar la señal de los datos digitales en la frecuencia que admita el dispositivo luminoso (LED o ILD).

• La fibra óptica, propiamente dicha. • Detector de energía luminosa, que generalmente es un fotodiodo. Este convierte las

señales luminosas en señales eléctricas.

Para poder utilizar la fibra óptica se debe incorporar un transmisor/detector en cada estación conectada a la red de fibra óptica.

Además, la unión de cables de fibra óptica requiere una conexión de los extremos muy bien alineada. Esto evitara deformar los ángulos de refracción, lo que conlleva dificultad añadida a este tipo de instalaciones. Precisan de pocos repetidores, sobre todo a baja velocidad y distancias inferiores a 3 km.

Las uniones de fibra de vidrio pueden realizarse por empalme mecánico, empalme pegado y empalme fundido. Esta introducen una atenuación extra, que se debe añadir a la considera por la distancia, que viene a ser de hasta 0,5 dB por elemento interpuesto (empalme o conector).

En el caso de enlaces punto a punto, conviene a recordar que la luz viaja en un solo sentido, si se quieren dos sentidos de comunicación se precisaran dos cables de fibra óptica.

Podemos concluir que la fibra óptica destaca por su elevada velocidad, y por tanto, su elevado ancho de banda, su baja atenuación y su buen comportamiento frente a las interferencias electromagnéticas. En contra tienen su elevado costo y complejidad en la instalación.

Las fibras ópticas se construyen de muy diversas formas. Con un solo hilo o un mazo de hilos. Incluso influye si la fibra es de aplicación para interior o para exterior.

Existe una designación con un código de marcado, que viene a tener hasta 14 cifras que indican: el tipo de fibra, numero de cifras, construcción (gradiente, monomodo, discreto), diámetro del núcleo y de la envolvente, atenuación, longitud de onda, ancho de banda para 1 km, color, envolvente, armaduras (si es de exterior), diferentes capas.



La norma IEC 304 establece un código de identificación para la envoltura de las diferentes fibras que componen un conductor tipo mazo.

a.4. Cableado especifico

Existe cableado para enlaces directo o punto a punto, cuyas características se basan en las aplicaciones concretas de la conexión.

Figura 2.13 Diagrama del sistema de transmisión para fibra óptica.

Podemos destacar:

• Periféricos universales: cable de impresora paralelo, raton o puntero, teclado. • Dispositivos Hardware: cables planos de 22, 40 pines. • Redes en bus: cableado especifico, muy utilizado en domótica y buses de campo.

Similar al par trenzado.

Se caracterizan por distancias muy cortas de comunicación: entre 20 cm y 3 m. el parámetro que mas varía es la distancia máxima, con y sin repetidores, y la velocidad de transmisión varia desde 125 Kbps a 2 Mbps.

Algunos de los cables son de 5 conductores, incorporando 2 de señal, 2 de alimentación y 1 con malla. Este último es muy utilizado en buses de campo industriales.

a.5. Cableado estructurado

Se aplicara cualquier sistema que permita identificar y cambiar con facilidad los equipos que compongan la instalación. El cableado deberá diseñarse con cuidado dadas las posibilidades de vida útil y lo costosa que resulta su instalación.

En cuanto a la normativa existente, debe cumplirse lo especificado en la Norma Técnica de Edificación, y la directiva europea sobre compatibilidad electromagnética (EMC), de obligado cumplimiento desde 1996.

El cableado estructurado y su instalación esta dictaminado por las normas de CENELEC (Comité Europeo de Normalización Europea) con código de identificación prEN50098.

Clase Velocidad máxima Distancias Trafico A 100 KHz Un campus bajo B 1 MHz Un campus moderado C 16 MHz Cortas alto D 100 MHz Cortas alto

Tabla 2.7 Categorías de cableado de menor a mayor prestación.

Modulador Generador Luminoso

LED/ILED

Detector Luminoso Fotodiodo

Adaptador Datos transmitidos Datos transmitidos

Fibra óptica

CONECTORES



Una distribución vertical y horizontal permite racionalizar la distribución y el aprovechamiento de las características de cada tipo de cable:

• Una distribución vertical se refiere a una cantidad de tráfico elevada y de alta velocidad, lo que se resuelve con medios capaces de soportar un elevado ancho de banda, es decir fibra óptica, entre edificios y entre áreas de una factoría.

• Por otro lado, la horizontal se refiere a la utilización de cables de cobre, en las mismas plantas, incluso en el nivel de campo (estaciones y maquinas)

La utilización de paneles de conexión, distribución, armarios de conexión, conectores normalizados (tipo RJ-45) y sistemas de marcado, complementaran un cableado estructurado.

Figura 2.14 Conectores RJ45, derecha, y SUB 15-D, izquierda.

b) Medios no guiados

Allí donde el tendido e instalación de cables resulta poco asequible (en cuanto a costo y sencillez de instalación) se utilizan los medios no guiados. El uso de redes inalámbricas es, hasta la fecha muy restringido. Existen aplicaciones para controlar los caudales de ríos, en el curso de los cuales se encuentran diferentes presas, de pequeño tamaño, para evitar grandes avenidas de agua. También hay aplicaciones en las que las cortas distancias se resuelven con un enlace de ondas de radio en VHF (Very High Frecuency).

El medio es el aire y, como ya se ha mencionado, los tres tipos son:

• Microondas terrestres y satélites. • Ondas de radio de UHF y VHF. • Infrarrojos.

En cuanto a la técnica de transmisión, se caracterizan por la utilización de transmisores, de radiofrecuencia y microondas, con modulación (en el emisor) y desmodulación (en el receptor), y además, la instalación de antenas, de diversos tipos, para enviar la señal al aire y para recibirlas. En la tabla podemos ver el espectro completo de frecuencias.

Bandas Frecuencias. Hz

Longitud de onda Aplicaciones en telecomunicaciones

VLF (Very Low

Frequencies)

300 a 30 K Ultralargas, o miriamétricas. Hasta 100Km.

Enlaces entre estaciones fijas.

LF (Low

Frequencies)

30K a 300 K Largas, o kilométricas. Hasta 10 Km

Radio de gran distancia

MF (Médium

Frequencies)

300K a 3 M Medias, o hectométricas. Hasta 1 Km

Radioaficionados, marítima, radiodifusión.

HF (High

3 M a 30 M Cortas o decamétricas. Hasta 100m

Radioaficionados, marítima, radiodifusión de gran alcance,



Frequencies) costera medicina HF

(High Frequencies)

3 M a 30 M Cortas, o decamétricas. Hasta 100 m

Radioaficionados, marítima, radiodifusión de gran alcance, costera medicina

VHF (Very High

Frequencies)

30 M a 300 M Ultracorta, o métricas. Hasta 10m

Televisión, radiodifusión, radioaficionados, policía, navegación aérea.

UHF (Ultra High

Frequencies)

300 M a 30 G Ultracortas, o decimetricas. Hasta 1m

Televisión, radioaficionados, policía, navegación aérea, telemetría, enlaces en redes locales. Enlaces de telecomunicación multiservicio (datos, voz….).

SHF, Microondas (Super High Frequencies)

3 G a 30 G Ultracortas, o decimétricas. Hasta 10 cm

Radares, satélites.

EHF (Extremely

High Frequencies)

300 M a 3 G Ultracortas, o decimétricas. Hasta 1m

Radares, satélites.

Tabla 2.8 Bandas de Frecuencia según la UIT.

b.1. Ondas de radio

Son adecuadas para la difusión simultánea a varios destinos como para los enlaces punto a punto. Las redes actuales están trabajando en las bandas de frecuencia de 902 a 928 MHz (UHF). Las ondas de radio destacan por:

• Se propagan aun en entornos cerrados, pueden obtenerse distancias de 20 a 30 metros para aplicaciones de este tipo de entornos.

• Las estaciones de la red, además de disponer de las tarjetas de interfaz, incorporan un emisor/receptor, una antena y el software de gestión, incluso pueden requerir de una fuente de alimentación adicional.

• Sensibles a ciertas interferencias, aparecen las de tipo multitrayectoria, debido a las reflexiones diferentes del agua, superficies terrestres u otros objetos interpuestos entre las estaciones origen y destino.

• Penetran ciertas estructuras. • Se precisa de un mecanismo que permita la emisión y recepción simultáneas

(separación de frecuencias de transmisión y de recepción). • Requieren legislación para su uso, asignándose por las autoridades y según la UIT-T. • Introducen sencillez para dar de alta o de baja equipos en la red, ya que no incluye

conexión física.

Nombre y banda de frecuencia

Modulacion datos digitales

Velocidades máximas

Aplicaciones

30-300 MHz. FSK, PSK 100 Kbps Enlaces TV, radio



VHF (Muy alta frecuencia)

(Desplazamiento de frecuencia, fase)

FM, comercial o no

300-3000 MHz. UHF

(Ultra alta frecuencia)

PSK (Desplazamiento de fase)

10 Mbps TV UHF Microondas terrestres

3-30 GHz. SHF

(Súper alta frecuencia)

PSK (Desplazamiento de fase)

100 Mbps Microondas terrestres y satélites.

Tabla 2.9 Comunicaciones inalámbricas radiofrecuencias.

b.2. Microondas

Las frecuencias del enlace van desde los 3 GHz a los 40 GHz. Se utilizan para las comunicaciones terrestres y vía satélite. Estas frecuencias son adecuadas para los enlaces punto a punto. El rango de frecuencia de 1 a 10 GHz, es el intervalo para su utilización en vía satélite. El resto se usan en aplicaciones terrestres. Como antenas se utilizan las de tipo parabólico. Al tratarse de ondas unidireccionales los puntos de las antenas precisan estar a la vista.

La utilización estriba en las largas distancias. Estas oscilan entre 10 a 100 km, sin utilizar repetidores. Rara vez se superan los 50 km por la pérdida de visibilidad, debidos a la forma esférica terrestre. Para alcanzar distancias superiores se elevan las antenas.

Se aplican en enlaces de telefonía y televisión. También en la interconexión de redes privadas.

Las microondas son sensibles a la lluvia, que incrementan la atenuación. Puede conseguirse velocidades o razón de datos desde 10 hasta 750 Mbps. El ancho de banda llega a los 220 MHz, desde los 7 MHz. Utilizan modulación PSK. Normalmente las frecuencias satélite-tierra (descendentes) son de valor distinto a las de tierra-satélite (ascendente). Además, la asignación de las bandas de frecuencia se debe realizar con un seguimiento y regulación estrictos.

b.3. Infrarrojos

Las radiaciones de infrarrojos se caracterizan por sufrir gran atenuación y distorsión con la distancia, además no pueden atravesar objetos opacos. Se propagan en línea recta. Sufren reflexión, por lo que hay que alinear o asegurar la recepción de las mismas. Son bastantes inmunes a las interferencias de frecuencia de radio. Se requiere, por tanto, una visión libre de obstáculos entre las estaciones.

Se utilizan tanto en enlaces punto a punto (por ejemplo, ratón inalámbrico), como en redes de área local. Existen versiones de redes locales comerciales que ofrecen velocidades de 230 Kbps, y hasta 16 Mbps en conexiones por medio de redes Ethernet. Las distancias van desde uno pocos cm hasta tres decenas de metros.

c) Consideraciones sobre el tiempo de transmisión y el tiempo de propagación

Analicemos algunas consideraciones sobre el tiempo de propagación y el tiempo de transmisión de una trama.

Debe considerarse la existencia de un retardo de propagación, tpro, tiempo desde que un bit es transmitido al medio, por el emisor, y llega al receptor. Este depende, sobre todo, del medio de



transmisión. Y también el tiempo de transmisión ttr, tiempo que tarda cualquier emisor en transmitir una trama de bits. Depende de la interfaz del emisor al medio de transmisión.

Si el tiempo de propagación es menor que el tiempo de trama, quiere decir que los primeros bits de la misma han llegado al receptor antes de que el emisor deje de transmitir bits. Tenemos la línea totalmente utilizada para la transmisión de una trama.

Si el tiempo de propagación es mayor que el tiempo de trama, quiere decirse que el emisor deja de transmitir antes de que el receptor reciba los primeros bits de cada trama. Disponemos, en este caso, de mayor espacio par insertar mas tramas.

Figura 2.15 Influencia en la transmisión de la relación entre el tiempo de propagación del medio de transmisión y el tiempo de transmisión de una trama.

Así, pues, en el caso de que nuestra red de comunicación deba transmitir a gran velocidad y a grandes distancias, se optara por medios de transmisión cuyos tiempos de propagación sean mayores que el tiempo de la trama.

El tiempo de propagación es la distancia del enlace establecido, divididos por la velocidad de propagación. Esta velocidad es el orden de la velocidad de la luz para los medios no guiados y la fibra óptica, y unas 0,7 veces por la velocidad de la luz en un cable de transmisión.

En cuanto al tiempo de trama o transmisión, ya lo hemos comentado en el apartado de cadenas de bits, tramas y velocidad de transmisión, es número de bits de la trama, n, dividido por la velocidad de transmisión.

Al trabajar con formatos estándar, tanto en el protocolo como en medio (cable o no), es normal trabajar con tamaños de trama y tiempos de propagación constante, esto permite un régimen de transmisión y comportamiento de la instalación muy esperada. Así la supervisión y el mantenimiento sobre la red tienden a simplificarse, si esta no es alterada constantemente. ¿Cómo se puede alterar la red? Podemos compartir diferentes protocolos por un mismo cable, lo que hará variar los tiempos de trama.

Consideramos una trama de 500 bits, y una velocidad de transmisión de 10 Mbps, en una red local. El cociente ttra=500 bits/10 Mbps, da como resultado un tiempo de transmisión de la trama de 5 x 10-5 segundos.

Si la distancia entre los extremos mas distantes es de 5 km de cable de par trenzado. Con un valor de velocidad de propagación de 0,7 veces x 3 x 10-5 m/seg, velocidad de la luz resultando tpro=5.000 m / 2,1 x 108 m/s = 2 x 10-4 segundos. Si realizamos el coeficiente entre los tiempos de propagación y de transmisión obtenemos un valor de 4, es decir el primero, es cuatro veces mayor que el segundo, tal y como habíamos comentado

E

R

E

R

E

R

E

R

Tiempo de propagación Mayor que

Tiempo de transmisión

Tiempo de propagación Menor que

Tiempo de transmisión

Hay cabida para más de una trama. Existe

aprovechamiento del medio de

Solo hay espacio para una trama.



2.3. Clasificación de las comunicaciones de datos

Unas clasificaciones de los tipos de comunicación puede atender a los siguientes criterios:

• Simultaneidad en el medio de transmisión: serie, paralelo. • Disposición de la estaciones de trabajo: punto a punto, multipunto. • Simultaneidad de emisión y recepción: simples, half duplex, full duplex. • Tipo de sincronismo: síncronas, asíncronas. • Tipo de señal transmitida: analógica, digital.

Veamos una descripción aproximada de ellos.

2.3.1. Simultaneidad de datos en el medio de transmisión

Si los datos se transfieren en secuencia de bits, pero solo disponemos de línea para los mismos estaremos hablando de transmisiones serie. Es la comunicación extendida en todo el mundo, allí donde la longitud de más de una línea haría muy cara la instalación de varias líneas paralelas.

Ejemplo de esto es el bus I2C serie, utilizado en diferentes aplicaciones como comunicaciones en automóviles, sistemas electrodomésticos, etc. Utiliza un cable de ida y otro de vuelta o masa. Aunque hablemos de comunicaciones serie, siempre habrá como mínimo un hilo o una línea para los datos y otra de masa. Puede existir malla o pantalla, como la que nos encontramos en nuestro cable de antena de TV, domestico, que es el que recubre el activo y esta construido en forma de red o malla. La información se trata en palabras, según el tamaño de registros internos o el tipo de chips utilizado.

Figura 2.16 Transmisión serie y transmisión paralelo.

Es decir, se trabaja con grupos de bits en paralelo. Por ello, para la transmisión serie se deben “poner en fila” los bits, esto supone la utilización de multiplexores, en le emisor, y de multiplexores en el receptor. En las transmisiones serie se presentan se precisa enviar información adicional para establecer aspectos de identificación o de control de la comunicación, esto supone el envió de bits extras, además de la información propiamente dicha.

Si disponemos de varias líneas para enviar o recibir datos digitalizados, nos encontramos con una transmisión en paralelo. Ejemplo de ello pueden ser los buses internos, de ordenadores o sistemas electrónicos de control. Existen con 8, 16 y 32 bits de datos. Es decir el sistema de comunicación dispone del mismo número de líneas que datos se quieren transmitir, mas la masa o común. La comunicación paralela con la impresora es otro de los casos comunes. Se componen líneas especiales que permiten realizar el control de la comunicación. Las

E R 10101

Transmisión Serie

E R 1

1

1

0

0

Transmisión Paralelo



transmisiones en paralelo se usan allí donde la velocidad es critica, por ejemplo, entre la memoria y un disco duro. También donde la distancia es relativamente corta.

Consideraciones Serie Paralelo Numero de líneas Una y masa por línea. Varias, según el tipo 4

(BCD, 8, 16, 32. Añade Bits de control. Líneas de control. Longitud Grandes distancias varios

centenares de metros. De cm a escasos metros.

Velocidad Lenta, un dato, tantos bits como componen el dato.

Rápida, un dato, en dos o cuatro bits por línea.

aplicaciones Cortas y largas distancias, redes de comunicación, periféricos series USB (Universal Serial Bus)

Cortas distancias buses de controladores y periféricos.

Tabla 2.10 Transmisiones serie y paralelo.

Las comunicaciones, a las que se refiere este texto son las transmisiones serie, aquellas en las que el medio de transmisión es de una o dos líneas. Esto obliga a la conversión de datos, ya que estos se encuentran representados en paralelo. Es decir el acceso a una variable de 32 bits es a los 32 de una vez. Es por lo que se convierten en una secuencia de bits antes de ser transmitidos. Así, pues, todo sistema de transmisión serie utiliza un dispositivo conversor paralelo/serie (compatible con las funciones del chip denominado UART 16551).

2.3.2. Disposición de las estaciones de trabajo

En las figuras puede verse que se esta refiriendo a la topología de la configuración de las estaciones entre si, a través del medio de transmisión.

Si existe un enlace establecido entre cada par de estaciones, estamos hablando de un enlace punto a punto. Esto obliga a dedicar una línea de ordenador primario o principal con cada dispositivo.

Figura 2.17 Enlace punto a punto

Ordenador (primario

)

Secundarios



Figura 2.18 Enlace multipunto.

Si mas de dos estaciones conectadas en el medio de transmisión, nos estamos refiriendo a un enlace multipunto. La estación primaria o principal, dedica una sola línea de entrada/salida a la comunicación de este enlace. Deberá establecer un criterio para comunicar con el resto de estaciones. Es mas, al existir un único medio, las estaciones deberán competir por el mismo para, por ejemplo, responder a peticiones de la principal. Este tipo de enlaces es similar a un bus de conexión de dispositivos, como utilizan los ordenadores personales (PCI). La conexión multipunto es la más utilizada en redes de área local en las comunicaciones industriales.

2.3.3. Simultaneidad de emisión y recepción

El trasiego de información en un sistema de comunicación de datos puede establecerse de una de las tres formas siguientes:

• Simplex, si la transmisión se establece en un solo sentido. Es decir, si un elemento solicita información de otro dispositivo, y este solo transmiten dicha información. Cuando un sensor informa de una magnitud física a un sistema de medida y regulación, se dispone de un enlace simplex.

• Semi-duplex, también half-duplex. En este caso la transmisión es en ambos sentidos, pero no simultáneamente. Esto puede tener lugar son un solo hilo o medio de comunicación. Si un programa le solicita el dato de temperatura a un controlador y el controlador responde cuando el medio esta libre, estamos ante una comunicación semi-duplex. El dispositivo encargado de la transmisión debe ser capaz de conmutar entre dos estaciones: recepción y transmisión.

• Full-duplex, los dos extremos o estaciones pueden enviar y recibir datos. La comunicación es simultánea en los dos sentidos. Se precisaran dos medios de transmisión en cada estación, uno para transmitir y otro para recibir. O en un solo medio y modulación.

2.3.4. Tipo de sincronismo

Los dispositivos que están conectados en un enlace de comunicación precisan de un alto grado de coordinación. Dado que los dispositivos de datos, ordenadores, controladores, no se conectan directamente a un enlace de comunicación, sino que lo hacen por medio de un interfaz. Este será el que realice la coordinación en el plano de bits.

Sea un grupo de bits, transmitidos vía serie. Cada bit tiene establecida una duración de 1µs (microsegundo), el receptor deberá detectar la presencia del mismo. Normalmente en mitad de la celda o espacio de tiempo dedicado a cada bit. Es decir, el receptor realiza la toma de muestras cada µs. Esta es una forma de resolver la cooperación entre extremos. Sin embargo

Ordenador

(primario)

SECUNDARIOS



esta forma es fallida. Si el medio de transmisión produce retardos llegan con retardo los bits al receptor. En esta situación se pierde la información, ya que el punto central del bit es el valor digital de la línea, sin tener otra referencia o comunicación con el emisor. Los extremos pierden el sincronismo. Para resolver este problema se aplican dos estrategias, que dan nombres a los sistemas de comunicación asíncronos y síncronos. Veremos que realmente podemos conseguir sincronismo en el plano de bit, carácter o cadena de información.

a) Transmisión asíncrona

La primera trata de evitar el problema de la perdida de sincronismo enviando ininterrumpidamente cadenas de bits, de no excesiva longitud. Esta longitud puede variar entre 5, 7, 8, 9 y 11 bits. Al realizar el envió de pocos bits se disminuye el efecto de retardo o adelantos excesivos, que originan la perdida de sincronismo. Cada vez que se envía una cadena se le da la oportunidad al receptor para que se sincronice. Se añade la información de comienzo y finalización, unos bits iniciales y finales. Esta información es la que ayuda al receptor a realizar la puesta en sincronismo. Esto lo consigue iniciando un reloj interno cada vez que recibe los bits de comienzo o inicio, y detiene el citado reloj cada vez que recibe los bits de parada. En el apartado de códigos y cuando hablamos del código ASCII establecimos la necesidad de la comunicación asíncrona.

Figura 2.19 Sincronización.

Es poco costosa, sencilla de implementar, tan solo viene a producir un 20% de bits suplementarios. Los datos pueden ser enviados de una forma continuada o a diferentes intervalos entre emisor y receptor. Por supuesto, esto obliga a mantener una la velocidad de comunicación. Esta forma de coordinar o sincronizar se utiliza para enlaces de comunicación punto a punto y comunicarse con numerosos dispositivos industriales, como controladores, en entorno de programación de autómatas programables, etc.

b) Transmisión síncrona

En cuanto a la transmisión síncrona los bits se transmiten en cadenas o secuencias de tales. No existe un bit de inicio sino uno o varios octetos que delimitan la cadena completa. Esta cadena tiene muchos bits.

¿Cómo se previene la perdida de sincronismo? Podría pensar el lector que añadiendo una línea adicional que marcara los pulsos par cada bit. A la par que el reloj de un bus de una CPU de ordenador clásica. Con cierta regularidad el emisor puede enviar un pulso para que se inicie el grado de sincronización deseado. Esta solución funciona bien en sistemas de corta longitud (buses de interconexión cercanos o locales), pero si se utilizan distancias largas, con toda seguridad, el pulso de sincronismo citado sufrirá las alteraciones que cualquier línea eléctrica puede padecer (indeferencias, retardos). Y, ¿entonces?

La solución adoptada hoy es la inclusión de la información en la cadena de bits. La cadena, por tanto, incluye más información. Tal y como vimos en el apartado de tramas y cadenas de bits.

Inicio Bits de Datos Inicio del Siguientes Caracter

1

0 1 2 3 4 5 6 7 P

Bits de Paridad



Figura 2.20 Campos delimitadores con bytes que permiten el sincronismo.

Lo que se hace es incrementar esa información con un campo. Este campo puede llevar incluido un byte de control, al estilo del código ASCII, por ejemplo SYN (22). Existe un campo de finalización para que el receptor interprete cuando deja de leer del medio de transmisión. Un receptor puede estar a la escucha y cuando interpretar el código, o carácter ASCII, SYN lee información hasta encontrar el carácter de fin de trama o bloque.

Es decir, que la trama llevara, incluida información de sincronización, además de las de dirección origen y destino, ya mencionadas. A esta información le siguen bits de control, que dependen del protocolo de comunicación que se esta utilizando.

2.3.5. Tipo de señal transmitida: comunicación analógica o digital

Para transmitir datos podemos realizar la conversión a una señal que se adapte al medio de transmisión. En principio puede pensarse que cualquier variación de señal entre dos valores de magnitudes eléctricas, lo suficientemente separadas, puede representar un uno o un cero lógico. También puede ser una señal eléctrica que transporte nuestra voz por una línea telefónica, si la variación de la señal lo hace de una forma muy lenta en el tiempo. Los dos tipos de señales que se transmiten son: analógicas y digital.

Los mensaje, mas concretamente las tramas a transmitir sufren un proceso por el que se adaptan al medio de transmisión, aprovechando sus características.

• Comunicación analógica. El proceso por el que se varían las características de una señal según los datos, o señales distintas, a transmitir, se denominan modulación, básicamente existen tres tipos de modulación: FSK, ASK, PSK.

Figura 2.21 Obtención de la señal modulada, que se transmite al medio, a partir de la señal portadora y las señales de los datos, a transmitir: señal moduladora (sean analógicas o

digitales). En la modulación se trasladan las frecuencias

• Comunicación digital. Si las comunicaciones (analógicas o digitales) se transforman para ser transmitidas en formato digital, se dice que han sufrido una codificación. Existen varios tipo de codificación: NRZ, NRZI, RZ, Manchester, Manchester Diferencial, Bipolar-AMI, HDB3.

0001 0011 1001 0101

Estación destino

Parámetro a variar

Valor del Parámetro

Estación origen

1001 0001

Verificación

SYN

Inicio

FCS

Fin

Modulada

Datos Modulador

Moduladora

1001

Portadora



2.3.5.1 Comunicación analógica

La comunicación analógica es aquella que se establece con señales (eléctricas, electromagnética, ópticas, etc.) que son continuas en el tiempo. Los datos que se transmiten forman la señal moduladora (valores digitales cualesquiera o analógicos, por ejemplo, voz) se transforman en una señal analógica, denominada modulada.

Las características de la señal portadora son: amplitud, frecuencia y fase.

El valor de esta frecuencia se adapta al medio de transmisión elegido. Al proceso de transformación se le denomina modulación, y al dispositivo que produce la modulación se le denomina modulador. El proceso por el que se obtienen los datos, para ser utilizados, por otro lado de la comunicación se le denomina demodulación, y el dispositivo demodulador.

El dispositivo se utiliza en las comunicaciones actuales y adapta los datos de un ordenador a las redes telefónicas. Esto es debido a que la voz es una señal analógica (la frecuencia modulada que viaja por las líneas de cable telefónico están entre 300-3400 Hz, al menos desde nuestro teléfono hasta la central a la que estamos conectados, a partir de ahí…..).

En si el dispositivo incorpora las funciones MOdulacion-DEModulacion, y como ya ha averiguado nuestros lector se trata de un modem, al que dedicaremos un apartado completo.

Figura 2.22 Demodulación: proceso por el que se obtienen los datos transmitidos por algún tipo de modulación. El dispositivo suele ser el MODEM.

Características Tipos de modulacion • Datos a transmitir: señal

moduladora • Señal transmitida: señal modulada • Proceso inverso: demodulación • Dispositivo en sistemas

ordenadores: modem, otras tarjetas.

• Aplicación: conexión a redes telefónicas, y a larga distancia.

• El baudio: El numero de cambios de de nivel de la señal que realmente están sucediendo en la línea de transmisión. Así pues en una línea en la que un bit de la

• ASK: Modulación por desplazamiento de amplitud, los valores binarios se representan mediante diferentes niveles de amplitud. Una forma puede ser: el uno binario se representa por la presencia de portadora y el cero binario como su ausencia. La más sensible al ruido.

• FSK: Modificación de la frecuencia de la portadora. Según la duración de una celda de bit. Existe una f1y una f0.

• PSK: modulación por

Portadora

Receptor

Demodulador Tratamiento de Datos

Datos

1001

Modulada



misma, coincide con un cambio o bit de una trama, la velocidad en bits por segundo -b.p.s.- y baudios coinciden. Véase el ejemplo del tipo de modulación PSK.

desplazamiento de fase, se varía la fase de las portadoras para representar una señal modulada con los niveles uno y cero con ángulos distintos de fase. La frecuencia y la amplitud permanecen constantes. La visión simplificada de este sistema presenta un desplazamiento de fase de 180º (s(t)= A sin(2pft + p ). De este modo un cero esta representando una señal anterior. Una señal con la misma fase que la señal anterior. Una señal con la fase en oposición a la anterior representa un uno lógico. Una versión mas complicada y generalizada en los módems actuales es desplazar 45º (11), 135º (10), 225º (00) o 315º (01), desplazamiento de fase d 90º en intervalos regulares. La utilización de cuatro representaciones de fase, nos permite codificar dos bits de la trama para cada uno de los valores de fase. Para ciclos completos (2p) de la señal modulada, se ha podido codificar 4 cambios de fase. Así una transmisión a 9.600 baudios, y por este método, esta permitiendo una velocidad de transmisión de 44,400 bps (9.600 x 4).

Tabla 2.11 Modulación: transmisión analógica de señales digitales.

Si se transmiten señales analógicas, los tipos de modulación mas utilizados son:

• Modulación en amplitud (AM). • Modulación en frecuencia (FM) • Modulación en fase (PM)

Estos tipos de transmisión se salen de los propósitos de este texto, al ser aplicados en sistemas de transmisión por medio aéreo. (Ondas de radiofrecuencia, microondas, etc.).

Así, realizando modulación a distintos valores de Portador, se puede compartir un mismo medio.

2.3.5.2. Comunicación digital

Por comunicación digital entendemos que la señal que se propaga es de forma digital. Este es el tipo de comunicación que mas nos afecta como técnicos en regulación y control. Las redes



de comunicación, de dispositivos de control automático, se basan en las comunicaciones digitales.

Las tramas de datos se transforman para adaptarse al medio de transmisión, al igual que en las comunicaciones digitales. El proceso se denomina codificación. El dispositivo que adapta las tramas de bits al medio de transmisión es el codificador. El proceso inverso (obtener las señales tramas de bits o la señal analógica transmitida) se denomina descodificación, y el dispositivo que la lleva a cabo se denomina decodificador. Este último se encuentra en la tarjeta que se instala en cada estación, con el objetivo de conectar la estación a la red de comunicación, es decir forma parte de la interfaz de comunicación.

Figura 2.23 Comunicaciones digitales. Codificación.

Existen multitud de métodos de codificación y decodificación de la señal transmitida. Cada uno de ellos se desarrollo partiendo de la señal que se pretende transmitir analógica o digital.

Figura 2.24 Señal cuantificada. Transmisión digital PCM.

Si la señal a transmitir es analógica, se debe convertir la señal analógica en digital. A este proceso se le denomina cuantificación. Se realiza para la conversión de datos analógicos en digitales y viceversa. Los dispositivos que realizan esta conversión se denominan codecs (codificador-decodificador). Las dos técnicas de codificación mas extendidas son:

• PCM (Pulse Code Modulation, modulacion por codificación de impulsos, basados en la toma de “muestras” (realmente el fundamento matemático es el teorema de muestreo),

010 001 101 Salida 010001101

Receptor

Receptor

S(t) Decodificador Tratamiento de

Datos

Datos 1001

S(t) Decodificador Tratamiento de

Datos

Datos 1001

Emisor



cada cierto intervalo, denominado periodo de muestreo, Tm. Hace uso de otro método de cuantificación proporcional a la amplitud de la señal, denominado PAM (Pulse Amplitude Modulation). Cada muestra PAM se cuantifica, y por tanto podemos decir que aproxima, con un valor de n-bits. De ahí pasa al cuantificador PCM.

• DM (Delta Modulation), modulacion delta. La señal analógica se aproxima por medio de una función en escalera que, para cada intervalo de muestreo la función aproximada sube o baja una cantidad fija. Se genera una cadena de bits aproximando la derivada en lugar de la amplitud de la señal. Con un 1 la función en escalera sube en el siguiente intervalo y 0 en cualquier otro caso.

En cambio si las señales a transmitir son digitales, los que se aplica es la codificación. Se trata de señales digitales, codificadas y conectadas al medio. El nombre de cada uno de ellos se describe a continuación.

• NRZ, Non Return to Zero, cada celda de la señal a transmitir toma el valor de cada bit de la trama que se quiere transmitir. Problemático cuando se envían tramas con unos o ceros continuados.

• NRZI, Return to Zero, invert on ones, no retorno a cero, invirtiendo el nivel de la señal codificada con unos.

• RZ, Return to Zero, retorno a cero. • Manchester, en este codigo siempre existe una transición o cambio de nivel en el centro

de la celda de bit. • Bipolar-AMI, Alternate Mark Inversion, alternar el valor de la señal correspondiente al

uno.

Figura 2.25 Diversos tipos de codificación y su funcionamiento.

En la tabla 2.13 se puede ver la técnica para cada uno de ellos.

Características Tipos de modulacion y codificación • Datos a transmitir: analógicos o

digitales. • Señal transmitida: digital • Proceso inverso: descodificación. • Dispositivo en sistemas

ordenadores: codificadores, codecs, tarjetas.

• Aplicación: entre dispositivos hardware y grabación de datos, redes locales, intercedes.

• Señales a transmitir analógicas:

- PCM (Pulse Code Modulation), requiere cuantificación. Tipo PAM, modulacion de de la amplitud del pulso.

- DM (Delta Modulation), modulacion delta.

0 11 0 0

NRZ

NRZI

RZ

Manchester

Bipolar AMI

0, nivel bajo 1, nivel alto

0, sin transición al inicio. 1, transición al inicio

0, nivel bajo 1, transición,

0, pulso, de alto a

bajo 0, no hay señal

1, nivel positivo o negativo, con alternancia



Instrumentos con comunicaciones.

• Consecuencias a tener en cuenta: razón de modulacion y velocidad de transmisión. Espectro de frecuencia resultante. La capacidad auto-reloj. Detección de errores.

• Señales a transmitir digitales:

- NRZ, Non Return to Zero. - NRZI, Non Return to Zero, invert

on ones, no retorno a cero, invirtiendo el nivel de la señal codificada con unos.

- RZ, Return to Zero, retorno a cero.

- Manchester. - Bipolar-AMI, Alternate Mark

Inversion.

Tabla 2.12 Codificación: Transmisión digital de señales.

Existen métodos cuya celda de bit, el tiempo de su duración, es completa como NRZ y NRZI. Otros, sin embargo, permiten la transición de la señal eléctrica, en mitad de la celda de bit, véase RZ y Manchester. Indicar que la detección de errores será más segura, si el código incluye gran número de transiciones. RZ, Bipolar-AMI y además de garantizar la posible sincronización en el plano de bit. Esta última característica se denomina auto-reloj.

2.4. Técnicas de transmisión de datos

Entre las cuestiones fundamentales de la transmisión existen tres que pasamos a detallar a continuación:

• Multiplexación, en cuanto a la capacidad de compartir a varias transmisiones o comunicaciones. Sobre todo se usa en largas distancias.

• Banda base, emitir o “depositar” los bits con algún método de codificación (Manchester por ejemplo), directamente. Utilizadas en redes locales.

• Banda ancha, se utiliza la modulación o una frecuencia portadora. Además es en este tipo donde se tiene sentido hablar de la técnica de multiplexación. Utilizadas en redes locales.

2.4.1. Multiplexación

Por multiplexación entendemos la capacidad de compartir el ancho de banda del medio. Si una transmisión precisa de un ancho de banda de 5 KHz, durante 5 minutos, y nuestro medio de transmisión, cableado y sistemas electrónicos, ofrece un ancho de banda de 10 MHz, podemos estar desperdiciando su capacidad de enlace.

La aplicación, en largas distancias, hace uso de las fibras ópticas de gran capacidad, cable coaxial o enlaces de microondas. La utilización de un multiplexor, como sistema completo, permite transportar un gran número de transmisiones de datos y voz, simultáneamente.

Uno de los motivos de la utilización de esta técnica se debe a la velocidad reducida de ciertos equipos de transmisión (desde 9600 a 64 Kbps) respecto a los grandes anchos de banda que pueden ofrecer los sistemas de transmisión actuales. Las diferentes señales que entran a un multiplexor pueden ser tanto analógicas como digitales, pero la señal compuesta que se transmite es analógica.



Figura 2.26 Multiplexor en el emisor. Demultiplexor en el receptor.

Existen varias técnicas de multiplexación, aunque nosotros describiremos, brevemente, tres de ellas.

• Multiplexación por división de frecuencia (FDM). • Multiplexación por división en el tiempo síncrona (STDM). • Multiplexación estadística por división en el tiempo.

Existen textos especializados en telecomunicaciones y redes de datos que describen ampliamente tanto las técnicas de multiplexación, como ejemplo de aplicación. Se sale del objeto de este texto, y de los criterios de evaluación del modulo comunicaciones industriales, abordar con mayor profundidad esta técnica de transmisión.

2.4.1.1. Multiplexación por división de frecuencia (FDM)

Cada señal a transmitir se modula con una frecuencia portadora distinta. Esta modulacion origina anchos de banda distintos. Cada uno de ellos se denomina canal.

Además, cada ancho de banda se separa con un valor mínimo, de esta forma se evitan interferencias. El ancho de banda es constante, y se denomina banda de seguridad.

El ancho de banda útil del medio de transmisión debe ser mayor que el ancho de banda mayor de las señales transmitidas. Las diferentes señales que entran a un multiplexor pueden ser tanto analógicas como digitales. Pero la señal compuesta que se transmite es analógica. Un ejemplo son las televisiones comerciales.

Figura 2.27 Multiplexación por división en frecuencias.

Es muy utilizado en canales voz o telefonía y de televisión.

Un enlace

M, canales

MULTIPLEXOR

DEMULTIPLEXOR

M, entradas M, salidas

Sub fc1

Sub fc2

Transmisor fc fc

Datos1, d1 (t)

Datos 2, d2 (t)

Transmisión, e (t).

Receptor fc

Filtro fc1

Filtro fc2

Demodulador d1

Demodulador d2 Recepción, e (t)

Ancho de banda total

Banda de Seguridad

fc1 fc2 fc3 fd4 f

A



2.4.1.2. Multiplexación por división en el tiempo síncrona (STDM)

Se denomina así a la técnica que permite que varias señales digitales viajen por el mismo medio de transmisión. Además se mezclan en el tiempo distintas partes de las señales originales. Precisamos de un sistema que admita más velocidad que la suma total a transmitir. Si disponemos de seis dispositivos transmitiendo a 12,6 Kbps, el multiplexor realizara la mezcla y se transmitirá al menos a 75,7 Kbp, mas un valor suplementario.

Normalmente la entrada de cada línea del multiplexor se envía a un buffer o memoria intermedia.

Podemos decir que el sistema utiliza una portadora digital. Si se quieren transmitir señales analógicas con multiplexación por división en el tiempo, previamente se debe cuantificar y modular en PCM y PAM ya comentadas.

La RDSI (Red Digital de Servicios Integrados) hace uso de este tipo de técnica.

2.4.1.3. Multiplexación estadística por división de tiempo

Este tipo de multiplexor utiliza unas técnicas para analizar la velocidad de transmisión que requieren los distintos dispositivos conectados. Se aplica un intervalo de tiempo en el que se analizan las necesidades de velocidad.

Si algunos de los dispositivos no van a transmitir datos se calcula la velocidad que se puede ofrecer a los dispositivos que si quieran transmitir.

Otra opción seria analizar los dispositivos conectados, calcular la velocidad total que se solicita y ver si se puede dar servicios a más dispositivos que estuvieran esperando. Esta ultima opción, tendría un máximo y un mínimo de dispositivos y una política de prioridades que complican muchísimo el sistema.

Esta especie de “inteligencia” añadida dispara los costos de este tipo de multiplexores respecto a los de STDM.

2.4.2. Banda base

La señal digital se codifica y conecta al medio, sin modular. Los métodos de codificación son los ya indicados anteriormente: Manchester y Manchester diferencial, sobre todo. Al no utilizar modulación, no se requiere de dispositivos moduladores ni demoduladores, lo que lo convierte en una técnica bastante sencilla.

Al transmitir se utiliza todo el ancho de banda que ofrece el sistema, es decir todo un canal. Además no permite la multiplexación en frecuencia.

La transmisión por el cable es bidireccional.

Debido a que la señal se ve afectada por la distancia recorrida, requiere del uso de repetidores a partir de cierta distancia, que depende de la misma y del tipo de cableado.

Como todo sistema de transmisión guiado, a medida que disminuye la velocidad de los datos, la longitud del cable puede aumentar. Los cables más utilizados en este tipo de transmisión son de 50 ohmios. Esto origina la colisión de dos o más dispositivos, cuando quieren acceder o transmitir. Esta colisión se resuelve por diversas técnicas (CSMA, CMSA CD).



Banda base Banda ancha Codificación digital

(por ejemplo Manchester diferencial) Señal modulada analógica.

Propagación bidireccional Propagación unidireccional Ancho de banda totalmente ocupado Permite multiplexación en frecuencia Colisión de dos o mas participantes Utilización de dos frecuencias o mas Distancia total hasta unos pocos km. Varias decenas de km.

Aumento de longitud total por medio de repetidores

Aumento de longitud total por medio de amplificadores.

Tabla 2.13 Técnicas de transmisión más utilizadas en redes industriales.

2.4.3. Banda ancha

Utiliza señales moduladas analógicas. Es posible la utilización de la técnica de multiplexación en frecuencia. Cada canal individual puede transportar información sobre datos, sonido y video. Incluso pueden ofrecer distintos servicios, métodos de acceso y transmitir a distintas velocidades en cada canal.

Permite distancias superiores, sobre cables coaxiales, por ejemplo, hasta decenas de km. La propagación es unidireccional lo que obliga a una configuración de forma tal que las estaciones que transmitan lo hagan por un camino, que se denomina de entrada, y la recepción se realiza en sentido contrario, a través de un camino de salida.

Las frecuencias de transmisión pueden ser de 5 a 450 MHz, y el ancho de banda puede ser de 25 a 360 MHz.



Red AS-i de sensores- actuadores

Introducción

la red o bus de campo AS-i (Actuator Sensor- Interface) es una red de sensores-actuadores (dispositivos de campo) de funcionabilidad limitada y bajo costo cuya primera versión (Versión 1.0).permite la conexión, mediante un único canal de comunicación, de un sistema electrónico de control (Autómata programable, Control Numérico, Computador Industrial, etc.) y un máximo de 31 nodos que constituyen procesadores de comunicaciones, a cada uno de los cuales conectar, como máximo, 4 sensores y 4 actuadores todo/nada (on/off).

Su diseño fue realizado por once fabricantes de sensores, actuadores y sistemas electrónicos de control, y dio como resultado un bus de campo normalizado por el Comité Europeo de Normalización bajo la denominación EN 50295. Son ejemplos de aplicaciones industriales en las que la red AS-i resulta especialmente indicada los sistemas de transporte, manutención, embalaje, ensamblaje, mecanizado, ventilación, climatización, aparcamiento, alumbrado, etc.

En la figura 3.1 se representa el diagrama de bloques de una red AS-i. El sistema electrónico de control se conecta al canal de comunicación AS-i mediante un procesador de comunicaciones denominado principal (master) por que soporta el control de la comunicación. El conjunto formado por el sistema electrónico de control y el procesador de comunicaciones principal recibe el nombre de estación o modulo principal. Los dispositivos de campo se conectan al canal de comunicaciones a través de procesadores de comunicaciones que reciben el nombre subordinados (slaves) porque solamente responden a las ordenes que les envía el procesador principal.

Figura 3.1 Diagrama de bloques de una red AS-i.

En la figura 3.2 se representa un ejemplo de red AS-i real. El conjunto formado por un procesador de comunicaciones subordinado y los sensores conectados a el se denominan estación o modulo subordinado.

La distancia máxima de una red AS-i es de 100 metros, pero se pueden alcanzar distancias de 300 metros aproximadamente mediante elementos amplificadores de señal denominados repetidores AS-i.



Figura 3.2 Ejemplo real de red AS-i.

Además de las funciones de comunicación, la red AS-i proporciona, a través de un único cable de dos hilos, alimentación a los sensores y actuadores de bajo consumo:

Las principales características AS-i son las siguientes:

• Garantiza un ciclo de exploración de los sensores-actuadores todo o nada conectados a todos los nodos de la red cuya duración esta limitada y depende del numero de nodos. Su valor máximo es de 5m, en la versión 1.0, cuando esta conectado el numero máximo de 31 nodos y es de 2m, por ejemplo, en una red de 12 nodos.

• Reduce al mínimo el cableado necesario para conectar un Autómata Programable con los dispositivos de campo de proceso.

• Es fácil de instalar, porque no necesita programas de configuración y dispone de un método rápido de conexión de los nodos.

• Esta normalizado tanto a nivel eléctrico como mecánico, lo que garantiza la modularidad y la intercambiabilidad de los productos.

• Sus nodos se puede implementar con un elevado nivel de sellado IP67, lo que permite su instalación a pie de maquina (sin necesidad de protección adicional)

• Tiene una gran flexibilidad de instalación porque permite diferentes tipos de topologías (estrella, línea, árbol, etc.), lo cual facilita el precableado de las instalaciones por zonas así como su ampliación y/o modificación.

• Posee funciones complementarias de diagnostico, que le proporcionan una elevada fiabilidad.

Existe ya una nueva versión, denominada 2.1, que mejora sustancialmente las prestaciones de la versión 1.0 porque eleva el número máximo de nodos a 62 y permite la transmisión de información de variables analógicas convertidas en digitales de un máximo de 12 bits de resolución.

Para controlar la evolución de la red AS-i, así como el cumplimiento de la norma (en sus distintas versiones) por parte de los diferentes fabricantes de dispositivos, se ha creado la denominada asociación AS-i.

Contenido



3.1 Características generales.

3.2 Capa física de la red AS-i

3.3. Capa de enlace de la red AS-i

3.4 Capa de aplicación de la red AS-i

3.5 Componentes de la red AS-i

3.1. Características generales

Al la red AS-i se establecieron los siguientes requisitos generales.

• Comunicación mediante sondeo periódico (Cyclical polling), entre un sistema electrónico de control y un conjunto y un conjunto limitado de dispositivos de campo del tipo todo/nada. (No se considero. De forma explicita, la comunicación entre varios sistemas electrónicos de control).

• Valor máximo del periodo de comunicación de 5m aproximadamente (que es el tiempo de ciclo típico de un autómata programable)

• Canal de comunicación compartido entre las señales de información y la aportación de energía a los dispositivos de campo.

• Protocolo y velocidades de comunicación que proporcionen un comportamiento fiable ante perturbaciones electromagnéticas

• Facilidades de instalación, configuración y programación por personal no especializado en tecnologías de la información.

Para el envió de conjunto de datos y energía por le mismo cable, la red AS-i utiliza un tipio de modulación creada especialmente al efecto, que se denomina APM (acrónimo de Alternating Pulse Modulation). La velocidad de transmisión y el número máximo de nodos de la red AS-i están condicionados por los requisitos relativos a la fiabilidad frente a las perturbaciones electromagnéticas y el valor máximo del periodo de comunicación especificado.

Para realizar la comunicación, mediante sondeo periódico, entre el sistema electrónico de control y los dispositivos de campo, red AS-i utiliza, un mecanismo de acceso al medio del tipo principal/subordinado (master/slave), en el cual el modulo principal (master) consulta periódicamente a los módulos subordinados (slaves) presentes en la red. Estos últimos únicamente acceden al medio como respuesta a una consulta por parte del principal.

3.2. Capa física de la red AS-i

En esta capa se definen el cable de conexión, el método de conexión, la forma de proporcionar alimentación a los distintos elementos de la red y las características de las señales utilizadas para soportar la información.

3.2.1. Cable de conexión AS-i

Como medio de transmisión y alimentación de los nodos de la red AS-i, si se puede utilizar un cable redondo convencional de dos hilos, de 1,5 mm2 cada uno, sin trenzar ni apantallar. No obstante, la norma AS-i define y recomienda la utilización de un cable plano que posee una guía de posicionamiento (DIN VDE 0295, clase 6) y un perfil que impide la inversión de polaridad al realizar la conexión (Figura 3.3).



Figura 3.3 Sección transversal de un cable AS-i.

El cable plano AS-i no esta apantallado, es de color amarillo, y los dos conductores están dispuestos en paralelo dentro del recubrimiento. A través de el se transmiten tanto las señales que soportan la información como la corriente continua de 30 V que se utiliza para alimentar a los dispositivos de campo del sistema, siempre que no consuman en su conjunto mas energía de la que puede suministrar la fuente de alimentación AS-i.. Los hilos del cable plano pueden tener una sección de 0,75 mm2 (para longitudes inferiores de 50m), aunque sus valores típicos son 1,5 o 2,5 mm2.

Se han desarrollado variantes del cable plano AS-i que permiten aprovechar esta tecnología de conexionado para, por ejemplo, suministrar energía a los dispositivos actuadores del sistema que no es posible alimentar directamente por medio del cable plano amarillo. Existe un variante, de color negro, para la alimentación mediante corriente continua a 24V y otra, de color rojo, para la alimentación mediante corriente alterna monofásica a 20 V.

3.2.2 Método de conexión AS-i

El método definido por la norma para la conexión de los diferentes elementos de una red AS-i consiste en la perforación del aislamiento del cable plano AS-i por medio de cuchillas que penetran a través de la cubierta de goma del mismo y establecen el contacto con los dos hilos, lo que hace innecesario cortar o pelar el cable (por lo que a este tipo de conexión se la denomina por perforación de aislamiento o “vampiro”). Figura 3.4.

El aislante posee la propiedad de ser autocicatrizante, es decir, se cierra herméticamente cuando se retira las cuchillas, lo cual facilita la eliminación o el cambio de emplazamiento de los módulos de la red. El aislante proporciona también un grado de sellado IP65, lo que hace que la red AS-i se puede utilizar en ambientes industriales muy exigentes.



Figura 3.4 Conexión de módulos de una red AS-i mediante perforación del cable plano.

3.2.3. Proceso de modulación de la señal

Para elegir el proceso de modulación de la señal mediante la cual se transmite la información se ha tenido en cuenta que:

• La señal de información se superpone con la tensión de alimentación de los dispositivos de campo cuya corriente circula por el cable AS-i. por ello, su valor medio debe ser nulo a fin de no perturbar a la alimentación de los módulos.

• La señal de información ha de tener un ancho de banda limitado a fin de minimizar en lo posible la radiación de interferencias electromagnéticas y evitar el efecto de la atenuación del cable AS-i a as señales de altas frecuencias. Para conseguir un bajo costo y un elevado aprovechamiento del ancho de banda disponible, los mensajes deben ser lo mas simples y eficientes posible.

Por esta y otras razones, la norma AS-i utiliza un proceso específico de modulación de la señal en banda base digital, que se denomina APM (acrónimo de Alternating Pulse Modulation).

La modulación APM utiliza las inductancias integradas en el circuito de desacoplo de la fuente de alimentación AS-i para convertir los impulsos de corriente, que generan los procesadores de comunicaciones AS-i, en impulsos de tensión (Figura 3.5.). Estos impulsos son el resultado final de un tratamiento particular de la señal que incluye:

• Conversión de la información a transmitir codificada en el formato NRZ, al código Manchester diferencial, que es un código autosincronizado en el que existen un flanco en cada bit transmitido, lo cual permite que en el receptor se recupere el reloj del transmisor, y se utilice para introducir en un registro de desplazamiento los datos transmitidos. Además, el valor medio de la señal es constante, independientemente del numero de bits que se envíen de valor “0” o “1”, lo que mejora la calidad en la detección de fallos.

• Una modulación basada en el principio de los impulsos, alternos que suministra una señal de tipo sen2 (t). este tipo de señal, presente en el cable AS-i, permite fundamentalmente eliminar las componentes de alta frecuencia de la señal, de tal modo que AS-i respeta los límites de radiación electromagnética exigidos por la norma EN 5501.



Figura 3.5 Representación esquemática de la modulación APM.

Esta técnica de modulación, junto con las características del cable de comunicación la distancia máxima elegida y las topologías de red utilizables, hacen que la duración de cada bit pueda ser de 6 microsegundos, por los cual la velocidad de transmisión de información en la red de campo AS-i se ha normalizado en 167 Kbits/segundo.

3.3. Capa de enlace de la red AS-i

La capa de enlace de la red AS-i se puede dividir en una subcapa de control de acceso al medio y una subcapa de control lógico que define el formato de los mensajes a través de los cuales intercambian información el procesador de comunicaciones principal y los subordinados.

3.3.1. Control de acceso al medio

Las características de la capa de enlace que se describen a continuación hacen referencia a las especificaciones de la versión 1 de AS-I, por que aunque la versión 2.1 presenta un conjunto de variantes orientadas ha mejorar ciertas prestaciones del sistema (como por ejemplo, ampliar el número de subordinados de 31 a 62), utiliza el mismo principio de funcionamiento.

Según el tipo de control de acceso al medio, la red AS-i es, tal como se indica en la introducción, del tipo principal/subordinado, y en ella solo puede haber un único procesador principal, asociado en general a un sistema electrónico de control, como por ejemplo un Autómata programable.

Tal como se indica en la figura 3.6 (a), el procesador principal se comunica, de forma cíclica y por turno, con todos los procesadores subordinado. En cada ciclo, el procesador principal recibe información sobre el estado de los censores y actualiza la información de los actuadores conectados a cada procesador subordinado. Para ello s produce, entre el procesador de comunicaciones principal y lo subordinados, un intercambio de mensajes de acuerdo con la estructura general de la figura 3.6 (b).



3.3.2. Control lógico

La subcapa de control lógico establece la forma de identificar y parametrizar los procesadores subordinados, el funcionamiento del propio procesador de comunicaciones principal, la estructura de los mensajes utilizados para llevar a cabo las funciones que controlan el intercambio de información entre el procesador de comunicaciones principal y los subordinados, y el formato de las ordenes del protocolo de enlace de la red AS-i.

Figura 3.6 Principio de funcionamiento principal/subordinado en una red AS-i; a) Representación esquemática del proceso de comunicación cíclica.

b) Estructura general de los mensajes.

3.3.2.1. Identificación de subordinados

Todos los módulos subordinados conectables al bus AS-i se definen mediante dos combinaciones binarias de 4 bits, denominadas códigos de entrada/salida (I/O Code) y código de identificación (ID Code), establecidas por la norma que constituyen un perfil AS-i (AS-i profile). El fabricante de un determinado modulo de entrada/salida AS-i debe introducir, dentro del procesador de comunicaciones subordinado, el perfil AS-i correspondiente al tipo de modulo.

El código de entrada/salida del modulo subordinado especifica el tipo de dispositivos de campo conectables a el [entrada (E), salida (S), entrada /salida (E/S) y no utilizado (NU)]. Dicho código es una combinación binaria de 4 bits, correspondientes a los números “0” a “F” en hexadecimal. En la tabla 3.1 se indican los tipos de dispositivos de campo asignados a cada combinación del código de entrada/salida.

El código de identificación de cada modulo subordinado defines su funcionabilidad, es decir, el tipo de sistema conectable a el, como por ejemplo un arrancador de motor, un actuador con realimentación de su actuación (electroválvula con sensor de posición incorporado), etc. Algunos códigos de identificación ya están normalizados por la asociación AS-i (como, por ejemplo, el que deja a la elección del usuario el establecimiento de su funcionabilidad). Cada vez que un fabricante desea definir un nuevo código de identificación para un nuevo tipo funcional de modulo subordinado debe proponerlo a l asociación AS-i para su posible inclusión en la norma.

Además de su perfil, cada modulo subordinado tiene asociada una combinación binaria de 5 bits, que establece su dirección dentro de la red. El fabricante suministra los módulos con la



dirección inicial “0” y el usuario la cambia por la correspondiente a la dirección que dicho modulo debe tener en la aplicación concreta.

I/O Code Bit 1 Bit 2 Bit 3 Bit 4 Perfil E/S 0 E E E E 4E 1 E E E S 3E-1S 2 E E E E/S 3E-1E/S 3 E E S S 2E-2S 4 E E E/S E/S 2E-2E/S 5 E S S S 1E-3S 6 E E/S E/S E/S 1E-3E/S 7 E/S E/S E/S E/S 4E/S 8 S S S S 4S 9 S S S S 1E-3S A S S S S 1E/S-3S B S S E E 2E-2S C S S E/S E/S 2E/S-2S D S E E E 3E-1S E S E/S E/S E/S 3E/S-1S F E/S/NU E/S/NU E/S/NU E/S/NU 4E/S o no

utilizado

Tabla 3.1 Códigos de entrada/salida establecidas por la asociación AS-i.

3.5.2.2. Parametrización de los subordinados

En la norma AS-i esta previsto que se puedan establecer diferentes modos de operación de los dispositivos de campo conectados a la red. Para ello, el procesador de comunicaciones principal puede enviar una combinación binaria de 4 bits, denominada parámetro en la norma (parameter), a cada uno de los subordinados.

Los parámetros son variables que sirven para modificar las características de funcionamiento de un sensor o actuador. Por ejemplo, en el caso de un sensor de medida de distancia basado en ultrasonidos, mediante el parámetro se podría variar su rango de medida.

3.5.2.3. Funcionamiento del procesador de comunicaciones principal

3.3.2.3.1. Funciones básicas

El modulo principal de una red AS-i contiene un procesador de comunicaciones que lleva a cabo las siguientes funciones básicas:

• Inicialización de la red. • Detección e identificación de los módulos subordinados conectados a la misma. • Transmisión de los parámetros de configuración y activación de los subordinados. • Intercambio cíclico de los datos de Entrada/Salida. • Diagnostico o gestión de la red (estado de los procesadores de comunicaciones

subordinados, fallo de alimentación, etc.) • Transmisión de los fallos detectados al sistema electrónico de control al que están

conectados. • Asignación de nuevas direcciones a los módulos subordinados en caso de cambio de

configuración (por ejemplo, sustitución de un modulo AS-i).



Para poder realizar estas acciones, el procesador de comunicaciones, principal es básicamente un procesador digital conectado con el sistema electrónico de control a través de una memoria de acceso aleatorio doble (Dual-Port RAM), figura 3.7. En esta memoria, se sitúan un conjunto de tablas de información, que pueden ser leídas y/o escritas por ambos procesadores de forma independiente, y constituyen la interfaz de aplicación de la red, que se describe en el apartado 3.6 dedicado al análisis de la capa de alimentación. Además el procesador de comunicaciones principal puede poseer un interfaz de configuración para que el usuario modifique algunos de sus parámetros.

Figura 3.7 Diagrama de bloques del procesador de comunicaciones principal de una red AS-i.

3.3.2.3.2. Modos de funcionamiento

El procesador de comunicaciones principal de la red AS-i posee, desde un punto vista conceptual, dos modos de funcionamiento, denominados modo de configuración (configuration mode) y modo protegido (protected mode), que tienen las siguientes características.

Modo de configuración

Se utiliza durante la instalación y puesta en marcha del sistema. En este modo, el procesador de comunicaciones reconoce y dialoga con todos los procesadores de comunicaciones subordinados que están conectados a la red.

Modo protegido

Se utiliza durante la explotación o funcionamiento normal del sistema. Recibe este nombre porque en el, el procesador de comunicaciones solo intercambia información con aquellos módulos que han sido reconocidos por el antes del instante en que se produce el paso del modo de configuración al modo protegido (acción que, por ejemplo, puede realizarse mediante un pulsador especifico dispuesto en el procesador principal). La información relativa a dicho conjunto de módulos se denomina proyecto de red y es almacenada generalmente en una memoria de acceso aleatorio no volátil disponible en el procesador de comunicaciones principal. En este modo de funcionamiento, la red AS-i posee además la capacidad de realizar direccionamiento automático (automatic addressing) de módulos subordinados, también conocidos por los términos ingleses Plug & Play. Dicha capacidad consiste en asignar una dirección, de forma transparente para el usuario, a un único modulo subordinado nuevo en la red que sustituya a otros defectuosos. Esto permite que cuando falla un modulo subordinado, se pueda sustituir por un modulo nuevo equivalente (que posea el mismo perfil) que tenga



dirección nula, esto es, “0” (asignada por defecto en fabrica). En este caso, cuando el procesador principal detecta la circunstancia que se acaba de describir, atribuye de forma automática la dirección y los parámetros del modulo defectuoso situada en la tabla correspondiente, y se le asigna al modulo nuevo.

3.3.2.3.3. Etapas de funcionamiento

Para llevar a cabo las tareas anteriormente indicadas, el procesador de comunicaciones principal ejecuta un programa dividido en etapas, figura 3.8 que describe seguidamente.

Figura 3.8 Etapas de funcionamiento del procesador de comunicaciones principal de una red AS-i.

Etapa de inicialización

El objetivo principal del la etapa de inicialización (reset) es situar los datos correspondientes a las distintas tablas de información en su estado inicial.

Etapa de comienzo de operación

En esta etapa se divide, a su vez, en las fases de detección y activación de los módulos subordinados.

Durante la fase de detección, el procesador principal identifica todos los módulos subordinados conectados a la red y memoriza la dirección y el perfil AS-i (véase apartado 3.3.2.1) de cada uno de ellos.

El comportamiento del procesador principal durante la fase de activación es diferente en cada uno de los dos modos de funcionamiento descritos en el apartado 3.3.2.3.2. en el modo de configuración, se activan todos los subordinados detectados por el bus. En el modo protegido, se activan únicamente los módulos subordinados detectados en el bus que están reflejados en el proyecto de red y que tienen un perfil igual al indicado en la tabla que almacena dicho proyecto.

El comportamiento del procesador principal durante la fase de activación es diferente en cada uno de los dos modos de funcionamiento descritos en el apartado 3.3.2.3.2. En el modo de configuración, se activan todos los subordinados detectados en el bus. En el modo protegido se activan únicamente los módulos subordinados detectados en el bus que están reflejados en el proyecto de red y que tienen un perfil igual al indicado en la tabla que almacena dicho proyecto.

Etapa de funcionamiento cíclico normal



En la etapa de funcionamiento cíclico normal, el procesador principal procede, de forma periódica, el intercambio de información con los procesadores subordinados que hayan satisfecho los requisitos de la fase anterior. Cada ciclo se desarrolla en tres fases, denominadas fase de intercambio de datos, fase de gestión de la red y fase de inclusión de subordinados.

La fase de intercambio de datos corresponde al dialogo que se produce entre el procesador de comunicaciones principal y los subordinados. Durante dicho dialogo, el procesador principal toma los datos de la tabla de imágenes de salidas para actualizar las salidas de cada procesador subordinado y rellena la tabla de imágenes de entrada con la información recibida. Ambas tablas están situadas en la memoria RAM de doble acceso. Cuando no se consigue realizar un intercambio de información con un subordinado durante más de tres ciclos consecutivos, se considera que dicho modulo esta ausente y se elimina de las tablas de subordinados activos y detectados.

Cuando concluye la fase de intercambio de datos, el modulo principal entra en la fase de gestión de la red, en la que se tiene la posibilidad de enviar, aun único modulo subordinado por ciclo, una sola de las siguientes ordenes: escritura de parámetros, lecturas de su configuración de E/S, lectura de sus código de identificación, asignación de su dirección, inicialización, etc.

Finalmente, la fase de inclusión de subordinados permite enviar la orden de lectura de la configuración de E/S de un único procesador subordinado. En el peor de los casos, se tardan 31 ciclos (62 en la versión 2.1) en detectar un nuevo subordinado, que no se activa hasta que transcurren otros tres ciclos mas, ya que son necesarias tres operaciones que se realizan durante la fase de gestión de la red: lectura de la configuración de E/S, lectura del código de identificación y transmisión de los parámetros.

3.3.2.4. Formato de los mensajes

El proceso de comunicación se lleva a cabo mediante el intercambio de información entre el procesador de comunicaciones principal y cada uno de los subordinados a través de mensajes cuyo estructura general se representa en la figura 3.9.

En ella se observa que procesador subordinado responde al principal después de una pausa que dura, como mínimo, tres intervalos de bit. Cuando el procesador principal se encuentra en la etapa de funcionamiento cíclico normal (Figura 3.8), el procesador subordinado puede transmitir la respuesta después de dicho intervalo. En las otras dos fases, necesita una pausa de un máximo de cinco intervalos de bit para la transmisión. El límite de diez intervalos ha sido fijado para poder emplear elementos repetidores AS-i, cuyo sistema electrónico puede realizar el tiempo de transmisión de dichas señales. En todo los casos, si el principal no recibe la respuesta después de 10 intervalos de bit. Considera que el subordinado no responde e inicia la siguiente transacción.

Figura 3.9 Mensajes de la red AS-i: a) Estructura general; b) Formato de los mensajes enviados por el procesador principal y de los subordinados.



La unidad de tiempo para el envió de un bit de información es de seis microsegundo. Por lo tanto, el tiempo de transacción con un subordinado del sistema es, típicamente, de 156 microsegundos.

Todos los mensajes enviados por el equipo principal tienen una longitud fija de 14 bits figura 3.9 (b) y constan de los siguientes elementos:

• 1 bit ST (abreviatura de Start bit) de inicio de mensaje que corresponde al nivel lógico “0”.

• 1 bit CB (acrónimo de Control bit ) de control, que permite diferenciar entre los mensajes de intercambio de parámetros, datos o direcciones (“0”) y los mensajes de envió de ordenes (“1”).

• 5 bits A0 a A4 de direccionamiento (Address bits), mediante los que se determinan la dirección del subordinado al que va dirigido el mensaje.

• 5 bits I0 a I4 de información (Information Bits) que, en función del bit de control, contienen la información que ha de recibir o la orden que ha de ejecutar el subordinado.

• 1 bit PB (acrónimo de Parity Bit) de paridad, que el procesador principal actualiza adecuadamente para que el mensaje se de paridad par (numero par de “1” en el mensaje sin tener en cuenta el bit EB de fin de mensaje).

• 1 bit EB (acrónimo de End Bit) de fin de mensaje, que corresponde al nivel logico “1”.

Por otra parte, los mensajes de respuesta de los subordinados tienen una longitud fija de 7 bits (figura 3.9 (b)) y constan de los siguientes elementos:

• 1 bit ST (abreviatura Start bit) de inicio del mensaje que corresponde al nivel lógico “0”. • 4 bits I0 a I3 de información (Infomation bits) que contienen la respuesta del procesador

subordinado al mensaje recibido. • 1 bit PB (acrónimo de Parity Bit) de paridad, que el procesador subordinado actualiza

adecuadamente para que el mensaje sea de paridad par (numero par de “1” en el mensaje sin tener en cuenta el bit EB de fin de mensaje)

• 1 bit EB (acrónimo de End Bit) de fin de mensaje, corresponde al nivel lógico “1”.

3.3.2.5. Ordenes del protocolo de enlace de la red AS-i

El procesador de comunicaciones principal de la red AS-i puede enviar a los subordinados, mediante los mensajes descritos en el apartado anterior, nueve tipos de ordenes distintas, dos de las cuales hacen referencia a la trasmisión de datos y de parámetros, otras dos se emplean para asignar y/o modificar direcciones de módulos subordinados y las cinco restantes se utilizan para su identificación. A continuación se describe, de forma resumida, cada uno de ellas (en la versión 1.0)

Orden de intercambio de datos

La orden de intercambio de datos (Data Exchange) es la mas utilizada durante el funcionamiento normal de una red AS-i, porque es la que realiza el intercambio de datos de entrada/salida entre el procesador principal y los subordinados.

Para un determinado procesador subordinado (seleccionado mediante los 5 bits de direccionamiento A0 a A4) ejecute esta orden, el procesador principal envía un “0” como valor lógico tanto del bit CB como del bit de información I4 del mensaje e indica, mediante los 4 bits de información restantes (I0 I3), el estado en el que quiere que se pongan sus salidas binarias (4 como máximo). Esta orden no se ejecuta si la dirección del subordinado es la “0”.



La respuesta del subordinado es este caso incluye, en los bits de información (I0 a I3), el estado de las entradas binarias disponibles en el (como máximo 4).

Orden de la escritura de los parámetros

la orden de escritura de los parámetros (Write Parameter), se utiliza para asignar los parámetros (4 bits) de cada procesador subordinado a fin de configurar sus características de funcionamiento (por ejemplo, rango de medida, nivel de sensibilidad, valores del retardo a la activación, etc.)

Para que un determinado procesador subordinado (seleccionando mediante los 5 bits de direccionamiento A0 a A4) ejecute la esta orden, el procesador principal envía un “0” como valor lógico para el bit CB y un “1” para el bit de información I4 del mensaje e indica, mediante los 4 bits de información restantes (I0 a I3), el valor del parámetro de dicho elemento. El valor del parámetro se transfiere al subordinado, y se almacena en una memoria volátil. Por defecto, el valor del parámetro es “F” durante la fase de inicialización del dispositivo. Esta orden no se ejecuta si la dirección del subordinado es la “0”.

La respuesta del subordinado incluye, en este caso, en los 4 bits de información (I0 A I3), el valor de los cuatro bits del parámetro recibido.

Orden de asignación de dirección

La orden de asignación de dirección (Assign Address) se utiliza par que el procesador principal (u otros sistemas electrónicos como, por ejemplo, un equipo de programación de direcciones AS-i) asigne a un procesador subordinado (que posee la dirección “0” asignada inicialmente en fabrica por defecto) la dirección que lo corresponde.

La nueva dirección es valida a partir del momento en el que el subordinado acusa recibo de la orden. El procesador subordinado AS-i almacena esta información en una memoria no volátil (generalmente una memoria no volátil E 2 PROM. (Figura 3.7). La ejecución de esta orden dura un tiempo máximo de 15 milisegundos, y se lleva a cabo durante la fase de inclusión de subordinados (figura 3.8).

Para que un procesador subordinado ejecute esta orden, el procesador principal especifica la dirección “0” en los bits de direccionamiento A0 a A4, envía un “0” como valor lógico del bit CB e indica, mediante los 5 bits de información restantes (I0 a I4), la dirección que desea asignarle.

La respuesta del procesador subordinado incluye en los bits de información (I0 a I3), el valor “0110”=6hes como señal de acuse de recibo.

Orden de inicialización

La orden de inicialización (Reset) se utiliza para colocar los procesadores subordinados en su estado inicial (Software reset) su ejecución dura, como máximo, dos milisegundos.

Para que un determinado procesador subordinado (seleccionado mediante los 5 bits de direccionamiento A0 a A4) ejecute esta orden, el procesador principal envía un “1” como valor lógico del bit CB y del I4 y la combinación “1100”=Chex en los 4 bits de información restantes (I0 a I3).

La respuesta del procesador subordinado incluye en los 4 bits de información (I0 a I3), el valor “0110”=6hex como señal de acuse de recibo.



Orden de supresión de dirección

La orden de supresión de dirección (Delete Address) se utiliza para borrar la dirección de un subordinado y asignarle la dirección “0”, esta nueva dirección pasa a ser la dirección asignada al modulo, y queda almacenada en la memoria volátil del procesador subordinado.

Para modificar la dirección de un procesador subordinado, es necesario utilizar previamente la orden de supresión de dirección, para después asignar la nueva dirección mediante la orden de asignación de dirección. Si la orden de inicialización se ejecuta posteriormente a la orden de supresión de dirección, el modulo recupera su antigua dirección de la memoria no volátil o pasiva E 2 PROM.

Para que el un determinado procesador subordinado (seleccionado mediante los 5 bits de direccionamiento A0 a A4) ejecute esta orden, el procesador principal envía un “1” como valor lógico del bit CB y la combinación “0000”=0hex en los bits (I0 a I4) de información del mensaje.

La respuesta del procesador subordinado incluye en los 4 bits de información (I0 A I3), el valor “0110”= 0hex como señal de acuse de recibo.

Orden de lectura de la configuración de E/S

Mediante la orden de lectura de la configuración de Entrada/Salida (Read I/0 configuration), el procesador principal lee la configuración de entrada/salida (I/O Code) del modulo subordinado seleccionado mediante los bits de direccionamiento A0 a A4.

Para que el procesador subordinado seleccionado ejecute esta orden, el procesador principal envía un “1” como valor lógico del bit CB y del bit I4 y la combinación “0000”= 0hex en los 4 bits restantes.(I0 a I3) de información del mensaje.

La respuesta del subordinado incluye, en este caso, en los 4 bits de información (I0 a I3), el valor de la configuración de entrada/salida (I/O Code) asignada por el fabricante.

Orden de lectura del código de identificación

Mediante la orden de lectura del código de identificación (Read ID Code), el procesador principal lee el código de identificación (ID Code) del modulo subordinado seleccionado mediante los bits de direccionamiento A0 a A4.

Para que el procesador subordinado seleccionado ejecute esta orden, el procesador principal envía un “1” como valor lógico del bit CB y del bit I4 y la combinación “0001”= 1hex en los 4 bits restantes (I0 a I3) de información del mensaje.

La respuesta del subordinado incluye, en este caso, en los 4 bits de información (I0 a I3), el valor del código de identificación (ID Code) asignado por el fabricante.

Orden de lectura de estado

Mediante la orden de lectura de (Read Status), el procesador principal recibe información relativa a su estado general tras la ejecución de una orden de asignación de dirección.

Mediante esta orden, el procesador principal solicita al subordinado seleccionando 4 bits, de información acerca de su estado general. En concreto, mediante dichos bits se indica si se ha grabado correctamente la dirección al ejecutar una orden de asignación de dirección o se han



producido errores (paridad, fin de trama de la comunicación, fallo de lectura de la memoria E 2 PROM al ejecutar una orden de inicialización).

Para que un determinado procesador subordinado seleccionado ejecute esta orden, el procesador principal envía “1” lógico como valor de bit CB y del bit I4 de información y la combinación binaria “1110”=Ehex en los 4 bits restantes (I0 a I3) de información del mensaje.

La respuesta del procesador subordinado incluye, este caso, en los 4 bits de información (I0 a I3), es el valor de los 4 bits de estado indicados anteriormente.

Orden de lectura y puesta a cero de los bits de estado

Mediante la orden de lectura y puesta a cero del estado (Read and Reset Status) el procesadle principal pone a cero los 4 bits de estado del procesador subordinado seleccionado.

Para que un determinado procesador subordinado seleccionado ejecute esta orden, el procesador principal envía un “1” como valor del bit CB y del bit I4 de información y la combinación binaria “1111”=Fhex en los 4 bits restantes (I0 aI3) de información del mensaje.

La respuesta del procesador subordinado incluye, en este caso, en los 4 bits de información (I0 a I3), el valor de los 4 bits de estado antes de que se ejecute su puesta a cero.

3.4 Capa de aplicación de la red AS-i

La capa de aplicación de la red AS-i esta constituida por un conjunto de tablas de información (figura 3.10) compartidas entre el sistema electrónico de control y el procesador de comunicaciones principal a través de la memoria de acceso aleatoria doble situada en este ultimo (figura 3.7). La norma AS-i establece cuatro tipos diferente de tablas que se indican a continuación.

Tablas de datos de usuario

Las tablas de datos de usuarios (user data) almacenan la información que se intercambian entre el sistema electrónico de control y los distintos módulos subordinados de la red AS-i. Entre ellas se encuentran.

• La tabla imagen de entradas, denominada IDI (acrónimo de Input Data Image), que contiene la información del estado de las variables binarias de cada uno de los módulos subordinados. Cuando un determinado modulo subordinado no se encuentra activo en la red, la zona de esta tabla que le corresponde contiene el valor binario “0”.

• La tabla imagen de salidas, denominada ODI (acrónimo de Output Data Image), contienen la información del estado lógico en el que el sistema electrónico de control desea situar las salidas binarias de los módulos subordinados que se encuentran activos.

• La tabla imagen de parámetros, denominado PI (acrónimo de Parameter Image) que contiene los valores de los parámetros que se transfieren, durante la fase de inicialización, a los módulos subordinados de la red.



Figura 3.10 Tablas de información del procesador de comunicaciones principal AS-i.

Tablas de datos de configuración

Las tablas de configuración (Configuration Data) almacenan información relativa al estado de los módulos, subordinados de la red AS-i. Entre ellas se encuentran:

• De tabla imagen de configuración, denominada CDI (acrónimo de Configuration Data Image), que contiene las configuraciones de entrada /salida y los códigos de identificación de todos los módulos subordinados conectados a la red AS-i.

• La lista de subordinados detectados, denominada LDS (acrónimo de List of Detected Slaves), que contiene la lista de direcciones y perfiles de los módulos subordinados que el procesador principal detecta en la red AS-i

• La lista de subordinados activos, denominadas LAS (acrónimo de List of Active Slaves), que contienen la lista de módulos subordinados que han sido detectados y proyectados en una configuración concreta de la red AS-i. son aquellos con los que el equipo principal establece un dialogo efectivo de comunicación en el modo protegido.

Tablas de datos de configuración permanente

La tabla de datos de configuración permanente (permanent configuration data) se almacenan en una memoria no volátil del procesador de comunicaciones principal y representan la configuración de referencia (también denominada proyecto de red) de una red AS-i en modo protegido. El procesador de comunicaciones principal determina los errores que se producen por comparación entre los datos almacenados en estas tablas y la configuración detectada en la red. Entre ellas se encuentran.

• La lista de subordinados proyectados, denominado LPS ( acrónimo de List of Projected Slaves), que contiene la lista de los subordinados que constituyen un determinado proyecto de red AS-i

• La tabla de datos de configuración permanente, denominado PCD (acrónimo de Permanent Configutation Data), que contiene las configuraciones de referencia de los módulos subordinados de un determinado proyecto de red AS-i

• La tabla de parámetros proyectados, denominado PP (acrónimo de “Protected Parameter”), que contiene la información correspondiente al valor de los parámetros (4 bits por modulo subordinado) que el sistema electrónico de control desea enviar a cada uno de los módulos subordinados de un determinado proyecto de red AS-i. los módulos subordinados son activados por el procesador de comunicaciones principal con los parámetros indicados en dicha tabla durante la etapa de inicialización de la red AS-i.



Tabla de indicadores de estado AS-i

La tabla de indicadores de estado de la red AS-i (AS-i flags) indica el estado de ejecución del procesador de comunicaciones principal de la red AS-i y permite monitorizar, de forma sencilla, el funcionamiento de dicha red. Entre otros campos, pertenecen a esta tabla.

• El campo Config_OK, que indica si la configuración de referencia (o proyecto de red AS-i) coincide o no con la configuración detectada.

• El campo LSD. 0, que indica si en la red AS-i se detecta o no un modulo subordinado que posee la dirección 0 (valor predeterminado de fabrica).

• El campo Configuration Active, que indica el modo de operación del procesador de comunicación principal. Cuando este último se encuentra en modo de configuración, este campo tiene el valor “1”, y es “0” cuando se encuentra en modo protegido.

• El campo “APF” (acrónimo de AS-i Power Failure) que indica si se detecta o no un fallo de alimentación en el cable AS-i.

• El campo Data_Exchange_Active, que permite que el sistema electrónico de control le indique al procesador de comunicaciones principal si debe o no realizar el proceso de comunicaciones con los módulos subordinados de la red.

• El campo Auto_Address_Enable, permite que el sistema electrónico de control le indique al procesador de comunicaciones principal, cuando este se encuentra en modo protegido, si debe o no realizar la función de asignación automática de direcciones (descrita en el apartado 3.3.2.3.2).

3.5 Componentes de una red AS-i

En este apartado se describen los diferentes elementos que componen la red AS-i.

3.5.1 fuente de alimentación AS-i

La energía que se debe suministrar a los módulos subordinados de una red AS-i, así como los sensores y actuadores de bajo consumo conectados a ellos, se proporciona mediante el cable AS-i amarillo, a través del cual se realiza también la transferencia de información. La transmisión conjunta de datos y energía hace necesario que la fuente de alimentación disponga de un circuito de desacoplo (figura 3.11) que tenga una elevada impedancia en la banda de frecuencia utilizada para transmitir la información.

La fuente de alimentación AS-i, que puede conectarse en cualquier punto del cable de red, genera una tensión de 30 Vcc sin conexión a tierra y ha de estar protegida contra sobretensiones, cortocircuitos y sobrecarga.

3.5.2 Modulo de conexión

Los módulos de conexión o acoplamiento son las bases a las que se conectan los módulos subordinados (también denominados módulos de entrada/salida). Su misión principal es el establecimiento de la conexión de esto últimos con el cable AS-i amarillo y, opcionalmente, con los cables de alimentación auxiliar. Los módulos de conexión se montan sobre un perfil o carril simétrico normalizado, por abroche o atornillado sobre el mismo.



Figura 3.11 Fuente de alimentación AS-i: a) Diagrama de bloques; b) Implementaciones comerciales con grados de protección IP20 e IP67.

Existen módulos de conexión mediante perforación del aislamiento para el cable plano AS-i (figura 3.12). Para la conexión de cable redondo convencional, existe módulos de bornes con tornillo y prensaestopas del “Pg” (figura 3.12 (b)). También se dispone de módulos que permiten la conexión, por ejemplo, de una fuente de alimentación auxiliar externa.

Figura 3.12 Módulos de conexión: a) Cable plano AS-i; b) Cable redondo.

3.5.3 Módulos de usuario

Cada modulo de usuario o subordinado contiene los circuitos electrónicos de un procesador de comunicaciones subordinado necesario para poder conectar los sensores y actuadores estándar a la red. La norma AS-i define, por ejemplo, una configuración electromecánica de modulo de usuario, de tamaño 45*45*80mm, que posee un grado de sellado IP67 y permite la conexión de un máximo de cuatro sensores/actuadores todo/nada a través de conectores hembra de métrica M12 dispuestos en la parte superior del mismo (figura 3.13a). Dentro de estos módulos, los fabricantes pueden colocar un circuito electrónico que permite la conexión al bus AS-i de las diferentes combinaciones de sensores y actuadores todo/nada indicadas en la tabla 3.1.

Algunos fabricantes también comercializan módulos de usuario con nivel de protección IP20 y conexionado mediante bornes con tornillos para su empleo en armarios (figura 3.13b).



Figura 3.13 Diferentes módulos de usuario de una red AS-i en formato: a) IP67; b) IP20.

En los módulos subordinados, además de los sensores y actuadores todo/nada, se conecta también el cable AS-i y la alimentación eléctrica auxiliar, a través de bornes de tornillo o mediante conectores emparejados con los del modulo de conexión.

El procesador de comunicaciones subordinado del modulo de usuario esta realizado en un circuito integrado de aplicación especifica (ASIC, acrónimo de Application Specific Integrated Circuit), denominado genéricamente Chip AS-i (Figura 3.14), al que se puede conectar un máximo de 4 sensores y 4 actuadores todo/nada.

En el interior del Chip AS-i, o conectado a el, debe existir una memoria no volátil E2PROM, de un mínimo de 5 bits de capacidad, en la que se almacenan la dirección del modulo subordinado correspondiente. A esta dirección el fabricante el asigna el valor de “0”, y es el usuario el que debe modificar su valor al integrar dicho modulo en una red AS-i. Dicha modificación se realiza mediante una orden de asignación de dirección, que puede ser enviada al modulo subordinado por el sistema electrónico de control conectado al procesador principal o por un sistema especializado de diagnostico y direccionamiento (figura 3.15).

De acuerdo con las especificaciones de la norma AS-i, el Chips AS-i también incluye 4 bits de memoria para el parámetro (véase Apartado 3.3.2.2).

Figura 3.14 Circuitos integrados AS-i “A2SI”: a) Diagrama de bloques; b) Placa de circuito impreso para el diseño de subordinados AS-i.



Figura 3.15 Sistema especializado de diagnostico y direccionamiento.

3.5.4 Sensores/Actuadores con circuitos integrado AS-i

Se comercializan también sensores y actuadores inteligentes que además del circuito electrónico correspondiente a la función que realizan, incorporan en su interior el circuito integrado (ASIC) AS-i que implementa las funciones de comunicación de un procesador subordinado, para conectarlos directamente a la red. Entre ellos cabe citar sensores inductivos, finales de carrera, sensores ultrasónicos, botoneras, columnas de señalización, arrancadores de motores, etc. (Figura 3.16).

3.5.5. Modulo principal

Tal como se indica en le apartado 3.3.2.4, modulo principal (AS-i master) contienen un procesador de comunicaciones principal encargado de controlar todas las comunicaciones que se realizan a través del cable AS-i con los módulos subordinados (AS-i Slaves). Además, realiza funciones de diagnostico, como por ejemplo la detección de fallos en módulos subordinados y la detección de falta de alimentación en el bus AS-i, y de configuración, como por ejemplo la Parametrización de los sensores y actuadores, etc.

Cada fabricante comercializa versiones especificas del modulo principal (figura 3.17) para sus equipos electrónicos de control (Autómatas Programables, Sistemas de Control Numérico, Robots, Computadores Industriales, etc.)

Figura 3.16 Diferentes tipos de sensores y actuadotes inteligentes conectables a una red AS-i.

3.5.6. Módulos Pasarela AS-i



En muchas instalaciones es interesante combinar una red AS-i con otros tipos de redes, como por ejemplo PROFIBUS, Interbus, FIPIO, Ethernet, etc. Para ello, se comercializan módulos principales que incorporan los circuitos electrónicos adecuados para convertir la red AS-i en un simple nudo de comunicaciones que realiza las funciones de pasarela (gateway) (figura 3.17).

Entre la red AS-i y otra red de control o datos jerárquicamente superior. Ejemplos típicos de este tipo de soluciones son las pasarelas AS-i/PROFIBUS, AS-i/Interbus, AS-i/FIPIO y AS-i/Ethernet.

Figura 3.17 Procesadores de comunicaciones principales y pasarelas AS-i.



Familia de redes de campo PROFIBUS

Introducción

PROFIBUS (abreviatura Process Field Bus) es un conjunto de rede de control (o buses de campo) diseñados para resolver las necesidades de comunicación de los procesos industriales tanto discretos (denominados procesos de fabricación) como continuos y otros procesos distribuidos, como por ejemplo la automatización de edificios.

Su desarrollo comenzó en el año de 1987, cuando el Ministerio Federal Alemán de Investigación y Desarrollo financio la ejecución de un proyecto de I + D denominado Field Bus en el que trabajaron conjuntamente 13 empresas y 5 institutos de investigación para desarrollar un sistema de comunicaciones industrial versátil, que fue denominado finalmente PROFIBUS. Para diseñarlo se basaron tanto en el modelo de interconexión de sistemas abiertos denominado OSI (acrónimo de Open System Interconnections) de ISO (acrónimo de Internacional Standard Organisation) como en los trabajos del proyecto MAP. En le año 1991, PROFIBUS se convirtió en la norma alemana DIN 19245 y, posteriormente, en las normas europeas EN 50170 y EN 50250 y las internacionales IEC 61158 e IEC 61158-2. se garantiza de esta forma la independencia de PROFIBUS con respecto a los fabricantes de sistemas electrónicos de control así como la interoperabilidad de los sistemas fabricados por diferentes empresas.

Contenido

4.1 Características generales. 4.2 Red PROFIBUS-DP 4.3 Red PROFIBUS-PA 4.4 Red PROFIBUS-FMS 4.5 Principales elementos de una red PROFIBUS 4.6 .Comparación de las redes PROFIBUS y AS-i

4.1. Características generales

Uno de los objetivos iniciales de PROFIBUS fue el de proporcionar una solución adecuada, mediante una única norma, para las comunicaciones de los niveles de proceso, estación y célula (e incluso de los niveles de área y fabrica) de la pirámide de la pirámide CIM. Puede considerarse, por tanto, que PROFIBUS es un sistema de comunicaciones industriales formado por una familia de protocolos compatibles entre si, es decir, que comparten los principales parámetros de las capas física y de enlace del modelo OSI, y se diferencian en el nivel de aplicación. La familia de protocolos PROFIBUS cubre todo el espectro de las redes de control (a diferencia del bus AS-i, que fue diseñado únicamente para el nivel de proceso), e incluso, en determinados casos puede utilizarse como red de datos con capacidad de comunicación determinista.

PROFIBUS posee actualmente tres miembros denominados PROFIBUS-DP, PROFIBUS-PA y PROFIBUS –FMS, cada uno de los cuales satisface, tal como indica la figura 4.1 las necesidades especificas de un determinado nivel de la pirámide CIM. Las principales características de cada miembro son las siguientes.



Figura 4.1 Utilización de la familia de protocolos PROFIBUS.

• Red PROFIBUS-DP. PROFIBUS-DP (Descentralised Periphery) es una red o bus de campo cuyo protocolo esta optimizado para realizar las transferencias de información en el nivel de proceso de la pirámide CIM, que necesita alta velocidad de transmisión y bajo costo. Se diseño, al igual que AS-i para realizar la comunicación entre un sistema de electrónico de control (como, por ejemplo, un autómata programable, un robot, un sistema de control numérico, etc.) y la denominada “periferia distribuida” (Descentralised Periphery), constituida por los dispositivos sensores y actuadores (dispositivos de campo) que se deben conectar a el.

• Red PROFIBUS-PA. PROFIBUS-PA (Process Automation), es una red o bus de campo cuyo protocolo esta optimizado para realizar las transferencias de información necesarias entre los sistemas electrónicos de control y los sistemas de instrumentación utilizados en la industria de los procesos continuos (reguladores de caudal, temperatura, presión, válvulas proporcionales, etc.), que se caracterizan por realizar medidas de variables analógicas y actuar sobre el proceso en función del valor de dicha medida.

Su principal diferencia con PROFIBUS-DP es que la capa física permite su utilización en zonas de seguridad intrínseca (zonas “Es”). Para ello, PROFIBUS-PA posibilita la comunicación de datos (a una velocidad máxima inferior a la de PROFIBUS-DP) y la alimentación de los procesadores de comunicaciones a través de un único par de hilos mediante fuentes de alimentación especiales. En muchas instalaciones se combinan los dispositivos de campo, conectados mediante una red PROFIBUS-DP, con los sistemas de instrumentación, conectados mediante una red PROFIBUS-PA. En este caso, ambas redes se enlazan mediante un acoplador de segmentos DP-PA (DP-PA segment coupler) que constituye un puente (bridge) de comunicaciones (figura 4.19.

• Red PROFIBUS-FMS. PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification) es una red o bus de campo optimizado para realizar las transferencias de información en los niveles de estación, célula e incluso fabrica de la pirámide CIM. Para ello, dispone de un conjunto de funciones [que constituyen un subconjunto de las establecidas por la norma ISO/IEC 9506-1, denominada MMS (acrónimo de Manufacturing Message Specification)] que le proporcionan una gran flexibilidad.

Las principales características de la capa física y de enlace de datos comunes a las tres redes PROFIBUS son las siguientes:



- Capa física. La capa física, denominada PHY (abreviatura de PHYsical layer), establece las características de las señales y de los elementos asociados con ellas que permiten la implementación del canal de comunicaciones. Dichas señales pueden ser eléctricas (de acuerdo con la norma EIA RS-485 o la IEC 1158-2 para zonas de seguridad intrínseca) u ópticas.

- Capa de enlace de datos. La capa de enlace de datos recibe la denominación de FDL (acrónimo de Field Data Link Layer). Para resolver adecuadamente la comunicación tanto entre el sistemas electrónicos de control como entre estos y los dispositivos de campo, el mecanismo de acceso al medio utilizado es el denominado principal/subordinado (Master/Slave) que combina la existencia de un conjunto de procesadores principal de comunicaciones (Masters) con un conjunto de procesadores subordinados de comunicaciones (Slaves) figura 4.2.

Para gestionar el acceso al bus de comunicaciones por parte de los diferentes procesadores principales, se utiliza el mecanismo de acceso al medio denominado de red en bus con paso de testigo (Token Bus), que asegura que, en cada instante, solo un procesador principal tiene el control de la red. En dicho intervalo, todo los demás procesadores principales del sistema están en un estado de espera activa y se comportan como subordinado del que esta en posesión del testigo.

Figura 4.2 Diagrama de bloques de una red PROFIBUS.

En la figura 4.3 se representan la implementación del modelo OSI en la familia PROFIBUS. En ella puede observar que las capas de red, transporte, sesión y presentación no se utilizan. Al igual que en los diferentes buses de campo, sus funciones típicas se trasladan a la capa de aplicación. Esta simplificación del modelo OSI es debida a la eliminación de determinadas funciones, que son más propias de las redes de datos, entre la que cabe destacar a modo de ejemplo [BEND 93]:

- No es posible la segmentación de mensajes de tamaño superior a 235 octetos.

- No es posible el agrupamiento de varios mensajes cortos en uno único largo porque ello comprometería el determinismo (limitación de tiempo máximo que tarda en transferirse una información) del sistema.

- son opcionales otras funciones típicas de la capa de transporte, como por ejemplo los servicios de identificación y protección mediante contraseña.



Figura 4.3 Modelos de capas implementadas en PROFIBUS

El conjunto de redes de la familia PROFIBUS es actualmente uno de los líderes mundiales de las redes de control en los niveles de proceso, estación y célula de la pirámide CIM, y se utiliza en más de 350.000 aplicaciones industriales. La asociación internacional de usuarios de PROFIBUS (Profibus User Organization) tiene catalogado más de 1.900 productos de un total de más de 260 fabricantes diferentes.

A continuación se describen los aspectos más importantes de la capa física, de enlace y de aplicación de cada uno de los tres protocolos.

4.3. Red PROFIBUS-DP

4.3.1. Características generales

Tal como se indica en el apartado anterior PROFIBUS-DP es una red de campo cuyo protocolo esta optimizado para realizar las transferencias de información en el nivel de proceso de la pirámide CIM, que necesitan alta velocidad y bajo costo.

A una red PROFIBUS-DP se pueden conectar tres tipos diferentes de sistemas electrónicos.

• Sistemas electrónicos de control: autómatas programables, sistemas de control numérico, robots, computadoras industriales, etc.

• Sistemas electrónicos especializados, como por ejemplo unidades de programación, paneles de operación, terminales de configuración de dispositivos de campo, etc.

• Sensores y actuadores analógicos y digitales.

Cada uno de estos sistemas implica unas necesidades diferentes de comunicación, que dan lugar en PROFIBU-DP a tres tipos de procesadores de comunicaciones:

• Procesador principal de comunicaciones DPM1 (acrónimo de DP Master Class 1). • Procesador principal de comunicaciones DPM2 (acrónimo de DP Master Class 2). • Procesador subordinado de comunicaciones DPS (acrónimo de DP Slave).

El procesador principal de comunicaciones DPM1 esta asociado a un sistema electrónico de control y realiza el intercambio de información (estado variable de entrada y salida digitales y analógicas) con cada uno de los dispositivos de campo a través de un procesador subordinado de comunicaciones DPS.



El procesador principal de comunicaciones DPM2 esta asociado también a un sistema electrónico de control y realiza la comunicación (por ejemplo, valores de consigna, parámetros de configuración que proporcionan información de su estado interno, variables de diagnostico de funcionamiento, etc.) entre el y el dispositivo de campo complejo (instrumentos reguladores de variables, etc.), a través de un procesador subordinado de comunicaciones DPS.

Tal como se indica en los apartados anteriores, el procesador subordinado de comunicaciones (DPS) no toma iniciativas de comunicación, sino que simplemente responde a las ordenes e informaciones enviadas por los procesadores DPM1 o DPM2.

Mediante la red PROFIBUS-DP, los procesadores de comunicaciones principales (DP Masters) asociados a un sistema electrónico de control realizan cíclicamente la lectura de información de entrada y la actualización de los datos de salida de los dispositivos de campo, conectados a la red a través de procesadores subordinados de comunicaciones (DP Slave). El tiempo de ciclo de este proceso ha de ser menor que el tiempo de ciclo del programa ejecutado en el sistema electrónico de control de proceso, cuyo valor típico en la mayoría de las aplicaciones es de 10ms. por ejemplo, la norma PROFIBUS-DP especifica que, a una velocidad de transmisión de 12 Mbits/segundo, se necesita aproximadamente 1ms para transmitir 512 bits de entrada y 512 bits de salida distribuida en 32 procesadores subordinados de comunicaciones.

La cantidad de información de entrada y salida que cada procesador subordinado de comunicaciones puede intercambiar con un procesador principal de comunicaciones depende del tipo de dispositivos de campo conectados a el. El número máximo de datos que puede intercambiar un procesador subordinado de comunicaciones es de 246 octetos de entrada y 246 octetos de salida.

4.2.2. Capa física de la red PROFIBUS-DP

En esta capa se definen el medio de transmisión y el método de codificación de señales.

4.2.2.1. Medio de transmisión

La transmisión de datos en PROFIBUS se puede realizar mediante señales eléctricas a través de un cable de dos hilos trenzado y apantallado (de acuerdo con la norma EIA-485) o mediante señales ópticas a través de fibra óptica. A continuación se estudian las principales características de cada una de ellas.

Transmisión mediante señales eléctricas (norma EIA RS-485)

Las características principales de la transmisión de datos mediante señales eléctricas de acuerdo con la norma EIA RS-485 son los siguientes:

• Topología. La topología básica es un bus (también llamado bus lineal) que interconecta los distintos procesadores de comunicaciones (principales y subordinadas), y tiene resistencias terminadoras en ambos extremos (Figura 4.4), para minimizar las reflexiones en ellos.



Figura 4.4 Elementos terminadores disponibles en conectores comerciales.

También es posible implementar la red en forma de árbol que contiene varios buses lineales, cada uno de los cuales recibe el nombre de segmento. Los distintos buses lineales o segmentos se conectan mediante repetidores.

• Medio físico. El cable utilizado es un par de cobre trenzado y apantallado, con diferentes tipos de recubrimiento en función de las características del ambiente (nivel de perturbaciones recibidas y emitidas, etc.) en el que se instale la red.

El blindaje de los cables es una medida eficaz contra perturbaciones en las señales, pero se debe hacer correctamente. En particular, en redes de grandes distancias y velocidades de transmisión, todas las pantallas deben estar unidas; pero la unión a masa debe ser efectuada solamente en un punto, puesto que diversas uniones a masa pueden generar flujos de corriente debido a los potenciales diferentes existentes en los distintos puntos de conexión.

• Características de la señal. En la norma EIA RS-485, la información se representa mediante la polaridad de la tensión entre los dos hilos del cable de conexión (señales diferenciales). Esto hace que la velocidad de transmisión pueda ser elevada, incluso en ambientes con un alto nivel de interferencia electromagnética.

• Velocidad de transmisión. La velocidad de transmisión en un bus lineal esta comprendida entre 9,6 Kbits/segundo y 12 Mbits/segundo, en función de la distancia máxima existente entre los procesadores de comunicaciones. En el caso de redes en árbol, que utilizan repetidores, la velocidad máxima es de 1,5 Mbits/segundo. Dado que la velocidad es única en todo el sistema, uno de los procesadores principales de comunicaciones suele establecerla y el resto la detecta y se autoconfigura.

• Distancias de transmisión. La distancia máxima alcanzable en un bus lineal (sin repetidores) es de 100 metros a 12 Mbits/segundo y de 1.200 metros a velocidades inferiores a 93,75 Kbits/segundo.

• Numero de procesadores de comunicaciones. El numero máximo de procesadores de comunicaciones (aunque se suele denominar estaciones, en este texto no se utiliza esa denominación para no confundirla con el nivel de estación pirámide CIM) en un bus lineal es de 32. mediante la utilización de repetidores, se puede alcanzar el valor máximo de 127 procesadores de comunicaciones.

• Método de conexión. La norma recomienda el empleo del conector Sub-D de nueve terminales (figura 4.5.), que se utiliza también en otras interfaces normalizadas, como por ejemplo la EIA RS-232 (típica de los puertos serie de los computadores personales).



Figura 4.5. Asignación de terminales del conector Sub-D de 9 terminales. Diferentes versiones comerciales de conectores PROFIBUS.

Transmisión mediante señales ópticas

La fibra óptica se utiliza en PROFIBUS-DP para elevar la distancia de transmisión y asegurar la comunicación fiable en ambientes industriales en los que existen elevados niveles de interferencias electromagnéticas. Sus características más importantes son las siguientes:

• Topología. La tecnología óptica permite crear redes PROFIBUS con topologías de anillo y estrella tanto en configuraciones redundantes como no redundantes

• Medio físico. Se puede utilizar tanto fibra óptica de plástico, con señales de longitud de onda de 660 nanómetros, como de cristal con señales de longitud de onda comprendidas entre los 800 y 1500 nanómetros.

• Velocidad de transmisión. Se alcanzan velocidades comprendidas entre 9,6 Kbits/segundo y 12 Mbits/segundo.

• Distancia de transmisión. La distancia máxima alcanzable es de aproximadamente 15 kilómetros de longitud.

• Numero de procesadores de comunicaciones. El numero máximo de procesadores de comunicaciones es de 127.para ampliar una red PROFIBUS implementada en fibra óptica es necesario utilizar repetidores complejos, que eleven su costo (figura 4.6). esto hace que normalmente la fibra óptica se combine con el cable eléctrico. Por ejemplo, se utiliza este ultimo en el interior de las plantas industriales y las fibra óptica para conectar las plantas industriales entre si.

Figura 4.6. Fibras ópticas de plástico o cristal y elementos para la interconexión de dispositivos mediante una red PROFIBUS óptica.

4.2.2.2. Método de codificación de las señales

La codificación utilizada para la transmisión de los bits de información es la denominada NRZ (acrónimo de Non Return to Zero) y utilizada en el modo de sincronización asíncrono. En ella, el bit esta determinado por el nivel “0” o “1” de la señal durante un tiempo que coincide con el periodo del reloj utilizado para realizar la comunicación (Figura 4.7).



Figura 4.7. Sistema de codificación NRZ.

4.2.3 Capa de enlace de la red PROFIBUS-DP

En la terminología de las redes de campo PROFIBUS, a la capa de enlace se la conoce como capa FDL (acrónimo de Fieldbus Data Link). Esta capa se puede dividir en una subcapa de control de acceso al medio y una subcapa de control lógico que define el formato de los mensajes a través de los cuales intercambian información los procesadores principales y subordinados.

4.2.3.1 Control de acceso al medio

Tal como se indica en el apartado 4.1, de acuerdo con el tipo de control de acceso al medio utilizado, las redes PROFIBUS son del tipo principal/subordinado y poseen dos tipos de procesadores de comunicaciones.

• Los procesadores principales de comunicaciones (también, denominados estaciones principales) pueden enviar y solicitar datos, por iniciativa propias, a los restantes procesadores de comunicaciones de la red.

• Los procesadores subordinados de comunicaciones (también denominados estaciones subordinadas) solo pueden enviar datos a través de la red cuando lo autoriza el procesador principal de comunicaciones que esta activo en un instante determinado.

La elección entre un procesador principal o uno subordinado para conectar a la red un sistema electrónico depende de las características de este ultimo. En general, se conectan a un procesador principal los sistemas electrónicos de control que poseen un cierto nivel de capacidad de proceso de información (como por ejemplo autómatas programables, sistemas de control numérico, robots, etc.). Por el contrario, tanto los dispositivos de campo sencillos (sensores y actuadores todo/nada y analógicos) como otros mas “inteligentes” [módulos o interfaces de control de motores, convertidores de frecuencia, codificadores de posición (encoders), etc] se conectan a la red PROFIBUS mediante procesadores subordinados. En determinados casos, un sistema electrónico de control se puede conectar a un procesador de comunicaciones que, mediante, acciones de configuración, puede comportarse como principal o como subordinados.

Para evitar que más de un procesador principal de comunicaciones acceda al medio de transmisión compartido en un determinado instante, PROFIBUS-DP utiliza un mecanismo de control de acceso al medio conocido como paso de testigo en bus (token bus) Figura 4.8. Cada procesador principal solo puede enviar información cuando recibe un mensaje especial, denominado testigo (token). Se dice que, en ese intervalo de tiempo, el procesador principal esta activo.

0 0 0 1 1 1 Datos



Figura 4.8 Representación grafica del mecanismo de control de acceso al medio mediante paso de testigo en bus utilizado en las redes de la familia PROFIBUS.

La posesión y circulación del testigo entre todos los procesadores principales de comunicación se gestiona de acuerdo con las siguientes reglas básicas.

• El testigo se desplaza automáticamente de un procesador principal al siguiente en el orden ascendente de direccionamiento de los procesadores principales de comunicaciones de la red.

• La transmisión del testigo se efectúa según un anillo lógico, es decir, el procesador principal cuya dirección es la mas elevada, reenvía el testigo al procesador principal cuya dirección es la mas baja.

• Cada procesador principal memoriza la dirección del siguiente procesador principal de comunicaciones al que debe enviar el testigo. Para permitir la inclusión de nuevos procesadores principales en la red, cada procesador realiza periódicamente un sondeo para comprobar si se ha introducido o no un nuevo procesador principal cuya dirección este comprendida entre la suya y la del procesador principal que actualmente es el siguiente en la lista de procesadores principales. En caso afirmativo, actualiza la dirección del siguiente y le cede al testigo inmediatamente.

El ciclo de rotación del testigo dura en PROFIBUS un tiempo predeterminado, especificado mediante el parámetro TRT (acrónimo de Token-Rotation-Time). Su valor no debe ser rebasado incluso cuando hay que transmitir un gran volumen y por ello la red PROFIBUS-DP funciona de acuerdo con las siguientes especificaciones:

• Las conexiones lógicas que se realizan entre los diferentes procesadores de comunicaciones pueden ser de prioridad alta o baja. La prioridad influye sobre el tratamiento de los mensajes que se emiten a través de la conexión considerada.

• cada procesador principal mide continuamente el intervalo de tiempo TRR (abreviatura de Real Token-Rotation-Time).durante el cual no esta en posesión del testigo.

• cuando un procesador principal de comunicaciones recibe el testigo calcula la diferencia entre el valor de TRT y el de TRR y obtiene el tiempo TRT- TRR, durante el cual puede mantener el testigo y lleva a cabo una de las dos acciones siguientes:

- Si TRT- TRR, es mayor que cero, ejecuta una a una todas la ordenes de comunicación pendientes (en primer lugar las de alta prioridad y a continuación la de baja prioridad) hasta que la diferencia entre TRT- TRR, se anula. En el caso de que en ese instante queden ordenes de comunicación pendientes, no las ejecuta hasta el siguiente ciclo de testigo. Si las órdenes pendientes se agotan antes de anularse el valor TRT- TRR, se envía en ese instante el testigo al procesador de comunicaciones siguiente.

- Si TRT- TRR es negativa o nulo, solo se envía la orden de alta prioridad mas antigua.



Con el fin de dar una idea de la complejidad funcional de la capa de enlace FDL, se enumeran a continuación los principales parámetros que tienen que ser establecidos obligatoriamente al diseñar una red de comunicaciones PROFIBUS-DP.

• Dirección de los procesadores de comunicación. La dirección TS (acrónimo de This Station) es un parámetro específico de cada procesador de comunicaciones que sirve para identificarlo, es decir, distinguirlo de los demás. su rango esta comprendido entre 0 y 126, y se reserva el valor 127 para mensajes de difusión a todos los procesadores de la red (difusión total) (broadcast) o a un conjunto de ellos (difusión parcial) (multicast).

• Velocidad de transmisión. La velocidad de transmisión (Baud_Rate) se mide en Kbits/segundo y su valor, que ha de ser el mismo para todos los procesadores de comunicaciones de la red, puede variar entre 9,6 y 12.00. el tiempo necesario para transmitir bit de información (bit time) es el inverso de su valor (tbit = 1/Baud_Rate).

• Redundancia del medio de comunicaciones. La redundancia del medio (Médium_Red) es un parámetro que vale 0 o 1 según disponga, o no, de un medio de comunicación adicional.

• Intervalo de confirmación de recepción. El intervalo de confirmación de recepción TSL (abreviatura de Slot Time) es el intervalo de tiempo durante el cual el procesador principal activo espera que el procesador al que le envió el mensaje le confirme su recepción. cuando se sobrepasa este valor, el procesador principal reintenta o no la transmisión del mensaje en función del parámetro denominado “numero máximo de reintentos” (max_retry_limit), descrito mas adelante. su valor es le mismo para todos los procesadores principales de comunicaciones de la red y puede estar comprendida entre 1 y 65.535 intervalos de bit (bit time).

• Mínimo tiempo de retardo. El mínimo tiempo de retardo “min TSDR” (abreviatura de Minimun Station Delay Time) es el mínimo tiempo que debe esperar el procesador de comunicaciones destinatario de un mensaje para enviar la confirmación de recepción al procesador principal. su valor es el mismo para todos los procesadores principales de la red y puede estar comprendido entre 1 y 65.535 intervalos de bit.

• Máximo tiempo de retardo. El máximo tiempo de retardo “max TSDR” (abreviatura de Maximun Station Delay Time) es el máximo tiempo que debe esperar cada procesador de comunicaciones que emite un mensaje antes de enviar otro nuevo. este parámetro debe ser igual en todos los procesadores de comunicaciones y su valor puede estar comprendido entre 1 y 65.535 intervalos de bit.

• Tiempo de espera de recepción. El tiempo de espera de recepción TQUI (abreviatura de QUIet Time) es el tiempo que un procesador de comunicaciones debe esperar, tras enviar un mensaje para desinhibir su circuito receptor. su valor es el mismo para todos los procesadores de la red y puede estar comprendido entre 1 y 65.535 intervalos de bit.

• Tiempo de espera de transmisión. El tiempo de espera de transmisión TSET

(abreviatura de SETup time) es el mínimo tiempo que de debe transcurrir entre la confirmación de la recepción de un mensaje y el envió de otro nuevo por parte del procesador de comunicaciones. su valor es el mismo para todos los procesadores principales de la red y esta comprendido entre 1 y 255 intervalos de bit.

• Tiempo de rotación de testigo. El tiempo de rotación de testigo TRT (abreviatura de Target Rotation Time) es el tiempo establecido para que el testigo circule a través de todos los procesadores principales de comunicaciones de la red que constituye un anillo lógico. su valor es el mismo para todos ellos y ha de estar comprendido entre 1 y 16.777.215 intervalos de bit.

• Factor de actualización. el factor de actualización G (abreviatura de Gap Update factor) es un numero entero, comprendido ente 1 y 100, idéntico para todos los procesadores principales de comunicación, por el cual se multiplica el valor de TTR para obtener el tiempo que debe transcurrir para que un procesador principal de comunicaciones del anillo realice sucesivas búsquedas de nuevos procesadores



principales de comunicaciones comprendidas entre su dirección y la del siguiente, a fin de detectar si existe un nuevo procesador principal de comunicaciones en dicho rango de direcciones que debe ser incluido en el anillo lógico.

• Tipo de procesador de comunicaciones. El tipo de procesador de comunicaciones (in_ring_desired) es una variable binaria que indica si es principal o subordinada. este parámetro es especifico de cada procesador de comunicaciones y su valor puede ser 0 o1.

• Dirección más alta de los procesadores principales de comunicaciones. La dirección HSA (acronimo de Hight Station Address) especifica la dirección más amplia que puede tener los procesadores principales de comunicaciones de una determinada red. su valor esta comprendida entre 2 y 126.

• Numero máximo de reintentos. El número máximo de reintentos (max_retry_limit) especifica el número máximo de veces que un procesador principal de comunicaciones vuelve a enviar un mensaje cuando no recibe la confirmación de recepción por parte del destinatario. su valor es el mismo para todos los procesadores principales de comunicaciones y esta comprendida entre 1 (valor recomendado) y 8.

4.2.3.2 Control lógico

4.2.3.2.1 Formato de los mensajes

PROFIBUS-DP utiliza el modo de sincronización asíncrono, denominado así porque el emisor y el receptor poseen relojes independientes. Debido a ello el procesador de comunicaciones que lo implementa se lo denomina UART (acrónimo de Universal Asynchronus Receiver Transmitter).

La unidad mínima de información transmitida en una red PROFIBUS-DP es un carácter (figura 4.9), formado por 9 bits (8 bits de datos y 1 de paridad), precedido de un 1 bit de inicio ST (abreviatura de Start Bit) que tiene nivel bajo (0 lógico) y de un bit de fin de transmisión SP (abreviatura de Stop Bit) que tiene nivel alto (1 lógico).

Figura 4.9 Estructura de un carácter de una red PROFIBUS.

Los caracteres se agrupan para formar paquetes de información, denominados mensajes, que comienzan con un octeto de inicio SD (acrónimo de Start Delimiter) y acaban con un octeto de finalización ED (acrónimo de End Delimiter). Todos los mensajes poseen los siguientes campos.

• Dirección del destinatario, denominada DA (acrónimo de Destination Address). • Dirección del emisor, denominado SA (acrónimo de Source Address). • Carácter de control del mensaje, denominado FC (acrónimo de Frame Control). • Estructura de comprobación del mensaje, denominado FCS (acrónimo de Frame Check

Structure).

Existen tres tipos de mensajes (Figura 4.10), que se diferencian por el valor del octeto SD:

- Mensaje sin datos. Es el mensaje mas corto posible, porque carece de campos reservados para el envió de datos.



- Mensaje con datos de longitud fija. este tipo de mensajes permite el envió de 8 caracteres de datos entre el carácter FC y el FCS.

- Mensaje con datos de longitud variable. Este tipo de mensaje se caracteriza por poseer los campos LE y LEr (abreviatura LEngth byte) con los que se especifica el numero de caracteres de datos incluidos en el mensaje, que puede variar entre 1 y 246 caracteres.

Figura 4.10 Estructura de los mensajes de la red PROFIBUS

Entre dos mensajes (secuencia de caracteres) transmitidos, es necesario respetar un tiempo de espera, definido en la norma PROFIBUS-DP con el nombre de Idle Time. Dicho tiempo se caracteriza por al presencia de un “1” lógico en la red de comunicaciones, y su duración mínima ha de ser la equivalente al envió de tres caracteres, que equivalen a 33 periodos de bit.

4.2.3.2.2. Servicio de transferencia de datos

Además de controlar el acceso al medio y el tiempo de rotación del testigo, la capa FDL proporciona un conjunto de servicios de transferencia de datos que son utilizados por la capa de aplicación de las tres redes de la familia PROFIBUS.

Los servicios de transferencia de datos pueden ser acíclicos o cíclicos. Como su nombre indica, la comunicación acíclica se realiza de forma no periódica, mientras que la cíclica se repite periódicamente.

Servicios acíclicos

La capa FDL proporciona los tres servicios acíclicos de transferencia de datos siguientes (figura 4.11):



Figura 4.11 Servicio de comunicaciones disponibles en la capa FDL de PROFIBUS.

• Servicio SDA. El servicio SDA (abreviatura de Send Data with Acknowledge) es un servicio básico mediante el cual el procesador principal de comunicaciones, que tiene en un determinado instante el derecho de acceso al medio (esta en posesión del testigo), envía un mensaje a otro procesador de comunicaciones y debe recibir inmediatamente la confirmación, que puede ir acompañada de un conjunto de datos adicionales que este ultimo desea enviar al procesador principal.

• Servicio SDN. el servicio SDN (abreviatura de Send Data with No acknowledge) se utiliza principalmente en mensajes de difusión que un procesador principal de comunicaciones envía a varios o a todos los demás procesadores de la red, razón por la cual no recibe confirmación. Esta forma de actuar del servicio SDN es importante para el funcionamiento en tiempo real de la red PROFIBUS, y se denomina de respuesta inmediatamente.

• Servicio SRD. El servicio SRD (acrónimo de Send and Request Data) lo utiliza un procesador principal para enviar datos a otro procesador determinado, y además, solicitar datos de el. Mediante este servicio, un procesador principal puede solicitar únicamente datos de otro procesador para lo cual le envía un mensaje vació (sin datos).

Servicios cíclicos

Se utilizan para llevar a cabo las comunicaciones en algunas aplicaciones industriales en las que se debe transmitir información periódicamente. El ejemplo mas típico es el del autómata programable que debe, en cada ciclo de entrada/salida, recibir información de los distintos sensores y enviar información a los actuadotes.

ROFIBUS-DP proporciona la posibilidad de almacenar una lista de consulta (denominada Poll List) en cada procesador principal de comunicaciones y utilizar el servicio acíclico para llevar a cabo una consulta cíclica de los procesadores incluidos en la misma. Esto hace que el sistema electrónico de control quede descargado de las tareas de comunicación cíclica y que el proceso de comunicación se realice de forma mas eficiente. Este servicio cíclico se denomina CSRD (acrónimo de Cyclic Send and Request Data with reply) (figura 4.11).

4.2.3.2.3 Funcionamiento de los procesadores de comunicaciones

Procesador subordinado de comunicaciones

Para llevar a cabo todas las tareas indicadas en los apartados anteriores, cada procesador subordinado de comunicaciones debe seguir un diagrama de estados como el indicado en la figura 4.12.



Figura 4.12. Diagrama de estados de un procesador subordinado de comunicaciones.

Tras recibir alimentación (Power On) o una orden de inicialización (Reset), los procesadores subordinados de comunicaciones entran en la etapa de inicialización (Offline), en la que realizan una autocomprobación interna, y a través de los recursos configuración disponibles (como por ejemplo, interruptores, líneas de comunicación punto a punto, etc.) reciben la información correspondiente a los distintos parámetros de la comunicación (como, por ejemplo, la velocidad de transmisión, la dirección, etc.) para, finalmente, conectarse al medio de transmisión.

A continuación entran en la etapa de espera de ordenes (Passive_Idle), ultima de la secuencia, en la que escuchan el canal de comunicaciones y, en el caso de que reciban una orden realizan las acciones oportunas (lectura de variables de entrada, activación de variables de salida , cambio de parámetros , etc.) y envían las respuestas adecuadas; excepto en mensajes dirigidos a todo ellos [difusión total o simplemente difusión (Broadcast)] o a un conjunto de los mismos [difusión parcial (Multicast)].

Procesador principal de comunicaciones

Para llevar todas las tareas indicadas en los apartados anteriores, todo procesador principal de comunicaciones debe seguir un diagrama de estados como el indicado en la figura 4.13

Figura 4,13 Diagrama de estados del programa controlador de la capa FDL de PROFIBUS.

Tras la etapa de inicialización (Offline), el procesador principal pasa al estado de “Escucha del testigo” (Listen_Token) en el que observa el canal de comunicaciones para detectar el instante en que aparece en el mensaje que le permite transmitir información a través de la red. Cuando un procesador principal esta en este estado, recoge todos los mensajes de traspaso de testigo que circulan por la red y recopila la denominada lista de procesadores principales de comunicaciones activos LAS (acrónimo de List of Active Stations) a partir de las direcciones contenidas en los citados mensajes.

Inicialización Escucha del

testigo

Espera activa Utilización del

testigo

Petición de testigo

Espera pasiva

Comprobación de traspaso de

testigo

Espera de Datos de respuesta

Comprobación del tiempo de

acceso

Espera de respuesta de estados

Traspaso de testigo

Puesta en tensión



Tras la recopilación de la citada lista, cada procesador de comunicaciones principal espera a ser diseccionado por el procesador de comunicaciones que posee la dirección que los precede en el anillo lógico. Dicho direccionamiento se produce mediante un mensaje denominado “Petición de estado FDL” (Request FDL Status), que lo invita a formar parte del anillo lógico. En ese instante, el procesador correspondiente reconoce el mensaje, envía una respuesta del tipo “Preparado para trabajar en anillo” (Ready for the Ring) y pasa al estado conocido como “Espera activa” (Active_Idle). De este modo, el procesador entra “oficialmente” en el anillo de procesadores principales activos, es decir, que pueden controlar la red en un determinado instante.

Una vez que un procesador principal se encuentra en el estado “Espera activa” y mientras no recibe un mensaje de traspaso de testigo, pasa periódicamente por el subastado de “Espera pasiva” (Passive idle), en el que se comporta como subordinado del procesador principal que esta en posesión del testigo en ese instante y puede recibir mensajes procedentes de el.

Cuando un procesador principal activo recibe el mensaje de traspaso de testigo, pasa al estado “Utilización del testigo” (Use_Token), que es el estado en el que posee el derecho de acceso al medio de comunicación (todos los demás procesadores activos están en el estado de “Espera activa” (Active_Idle). Dicho estado se divide en dos subestados:

• El subastado denominado “Comprobación de tiempo de acceso” (Check _Acces_Time) en el que comprueba el tiempo de testigo que le queda, y ejecuta ciclos de intercambio de mensajes a través de la red.

• El subestado “Espera de datos de respuesta” (Await_Data_Response) al cual pasa durante un cierto tiempo si el mensaje enviado implica una respuesta.

• El procesador principal que posee el testigo en un determinado instante puede ejecutar ciclos de envió de mensaje mientras dure el intervalo de tiempo de mantenimiento de testigo. Cuando finaliza dicho intervalo de tiempo, pasa al estado de “Traspaso de testigo” (Pass_Token), en el que traspasa el testigo al siguiente procesador principal de comunicaciones activo de la red. El traspaso del testigo se monitoriza en el estado “Comprobación de traspaso de testigo” (Check_Token_Pass)

En le caso de que no exista un sucesor conocido, el procesador pasa al estado “Espera de respuesta de estado” (Await_Status_Response). A partir de ese instante espera un cierto tiempo por un mensaje de reconocimiento, y si no lo recibe o el que recibe es incorrecto pasa de nuevo al estado de “Traspaso de testigo”. Si ocurre un error, el procesador pasa al estado “Escucha del testigo” (Listen_Token) e informa de ello a la capa de FMA (acrónimo de Fieldbus Management Administration). Por el contrario, en el caso normal (es decir, después de pasar el testigo sin que se produzca un error) el procesador principal de comunicaciones pasa al estado “Espera activa” hasta que vuelve a recibir el testigo.

Si un procesador principal de comunicaciones activo no recibe el mensaje de testigo durante un largo periodo de tiempo, pasa al estado “Petición de testigo” (Claim_Token), en el que intenta inicializar (si nunca ha estado en posesión del testigo hasta ese momento) o reinicializar (si ya lo ha poseído) el anillo lógico. En el ultimo caso, la lista de procesadores principales de comunicaciones (LAS) continua siendo valida.

4.2.3.2.4. Tratamiento de los errores de transmisión

Dado que se pueden generar errores de transmisión (por causas como la existencia de transmisores defectuosos en la red, la presencia de tierras con alta impedancia, reflexiones de la señal, etc.), y aunque el transmisor/receptor asíncrono denominado UART (acrónimo de Universal Asynchronus Receiver-Transmitter), que forma parte de cada procesador principal, detecta algunos errores típicos, como por ejemplo errores en el bloque de información [bit de



fin de transmisión (stop) de un carácter no reconocido] o de rebasamiento (overrun) (mezcla de un carácter con el siguiente), PROFIBUS utiliza un mecanismo de seguridad en los mensajes que da lugar a un código de Hamming [BLAK 01] que posee una distancia mínima de 4 [MAND 98] y por ello permite detectar y corregir un error de un bit en un carácter, y detectar (aunque no corregir) errores de dos bits.

Dicha distancia se logra mediante la inclusión, en cada mensaje PROFIBUS, del campo FCS (Frame Check Sequence), equivale al bit de paridad de los caracteres en el ámbito de los mensajes, y se genera haciendo la suma, sin acarreo, de los caracteres transmitidos. Además puesto que los campos SD y ED no se incluyen en esta suma, su distancia de Hamming en relación con los demás campos del mensaje es 5. En la práctica PROFIBUS no utiliza la posibilidad de corrección de errores y, cuando se detecta un error en un mensaje, se procede a su eliminación y se repite la transmisión.

4.2.4. Capa de aplicación de la red PROFIBUS-DP

La capa de aplicación PROFIBUS-DP utiliza los servicios proporcionados por las capas físicas y de enlace, a través de una interfaz de programación de la aplicación API (acronimo de Application Programming Interface), fácil de utilizar, denominada DDLM (acronimo de Direct Data Link Mapper).

La mayor parte de las transferencias de información entre los procesadores principales y los subordinados se hacen, en PROFIBUS-DP, de forma cíclica, aunque también se utilizan funciones de comunicación acíclica que permiten, por ejemplo, el intercambio de mensajes de alarma, configuración y diagnostico de los dispositivos de campo.

Funciones de diagnostico

Las funciones de diagnostico de PROFIBUS-DP permiten la rápida localización de fallos del sistema. Los mensajes de diagnostico son enviados a la red por los procesadores subordinados y recibidos por principal. Estos mensajes se dividen en tres categorías:

• Mensajes de diagnostico relacionados con los procesadores subordinados de comunicaciones. Son mensajes que hacen referencia al estado operativo general de los módulos asociados con los procesadores subordinados de comunicaciones, como, por ejemplo, exceso de temperatura, caída del nivel de tensión de alimentación, etc.

• Mensajes de diagnostico relacionados con módulos de interfaz. Indica un fallo en una determinada gama de módulos de entrada/salida (por ejemplo, un modulo de 8 canales de entradas de información en binario natural) asociados por un procesado subordinado de comunicaciones.

• Mensajes de diagnostico relacionados con los canales. Indican errores producidos en un determinado canal de entrada/salida de una asociada a un procesador subordinado de comunicaciones (por ejemplo, cortocircuitos en el Terminal 7 de un determinado modulo de salida).

Descripción y configuración de una red PROFIBUS-DP

La red de campo PROFIBUS-DP permite enlazar un máximo de 126 procesadores subordinados de comunicaciones con uno o más procesadores principales de comunicaciones. La descripción de la configuración del sistema consiste en determinar:

• El numero de procesadores subordinados de comunicaciones asociados a cada uno de los procesadores principales de comunicaciones.



• La relación entre las direcciones de los procesadores principales de comunicaciones y el espacio de direccionamiento de entrada/salida.

• El formato de los mensajes de diagnostico y los parámetros de red utilizados.

El modo de direccionamiento de los bloques de datos de los módulos asociados con un procesador subordinado de comunicaciones presupone que son modulares en su concepción física o que pueden ser estructurados virtualmente en unidades lógicas (módulos). Este modelo es el utilizado en las funciones DP básicas para la transmisión de datos cíclicos, en la que cada modulo tiene un numero constante de octetos de entrada y/o salida que se transmiten en una posición fija de los mensajes de transferencia de información. El direccionamiento esta basado en indicadores que, juntos, componen una configuración del procesador subordinado de comunicaciones. Este modelo se utiliza también para los servicios acíclicos. Se considerada que todos los bloques de datos desinhibidos (habilitados) para proceder a su lectura o escritura pertenecen a los módulos y se pueden direccionar mediante los valores denominados puesto de conexión (slot) e índice (index).

Cuando se utilizan los dispositivos modulares, el numero de puesto de conexión asignado a cada modulo comienza por el numero 1 (el 0 se reserva para el propio dispositivo de comunicación) y continua de forma consecutiva en orden creciente. Los dispositivos compactos son tratados como una unidad de un modulo virtual.

Los mejores tiempos de ciclo de una red PROFIBUS-DP se consiguen cuando solo hay un procesador principal de comunicaciones activo (Mono Master) durante la fase de explotación del sistema. En una red que tiene varios procesadores principales de comunicaciones (Multi Master), cada procesador principal de comunicaciones constituye un subsistema independiente formado por el mismo y por los procesadores subordinados de comunicaciones con los que esta asociada.

Las entradas y salidas gestionadas por cada procesador subordinado de comunicaciones pueden ser consultadas por todos los procesadores principales de comunicaciones de la red PROFIBUS-DP, pero solo uno de ellos (el establecido por la configuración global del sistema) puede modificar y controlar los valores de las salidas de cada modulo subordinado.

La norma PROFIBUS-DP incluye una descripción detallada del comportamiento del sistema, que esta determinado principalmente por el estado operativo de los procesadores principales de comunicaciones DPM1, que pueden ser controlados, a su vez, localmente o a través de la red, por medio de los procesadores principales de comunicaciones DPM2. Los procesadores principales de comunicaciones DPM1 pueden estar en tres estados:

• Estado de paro (Stop). en este estado, no se produce ningún flujo de información entre el procesador de comunicaciones DPM1 y lo subordinados DPS con los que esta asociado.

• Estado inicial (Clear). En este estado, los procesadores de comunicaciones DPM1 leen la información de las entradas de los subordinados DPS y mantienen las salidas en el estado predeterminado en la fase de configuración, que es conocido como estado seguro ante fallos (Fail Safe), en el que normalmente todas las salidas están en nivel cero.

• Estado operativo (Operate).en este estado los procesadores principales de comunicaciones DPM1 están en la fase de transferencia de datos y llevan a cabo una comunicación de datos cíclica, en la que reciben el valor de las variables de entrada y transmiten el nivel que deben tener las variables de salida.

Los procesadores principales de comunicaciones DPM1 envían, de forma cíclica, la información del estado en que se encuentran a todos los subordinados DPS que tienen a su



cargo, a través de una orden de tipo difusión parcial (multicast), durante un intervalo de tiempo configurable.

La reacción de un sistema ante un error producido durante la fase de transferencia de datos de los procesadores de comunicaciones DPM1 la determina el parámetro de configuración conocido como autoinicialización (Auto Clear). Si este parámetro toma el valor lógico uno, cada procesador de comunicaciones DPM1 pone las salidas de todos los subordinados DPS dependientes de el en el estado definido como seguro ante fallos (Fail Safe). De esta forma, se hace que dichos subordinados dejen de estar disponibles para transmitir datos y los procesadores principales de comunicaciones pasan automáticamente al estado inicial (Clear). Si este parámetro toma el valor lógico “0”, los procesadores principales de comunicaciones permanecen en el estado operativo (Operate) y ha de ser el operador o programa de aplicación del sistema de control los que establezcan la forma en que debe reaccionar el sistema.

La transmisión de datos entre los DPM1 y sus respectivos subordinados DPS se ejecuta, de forma automática, mediante un mensaje predefinido. Durante la configuración inicial del sistema, el operador atribuye a cada subordinado un procesador principal DPM1 y define cuales son los subordinados que han de ser incluidos o excluidos de la transmisión de datos cíclica. La transmisión de datos entre los procesadores de comunicaciones DPM1 y los subordinados DPS se divide en tres fases que son la parametrización, la configuración y el intercambio de datos.

Durante las fases de configuración y parametrización, cada subordinado DPS compara su configuración real con la que fue configurada en el procesador principal de comunicaciones DPM1. Solo se incluye el subordinado DPS, durante la fase de transferencia de datos, si el tipo de dispositivo, el formato y la especificación de la información, así como el numero de entradas y salidas corresponden a la configuración programada. Esta verificación proporciona al operador de la red PROFIBUS-DP una protección adicional contra errores de configuración del sistema.

Además de la transferencia de datos relacionados con cada procesador subordinado de comunicaciones, el procesador principal de comunicaciones puede enviar ordenes de control a un único subordinado, a un grupo o a todos ellos de forma simultanea [mediante ordenes de tipo difusión parcial (Multicast)]. En este grupo se encuentran funciones que permiten la utilización de modos de sincronismo (Sync Modes) y congelación (Freeze modes) para sincronizar eventos producidos en los procesadores subordinados de comunicaciones DPS.

Los procesadores subordinados de comunicaciones comienzan el modo de sincronismo para las salidas cuando reciben la orden de sincronismo (Sync) enviada por el procesador principal de comunicaciones que tienen asociado. En ese instante, mantienen fijas en su estado actual las salidas de todos los módulos de salida. En las transferencias de datos posteriores, los datos de las salidas se almacenan en los procesadores subordinados de comunicaciones, pero los estados de las salidas permanecen inalterados hasta que se recibe una nueva orden de sincronismo, instante en el que las salidas se ponen en los valores establecidos en la ultima transferencia de información. Este modo de funcionamiento puede ser anulado mediante la orden de anulación de la sincronización (UnSync).

De forma similar, una orden de congelación (Freeze) hace que los procesadores subordinados direccionados asuman este modo de operación síncrona en el que el estado de las entradas se mantiene fijo en el valor que tienen en el instante en el que la reciben. Los datos de entrada no se actualizan hasta que el procesador principal de comunicaciones envía una nueva orden de congelación. Este modo de funcionamiento puede ser anulado mediante la orden de descongelación (UnFreeze).



En lo que respecta a la seguridad y fiabilidad del sistema los procesadores principales de comunicaciones DPM1 controlan, de forma permanente, la transmisión cíclica de datos mediante un temporizador denominado temporizador de control de datos (Data_Control_Timer), cuya salida se activa cuando la transmisión de datos no se produce durante el intervalo de tiempo predeterminado. Si en ese instante esta activada la variable de reacción automática ante la presencia de un error (Auto Clear), el sistema principal abandona el estado operativo, pone las salidas de todos los módulos de entrada y salida asociados con los procesadores de comunicaciones subordinados en el estado seguro y pasa al estado inicial (Clear).

Los procesadores subordinados se comunicaciones deben disponer, por su parte, de un circuito de vigilancia o perro guardián (Watchdog), encargado de detectar los fallos que se produzcan en su procesador principal de comunicaciones y de tomar decisiones oportunas. En general, cuando un procesador subordinado de comunicaciones no recibe información procedente del procesador principal de comunicaciones asociado, con el durante un periodo de tiempo predeterminado, pone en el estado seguro (Fail Safe), automáticamente, y de forma autónoma, las salidas de los módulos conectados a el.

La protección de acceso es necesaria para las entradas y salidas de los elementos subordinados DPS que operan en una red que tiene varios procesadores principales de comunicaciones (Multi Master). Esto asegura que el acceso directo a los datos de entrada/salida solo puede ser realizado por el procesador principal de comunicaciones que posea la autorización necesaria para ello. Los procesadores subordinados ponen a disposición de los demás procesadores principales de la red una copia de sus entradas y salidas, para que puedan ser leídas por cualquiera de ellos.

Las funciones DP ampliadas (DP Extended Functions), cuya implementación es opcional de acuerdo a la norma, permiten la lectura y escritura acíclicas de parámetros de los procesadores subordinados de comunicaciones. Mediante estas funciones, PROFIBUS-DP satisface las exigencias de los dispositivos periféricos complejos que frecuentemente tienen que ser parametrizados durante su operación. Ejemplos típicos son los dispositivos de campo utilizados en la automatización de procesos continuos, como por ejemplo los convertidores de frecuencia. Si se los compara con los valores que se intercambian cíclicamente, estos parámetros varían con una frecuencia relativamente baja y, por ello, su transmisión se efectúa con un nivel de prioridad bajo.

Las características principales de cada procesador subordinado de comunicaciones DPS y de cada procesador principal de comunicaciones DPM1 tienen que ser documentadas por el fabricante en forma de una hoja de datos y un archivo de base de datos, denominado GSD (acrónimo alemán de Device Database), cuya estructura, contenido y codificación están normalizados. Esto permite configurar cualquier sistema de control distribuido basado en PROFIBUS, de una manera sencilla, mediante los programas de configuración puestos a disposición del diseñador por el fabricante. (Figura 4.14). La organización internacional de usuarios (Profibus User Organization) establece y proporciona la información que debe aportar el fabricante de todo dispositivo certificado.



Figura 4.14 Programa de configuración fuera de línea, de una red PROFIBUS-DP.

4.3 Red PROFIBUS-PA

El protocolo de aplicación de la red PROFIBUS-PA (acrónimo de Process Automation) cumple los requisitos exigidos para llevar a cabo las transferencias de información en el nivel de proceso de la pirámide CIM de la industria de procesos continuos.

Las comunicaciones de este nivel se basan en los servicios definidos para los procesadores principales de comunicaciones DPM1 del protocolo PROFIBUS-DP, y constituyen un sistema de comunicación independiente que se puede integrar en una red PROFIBUS-DP jerárquicamente superior.

El ámbito de aplicación de la red PROFIBUS-PA exige que, además de tiempos de respuesta determinista en las comunicaciones con los dispositivos de campo, posea el siguiente conjunto de características.

• Técnicas de comunicación intrínseca segura. • Alimentación de los dispositivos de campo a través del propio medio de comunicación. • Transmisión de datos muy fiables. • Interoperabilidad de los dispositivos de diferentes fabricantes.

Los aspectos relacionados con la seguridad intrínseca y la alimentación a través del medio de comunicación no fueron tenidos en cuenta en las primeras versiones de la red PROFIBUS. Posteriormente, y tras la aprobación, en octubre de 1994, de la norma IEC 61158-2, en la que se define a nivel internacional una nueva técnica de transmisión adecuada para este ámbito, se desarrollaron y publicaron en marzo de 1995, las especificaciones de PROFIBUS-PA relacionados con los citados aspectos.

PROFIBUS-PA permite, en el área de la automatización de procesos, la conexión de los sistemas electrónicos de control del proceso con los dispositivos de campo, y reemplaza a los tradicionales sistemas de transmisión de información analógica mediante el bucle de corriente de 4 a 20 mA.

Aparte de las características particulares de la capa física que utiliza PROFIBUS-PA, las restantes características de las comunicaciones en los niveles de enlace y aplicación son muy similares a las de PROFIBUS-DP.



En la capa física de PROFIBUS-PA, se utiliza en general la conexión normalizada RS-485 y en zonas que requieren seguridad intrínseca, la variante definida en la norma IEC 61158-2, cuya velocidad de transmisión es de 31.25 Kbits/segundo en modo tensión (para mas información sobre las características de este protocolo de la capa física se recomienda consultar la norma correspondiente IEC 00).

La comunicación de acuerdo con la norma IEC 61158-2 satisface las exigencias de las industrias químicas y petroquímicas, para lo cual incorpora seguridad intrínseca y permite que la alimentación de los dispositivos de campo se realice a través de la propia red de comunicaciones. Para ello utiliza un protocolo síncrono a nivel de bit, con transmisión continúa esta basada en los siguientes principios:

• Cada segmento dispone solo de una fuente de alimentación (Power suplí unit) que limita tanto la corriente como la tensión.

• Los dispositivos conectados a al red no se alimentan cuando un procesador de comunicaciones esta enviando información.

• Todos los dispositivos de campo consumen una corriente de base constante en estado estacionario.

• Los dispositivos de campo se comportan como sumideros de corriente. • Se deben colocar componentes pasivos consistentes en una red RC en ambos

extremos de la línea principal de la red. • Se pueden utilizar topologías en forma de bus lineal, estrella y anillo. • Permite la realización de segmentos de red redundantes para aumentar la fiabilidad del

sistema de comunicaciones.

Los sistemas de control de procesos, control de operaciones y dispositivos de monitorización están normalmente localizados en las salas de control de la planta (zonas no intrínsecamente seguras) mientras que los procesadores principales de comunicaciones encargados de gestionar una red PROFIBUS-PA operan siempre en la zona no intrínsecamente segura. Por ello es necesario utilizar adaptadores de segmento (segment couplers) que convierten las señales RS-485 a IEC 61158-2. Los adaptadores de segmento (DP/PA Adapter) constituyen, desde el punto de vista de la comunicación, un puente (Bridge) que se coloca entre la red PROFIBUS-DP y la PROFIBUS-PA y se encarga tanto de adaptar las capas de aplicación de ambas como de alimentar los dispositivos de campo conectados a esta ultima (Figura 4.15). También realiza funciones de aislamiento galvánico entre ambas redes, generalmente mediante optoacopladores. Desde el punto de vista de la red PROBIFUS-DP, el adaptador de segmento se comporta como un procesador subordinado de comunicaciones que se encarga de gestionar los elementos de la zona PA y, desde el punto de vista de la red PROFIBUS-PA, constituye un procesador principal de comunicaciones que puede comunicarse con un máximo de 32 procesadores principales de comunicaciones o dispositivos de campo inteligentes. Este numero también esta limitado por el tipo de protección contra explosiones que se necesite. Cuando se utilizan redes intrínsecamente seguras, tanto la tensión máxima como la corriente máxima aportada por la fuente de alimentación están especificadas dentro de unos límites perfectamente definidos que se indican en la tabla 4.1.

Para la transmisión en las áreas intrínsecamente seguras, se debe utilizar un cable, preferentemente blindado, de dos hilos de cobre. Cuando se conecta a la red PROFIBUS-PA un procesador de comunicaciones con la polaridad invertida, no se produce ninguna interferencia en su funcionamiento. No obstante, la norma recomienda que los elementos conectados a la red estén equipados con sistemas de reconocimiento automático de polaridad.

Tipo Área de Fuente de Corriente Potencia Numero de



aplicación tensión máxima máxima procesadores de comunicaciones

I EEx ia/ib IIC 13,5 V 110mA 1,8 W 8 II EEx ib IIC 13,5 V 110mA 1,8 W 8 III EEx ib IIB 13,5 V 250mA 4,2 W 22 IV No EEx 24 V 500mA 12 W 34

Tabla 4.1. Limites eléctricos de una red PROFIBUS-PA en función del nivel de seguridad exigido (para dispositivos subordinados con un consumo < 10 mA).

Figura 4.15 Configuración típica de una red de control, realizada con la familia de redes PROFIBUS, que posee un segmento en el que se utiliza la red PROFIBUS-PA.

4.5 Red PROFIBUS-FMS

La red PROFIBUS-FMS (acrónimo de Fieldbus Message Specification) utiliza el mismo protocolo a nivel físico y de enlace de datos que la red PROFIBUS-DP y su protocolo a nivel de aplicación esta orientado a los requisitos exigidos para llevar a cabo la comunicación entré los sistemas electrónicos de control de los niveles de estación, célula e incluso fabrica de la pirámide CIM.

La capa de aplicación de PROFIBUS-FMS se especifico originalmente en la segunda parte de la norma alemana DIN 19245 y se divide en dos secciones denominadas FMS (acrónimo de Fieldbus Message Specification) y LLI (acrónimo de Lower Layer Interface) (figura 4.16). FMS describe los objetos de comunicación, los servicios de aplicación y los modelos resultantes desde el punto de vista de cada perfil de comunicaciones y LLI, por su parte, sirve para adaptar las funciones de aplicación a las diferentes características del nivel FDL.

Un proceso de aplicación incluye todos los programas, recursos y tareas que no están asignadas a una capa de comunicación. El modelo de comunicaciones PROFIBUS permite la unificación de los sistemas de control de procesos distribuidos en un único proceso global y para ello utiliza unos canales lógicos de comunicación denominados relaciones de comunicación CR (acrónimo de Communication Relationships).

La parte de un proceso de control distribuido desarrollada en un dispositivo que se puede conectar a una red PROFIBUS-FMS se denomina dispositivo virtual de campo VFD (acrónimo de Virtual Field Device). Todos los objetos de un dispositivo real que pueden ser intercomunicados (variables, programas, rango de datos, etc.) se denominan objetos de comunicación CO (acrónimo de Comunications Objects) y forman parte del VFD. La asociación



de las funciones del VFD en un dispositivo real lo realiza la denominada interfaz de la capa de aplicación ALI (acrónimo de Application Layer Interface) (figura 4.16).

Figura 4.16 Estructura de la capa de aplicación de red PROFIBUS-FMS.

Todos los objetos de comunicación CO de un procesador de comunicaciones PROFIBUS se introducen en su diccionario local de objetos OD (acrónimo de Object Dictionary). En los dispositivos simples (por ejemplo, los sensores todo-nada), el OD puede estar predefinido, pero en dispositivos mas complejos (como por ejemplo, un modulo de control de un servomotor), puede ser configurable e inicializado, de manera local o remota, durante la fase de configuración del sistema. Este diccionario contiene la descripción, estructura y tipos de los datos, así como la dirección física de los objetos de comunicaciones del dispositivo, referenciada por medio de un índice (Index) y/o un nombre (Name).

El diccionario de objetos PROFIBUS-FMS consta de los siguientes subdiccionarios de objetos (que solo se implementan si los dispositivos soportan las funciones correspondientes)

• Encabezado (OD Header). Contiene información acerca de la estructura del propio diccionario de objetos. Se referencia por medio del índice 0.

• Lista de tipos de datos estáticos (Statics List of Type). Contiene la lista de los tipos de datos estáticos que se utilizan en lel dispositivo virtual. (Tabla 4.2). entre los tipos de datos predefinidos en PROFIBUS se encuentran: boolean, integer, unsigned, floating pont, octect string, date, time of day, bit strip, etc. A partir de ellos, es posible definir tipos de datos derivados más complejos, como por ejemplo matrices, estructuras, etc.

• Diccionario de objetos estáticos (Tabla 4.3) (Static Object Dictionary). Contiene todos los objetos de comunicación estáticos del dispositivo.

• Lista dinámica de las listas de variables (Dynamic List of Varible Lists). Es opcional y contiene el listado actual de todas las listas de variables conocidas.

• Lista dinámica de invocación de programas (Dynamic List of Program Invocation). Es opcional y contiene el listado de todos los programas conocidos.

Índice Código de objeto

Significado

1 DTyP Integer 8

Capas PHY y FDL

Lower Layer Interface (LLI)

Asociación a asociación a servicios FDL servicios FMS

Field Message Specification (FMS)

Codificación Interpretación

Aplication Layer Interface (ALI)

Servicios de Gestión de Servicios de Petición objetos recepción

Proceso de usuario



2 DTyP Integer 16 3 DTyP Integer 32 4 Zero No proyectado 5 DTyP Boolean 6 DTyP Floating Point 7 DTyP Integer 16 (grados

celsius

Tabla 4.2 Lista de tipos de datos estáticos.

Índice Código de objeto Índice de tipo

-- Dirección interna Símbolo

100 Var 3 -- 3000H “NumPiezas” 101 Var 5 -- 3002H “EnServicio” 102 Var 7 -- 3004H “TemAgua” -- -- -- -- -- --

Tabla 4.3. Diccionarios de objetos estáticos de un dispositivo virtual en PROFIBUS-FMS.

Los objetos estáticos de comunicación se deben definir en el diccionario de objetos estáticos, y se utilizan principalmente para realizar la comunicación en el área de proceso. Pueden consistir en variables simples, vectores, matrices, registros, dominios (zonas de memoria especificas del dispositivo) y eventos.

Los objetos dinámicos de comunicación se deben introducir en la parte dinámica del diccionario de objetos. También pueden estar predefinidos, pero la más habitual es que el programa desarrollado por el usuario los cree, borre o modifique dinámicamente durante la fase de definición y de operación del sistema. Además de los tipos de datos indicados anteriormente, PROFIBUS-FMS soporta los siguientes objetos dinámicos de comunicación:

• Invocación del programa (Program Invocation). Consiste, por lo general, en una lista de índices con los dominios definidos en el diccionario estático.

• Lista de variables (Variable List). Es una secuencia agrupada de variables sencillas, vectores, matrices o registros.

El método de direccionamiento lógico mediante un índice es el mejor para acceder a los objetos de comunicación de un sistema. El índice (Index) consiste en un número de 16 bits sin signo, que hace referencia de forma implícita a un determinado objeto de comunicación de cada sistema. Para ello, se asigna un índice en el OD a cada uno de los objetos de comunicación.

Todos los dispositivos conectados a una red PROFIBUS-FMS deben soportar, al menos, el método de direccionamiento logia, pero PROFIBUS-FMS permite aplicar otros métodos de direccionamiento opcionales para aplicaciones especiales:

• Direccionamiento simbólico. Es el nombre lógico (Symbolic Name) del objeto de comunicación a cuya información s desea acceder a través de la red de comunicaciones.

• Direccionamiento físico. Es cualquier posición física de la memoria del dispositivo de campo a ala que se puede acceder mediante los servicios de lectura (PhysRead) y escritura (PhysWrite) físicas.



La comunicación con los procesos de aplicación de otros procesadores principales de comunicaciones de la red se realiza a través de canales lógicos denominados, como se indica al principio de este apartado, relaciones de comunicaciones CR. Las características de cada canal tienen que ser definidas en la fase de diseño o configuración del dispositivo e introducidas en su lista de relaciones de comunicación CRL (acrónimo de Comunication Relationship List) (Tabla 4.4).

Indice SSAP RADDR RSAP TYPE -- 1 5 20 4 MSCY -- 2 5 21 4 MSCY -- -- -- -- -- -- --

Tabla 4.4. Tabla de relaciones de comunicaciones (CRL) de un procesador principal de comunicaciones PROFIBUS-FMS.

Un procesador principal de comunicaciones puede disponer de un máximo de 63 relaciones de comunicaciones cada una de las cuales se referencia mediante un numero que solo se utiliza internamente. El índice 0 se reserva para almacenar la cabecera del CRL, que contiene información general, como por ejemplo el tamaño de la tabla. Entre los campos mas importantes que se almacenan en cada una de las posiciones de la CRL para cada relación de comunicación, destacan:

• SSAP (acrónimo de Source Service Access Point). Es un índice que identifica al denominado punto de acceso de servicio SAP (Service Acces Point), que se utiliza para comunicarse por medio de esta relación. En PROFIBUS, pueden usarse valores de SAP comprendidos entre 1 y 63. el valor 1 esta reservado para funciones administrativas y el 63 para el envió de mensajes del tipo “difusión total” (Broadcast).

• RADR (abreviatura de Remote address). Dirección PROFIBUS del procesador de comunicaciones FMS con la que este dispositivo se puede comunicar a través de dicha relación.

• RSAP (acrónimo de Remote Service Access Point). Es un índice que identifica el punto de acceso utilizado en un modulo remoto para atender las peticiones enviadas a través de esta relación.

• Tipo de relación. Las relaciones se pueden clasificar, en función del tipo de procesador de comunicaciones involucrado y de las características de la comunicación, en los siguiente tipos:

- MSAC (abreviatura de Master-Slave Acyclic). Relación correspondiente a las comunicaciones acíclicas entre un dispositivo principal y un subordinado FMS.

- MSAC_SI (abreviatura de Master-Slave Acyclic with Slave Initiative). Relación correspondiente a las comunicaciones acíclicas entre un dispositivo principal y un subordinado FMS en las que, en un momento dado, el subordinado puede tomar la iniciativa de la comunicación.

- MMAC (abreviatura de Maste –Master Acyclic). Relación correspondiente a las comunicaciones no cíclicas entre dos dispositivos principales en FMS.

- MSCY (abreviatura de Maste –Slave Cyclic). Relación correspondiente a las comunicaciones cíclicas entre un dispositivo principal y un subordinado.



- MSCY_SI (abreviatura Master–Slave Cyclic with Slave Initiative). Relación correspondiente a las comunicaciones cíclicas entre un procesador principal y otro subordinado en las que, en un momento dado, el subordinado puede tomar la iniciativa.

- MULT (abreviatura de MULTicast). Relación correspondiente a las comunicaciones no orientadas a la conexión, a través de las cuales es posible comunicarse de forma simultanea con varios dispositivos de la red FMS.

- BRCT (abreviatura de BRoadCasT). Relación correspondiente a las comunicaciones no orientadas a la conexión, a través de las cuales es posible comunicarse de forma simultanea con todos los dispositivos de una red FMS.

Desde el punto de vista del programa desarrollado por el usuario, el nivel FMS se comporta como un proveedor de servicios de aplicación (Tabla 4.5). La ejecución de los servicios se describe mediante los servicios primarios definidos por la norma. Un servicio primario representa una interacción entre un sistema solicitante de un servicio y el dispositivo encargado de responder. Estos servicios primarios del nivel FMS pueden ser clasificados, a su vez en los siguientes grupos:

• Servicios de administración de contexto (Context Management Service). Permiten el establecimiento y finalización de las conexiones lógicas, así como el rechazo de servicios inadmisibles. Son servicios de este grupo los denominados Initiate, Terminate y Reject.

• Servicios de acceso de variables (Variable Access Service). Permiten el acceso a variables sencillas, registros, matrices y listas de variables. Entre ellos están Read, Write, PhysRead, PhysWrite.

• Servicios de administración de dominio (Domain Management Service). Permiten la transmisión a través de la red de la información contenida en extensas áreas de memoria. La aplicación divide los datos a enviar en varios segmentos para su transmisión. Son servicios de este grupo los denominados Download Service.

• Servicios de administración de invocación de programas (Program Invocation Management Service). Permiten controlar la ejecución de programas. En este grupo se encuentran servicios como Start, Stop, Resume, Hill, etc.

• Servicio de administración de eventos (Event ,Management Service). Hacen posible la transmisión de mensajes de alarma. Este servicio sin confirmación, denominado Event Notification, puede transmitirse, a través de relaciones de comunicaciones de tipo BRCT o MULT, con alta o baja prioridad.

• Servicio de soporte de VFD (VFD Support Service). Permiten obtener el estado e identificación de un dispositivo del sistema. Son servicios de este grupo Status, Unsolicites Status e Identify.

• Servicios de administración del diccionario de objetos (OD Management Service). Permiten la lectura o escritura del diccionario del objetos del sistema. Pertenecen a este grupo InitiatePutOD, TerminatePutOD, etc.



Servicios obligatorios Servicios opcionales Initiate: establecimiento de conexiones

Terminate: finalización de conexiones

Reject: rechazo de un servicio incorrecto

Status: petición del estado del dispositivo

Identify: lectura del numero de identificación

GetOD: lectura de diccionario de objetos

Read: lectura de un valor

Write: escritura de un valor

PhysRead: lectura de un valor por direccionamiento físico

PhysWrite: escritura de un valor por direccionamiento físico

Information Report: transmisión y recepción de tramas

Download Services: transmisión de bloques de datos

Tabla 4.5. Principales servicios de aplicación de una red PROFIBUS-FMS.

El gran número de servicios de aplicación disponibles en PROFIBUS-FMS permite satisfacer los requisitos exigidos para establecer las comunicaciones entre los equipos utilizados en la mayor parte de los niveles de la pirámide CIM. Sin embargo, la norma solo obliga a implantar una pequeña parte de los servicios de aplicación. La selección de mas servicios en un determinado dispositivo depende de su aplicación especifica o perfil de aplicación (Application profile).

En este apartado se omite explícitamente la especificación de las funciones realizadas por la capa LLI, porque en general no son relevantes para el usuario de una red PRO FIBUS-FMS.

Por otra parte, la capa denominada FMA (abreviatura de Fieldbus MAnagement layer) se orienta al desarrollo de las funciones de puesta en marcha y mantenimiento del sistema de comunicación. Los servicios de este nivel permiten, por ejemplo, inicializar la tabla CRL del sistema, acceder a parámetros y contadores estadísticos del nivel de enlace, recibir eventos de fallo en las comunicaciones, enviar órdenes de reinicialización del sistema de comunicaciones, etc. Por lo general, se reserva el índice 1 de la tabla de relaciones de comunicación de los procesadores de comunicaciones para poder acceder, de forma remota, a esta información desde otros sistemas conectados a la red.

4.5. Principales elementos de una red PROFIBUS

En las redes PROFIBUS se puede utilizar distintos elementos que se describen a continuación.

4.5.1. Unidades de entrada-salida remota

Las redes PROFIBUS-DP y PROFIBUS-PA facilitan la comunicación entre los dispositivos sensores y actuadores que forman parte del nivel de proceso de la pirámide CIM, y los controladores del nivel jerárquico superior. Por esta razón, se comercializan unidades de variables de entrada/salida remota (periferia descentralizada) que están formadas por un modulo subordinado de comunicaciones (PROFIBUS Slave), que contiene un procesador subordinado de comunicaciones, y un conjunto de módulos de entrada/salida tanto digitales como analógicos, que intercambian información, a través de el, con los sistemas electrónicos



de control encargados de coordinar su operación (autómatas programables, robots, etc.) (Figura 4.17).

Figura 4.17. Módulos comerciales de periferia descentralizada PROFIBUS-DP en ejecuciones IP 20 e IP67.

Para implementar el procesador subordinado de comunicaciones, diversos fabricantes ha desarrollado circuitos integrados de aplicación específica (ASIC) que proporcionan las funciones básicas de comunicación de los protocolos PROFIBUS-DP y PROFIBUS-PA (Figura 4.18).

Figura 4.18. Circuitos ASIC que desarrollan la función de comunicación de elementos subordinados PROFIBUS-DP.

4.5.2. Sensores/actuadores con recursos de comunicación PROFIBUS integrados

Mediante los circuitos integrados de aplicación específica (ASIC) indicados en el apartado anterior se han desarrollado sensores y actuadores inteligentes que se conectan directamente a una red PROFIBUS DP o AP. entre ellos se pueden citar codificadores angulares absolutos, medidores de distancia del tipo láser, dispositivos de identificación, cámaras digitales, convertidores de frecuencia, modulo de control de servomotores, caudalimetros masivos, válvulas proporcionales, etc. (Figura 4.19).



Figura 4.19 Sensores y actuadores inteligentes conectables a una red PROFIBUS-DP.

4.5.3. Módulos principales PROFIBUS

El elemento principal de una red PROFIBUS-DP o PROFIBUS-PA es un procesador principal de comunicaciones que se encarga de controlar las comunicaciones, fundamentalmente de entrada/salida remotas y los sensores inteligentes que le hayan sido asignados en la red (Figura 4.20).

Figura 4.20 Procesadores de comunicaciones PROFIBUS para diversos sistemas electrónicos de control industrial.

Por ser una red de sensores-actuadores de elevada capacidad funcional, PRFIBUS-DP constituye un sistema de comunicaciones “multiprincipal” (Multimaster) que permite conectar más de un procesador principal de comunicaciones (PROFIBUS Master) en una misma red física. Gracias a ello, mediante redes PROFIBUS DP y PA se puede implementar tanto sistemas de control distribuido en los que varios sistemas electrónicos de control se comunican con dispositivos de entrada/salida compartidos, como otros en los que cada uno de los sistemas electrónicos de control gestiona un subconjunto de dispositivos de campo diferentes.

Sin embargo, estas dos variantes han sido diseñadas para cada procesador principal de comunicaciones de la red PROFIBUS se comunique únicamente con procesadores subordinados de comunicaciones, de forma que para poder establecer, en este contexto, comunicación entre dos sistemas electrónicos de control es necesario que al menos uno de ellos se comporte, desde el punto de vista de la comunicación, como un elemento subordinado del otro. Existen productos comerciales que incorporan, en un mismo modulo principal, tanto la capacidad funcional de un elemento principal de la red como la de un subordinado, lo que permite que el sistema electrónico de control al que esta asociado disponga de ambas capacidades y que aumente así su espectro operacional con los restantes dispositivos de red.

La red PROFIBUS-FMS esta, tal como se indica en el apartado anterior, orientada a facilitar las comunicaciones en los niveles de estación y célula de la pirámide CIM, y para ello permite que un procesador principal de comunicaciones intercambie información tanto con los subordinados



como los procesadores principales de la red a la que pertenece. En este caso, las relaciones de comunicación se establecen por medio de un modelo de descripción orientado a objetos, en el que cada dispositivo se comporta como un VFD (acrónimo de Virtual Field Device) que hace visible un conjunto de objetos de comunicación, catalogado por medio de un OD (acrónimo de Object Dictionary), en el que se modela la monitorización, control y gestión de su comportamiento funcional.

Desde el punto de vista del nivel de aplicación, los procesadores de comunicaciones de una red PROFIBUS pueden llegar a proporcionar conjuntamente interfaces para toda la familia de redes PROFIBUS, tanto en lo que se refiere a los procesadores de comunicaciones principales como en lo que respecta a los subordinados. A modo de ejemplo, cabe indicar que un único procesador multiprotocolo puede comportarse, de forma simultanea, como un procesador principal de PROFIBUS-FMS y como un subordinado de PROFIBUS-DP.

Cada fabricante de sistemas electrónicos de control suele desarrollar, en función de las características de sus sistemas, módulos de comunicaciones PROFIBUS que poseen un determinado nivel de capacidad funcional de los expuestos anteriormente. En la práctica totalidad de los casos, dichos módulos contienen un procesador de elevadas prestaciones en el que se integra un microprocesador encargado de gestionar el tráfico de la red PROFIBUS. Por ello, en algunos casos este procesador puede ejecutar tareas de control cuando se produce un fallo del sistema electrónico de control principal, con lo cual se tiene un sistema redundante y se mejora la disponibilidad del conjunto.

4.5.4. Módulos pasarela PROFIBUS

Dado que, para llevar a cabo la fabricación asistida por computador se necesitan diversos tipos de redes con prestaciones distintas, se han desarrollado módulos pasarela (Gateways) PROFIBUS que permiten la interconexión de las redes PROFIBUS con otras utilizadas tanto en el nivel inferior como en el nivel superior de la citada pirámide.

Por ejemplo, en las pasarelas AS-i/PROFIBUS e Interbus/PROFIBUS, el objetivo es integrar en un nodo de comunicaciones de una red PROFIBUS toda la información de entrada/salida de las que se dispone en la otra red. Por su parte, la pasarela PROFIBUS/Ethernet (Figura 4.21) es uno de los ejemplos más representativos de pasarela que gestiona el envió de la información disponible en los sistemas electrónicos de control conectados a una red PROFIBUS hacia sistemas de los niveles superiores de la pirámide CIM.

Figura 4.21 Pasarela entre PROFIBUS y redes de datos industriales.

4.5.5. Repetidores y módulos de enlace PROFIBUS

Los repetidores y módulos de enlaces PROFIBUS permiten, tanto en su versión eléctrica como en su versión óptica, la división de una red PROFIBUS en segmentos, para poder conectar el máximo teórico de 127 dispositivos y realizar la comunicación a la máxima distancia posible a una determinada velocidad (Figura 4.22).



Figura 4.22 Repetidores PROFIBUS de redes eléctricas y ópticas.

Gracias a estos elementos se consigue una separación galvánica entre los segmentos de una red que utiliza tecnología de transmisión eléctrica, y se pueden realizar topologías de red en forma de árbol y estrella, e incluso configuraciones redundantes para elevar la disponibilidad (availability) del sistema.

Por otra parte, los repetidores mas complejos incluyen un programa de diagnostico avanzado de red que facilita la puesta en marcha de los sistemas mediante la localización física de los fallos, la identificación de la causa que los produce, el calculo de la tasa de fallos de comunicaciones, etc.

4.6 Comparación de las redes PROFIBUS y AS-i

De la descripción de la familia de redes PROFIBUS, realizada en los apartados anteriores, y de la red AS-i, se deducen las siguientes conclusiones desde un punto de vista práctico:

• Las redes PROFIBUS-DP y PROFIBUS-PA son redes de sensores-actuadores de capacidad funcional elevada y la red AS-i es una red de sensores-actuadores de capacidad funcional limitada. Por ello la diferencia entre ellas se manifiesta por el hecho de que una red PROFIBUS-DP puede constar teóricamente de un máximo de 126 procesadores subordinados de comunicaciones, mientras que la versión 2 de la red AS-i solo puede tener 62. además, el volumen máximo de información que cada procesador subordinado de comunicaciones de PROFIBUS-DP puede procesar es de 244 octetos de datos de entrada/salida, mientras que el de la red AS-i solo procesa 4 bits.

• En la practica, en PROFIBUS- DP y PROFIBUS-PA, es posible configurar sistemas de control distribuido en los que el volumen global de datos de entrada/salida intercambiados con un procesador principal de comunicaciones (master) sea de 16 Koctetos /16 Kbytes. Por el contrario, en el bus AS-i solo se puede intercambiar un máximo de 248 octetos.

• La combinación de una red PROFIBUS-DP y una red AS-i constituyen una solución adecuada en instalaciones complejas en las que coexisten maquinas que solo tienen sensores todo-nada con otras que incorporan sensores inteligentes, como por ejemplo codificadores angulares absolutos, cámaras digitales, etc.



Ethernet industrial

Introducción

El estándar IEEE 802.3, ampliamente conocido como Ethernet: red LAN en bus o estrella, a 10 Mbps, con cables coaxial, de pares trenzados o de fibra óptica, con transmisión en banda base y método de acceso al medio por protocolo de contención (CSMA/CD).

Ethernet es el estándar, con diferentes subnormas, que ha conseguido una implantación mundial casi absoluta en las redes de ordenadores. Desde ese, momento se produjo el salto hacia las aplicaciones de Ethernet en la industria: apareció: el termino Ethernet industrial.

Figura 5.1 Red Ethernet Industrial.

Además de los diferentes esfuerzos realizados por las diferentes empresas de automatización para incorporar Ethernet Industrial en sus redes de comunicación, en la actualidad existen asociaciones como Industrial Ethernet Association, o IAONA Europa, que están dedicando grandes esfuerzos para avanzar en campos como la estandarización de productos, reglas de seguridad, compatibilidad electromagnética, etc. IAONA Europa esta integrada por organizaciones como OVDA, IDA (Interface for Distribuited Automation) y Modbus-IDA, y por mas de ciento treinta empresas entre las que se encuentran Schneider y Omron.

Contenido

5.1 Ethernet y Ethernet industrial. 5.2 Profinet.

5.1. Ethernet y Ethernet industrial.

5.1.1 La expansión de Ethernet Industrial.

Quizás un buen método para analizar la aceptación que Ethernet Industrial ha tenido en el mundo de la industria seria hacer un seguimiento de los artículos aparecidos al respecto en revista especializadas del sector, como Automática e Instrumentación: lo que en el año 2001 era “una alternativa polémica”, en el 2002 se apreciaba como un sistema que iba “en camino de ser un autentico “estándar abierto”, para señalar finalmente en el 2003 su “creciente penetración en el campo de las aplicaciones industriales” y avanzar estudios que pronostican que “en el 2006 en mas, dos tercios de los usuarios en Europa y EEUU, esperan utilizar Ethernet Industrial”.



¿Qué explicación puede darse a este crecimiento tan radicalmente espectacular en tan pocos años? Algunas de las ventajas del Ethernet Industrial son:

• Bajo costo • Adopción de un único estándar, frente a la dificultad de interconectar los demás buses

de campo • Posibilidad de integrar todos los niveles CIM, desde el nivel de campo hasta el de

gestión, en un único medio físico (cable de par trenzado) • Posibilidad de acceder al control de los dispositivos a través de Internet utilizando el

protocolo TCP/IP • Aprovecha la implantación previa de Ethernet en el área de la ofimática de la empresa,

lo que facilita el control de todo el proceso de producción desde el nivel de gestión • Aparición de dispositivos capaces de trabajar en entornos industriales agresivos incluso

a nivel de entradas/salidas • Gran velocidad (10 Mbps), incrementada por las versiones Fast Ethernet (100 Mbps) y

Gigabit Ethernet (1000 Mbps) • Aporta soluciones inalámbricas • Ofrece una disponibilidad permanente de la red frente a averías, con topologías en

anillo y seguridad redundante • Sistema de conexión simple y rápida puesta en marcha • Gran flexibilidad para ampliar instalaciones sin afectar a los elementos ya instalados

Estas ventajas se han traducido en una decidida apuesta de la industria por Ethernet Industrial. Aun así en el nivel de campo Ethernet Industrial se encuentra en una fase inicial, tendiéndose mas complementarse con los buses de campo que a sustituirlos. Sin embargo, en los niveles de control y de gestión su introducción esta siendo exitosa e irreversible.

5.1.2. El debate sobre un sistema no deterministico

El primer reto al que se enfrento Ethernet Industrial fue superar la adaptación de una red que trabajaba en ambientes domésticos o de oficinas a los ambientes industriales agresivos. Esta cuestión, directamente relacionada con la faceta física del estándar, no ha tardado en superarse: en el mercado han aparecido cables de par trenzado apantallado y blindado, conectores RJ-45 blindados, swiches industriales y módulos capaces de soportar grandes cambios de temperatura (de 0 ºC a 60 ºC), alta humedad (95%) e interferencias electromagnéticas, etc.

Figura 5.2 Cable apantallado con RJ-45 blindado.

Pero no es por su acomodación a los ambientes industriales por lo que Ethernet Industrial encuentra detractores, sino por su método de control de acceso al medio: es un sistema no deterministico.



Ethernet utiliza un protocolo de contención para que los dispositivos conectados envíen datos a través del mismo medio. El protocolo empleado es el CSMA/CD, detección de portadora con acceso múltiple y detección de colisión. Consiste en que un dispositivo “escucha” al medio para saber si esta libre en ese momento, y si en el medio no se detecta ninguna señal dispositivo puede empezar a transmitir. El problema es que eso no garantiza que no se puedan producir colisiones entre informaciones de distintos dispositivos, lo que supone que la información puede perderse o puede llegar con un retraso indeterminado, algo inadmisible en algunas aplicaciones industriales.

En el sector de la industria el sistema de control de acceso al medio se ha convertido en un tema de fuerte debate en los últimos años, debido a las absolutas exigencias de seguridad en la entrega de información en un tiempo fijo a los componentes automatizados.

Los sistemas deterministicos, como maestro/esclavo o paso de testigo (Token), aseguran con absoluta fiabilidad la entrega correcta de información en un plazo de tiempo determinado, algo que en un principio no garantizan los sistemas no deterministicos, como Ethernet.

La principal respuesta de Ethernet Industrial a este problema ha sido la subdivisión de las redes según los criterios del cableado estructurado con cabecera de hubs y switches, lo que ha reducido las colisiones y las ha restringido al ámbito de cada subred. Y el resultado a convencido a muchos usuarios industriales. El ejemplo paradigmático de ello es el caso de la multinacional del automóvil General Motors. Mientras la mayoría de las grandes industrias estaban ya orientadas hacia Ethernet Industrial, General Motors seguía siendo la mayor empresa del mundo que continuaba utilizando en sus fabricas el sistema Token para garantizar la entrega de la mensajería industrial entre dispositivos. Finalmente, en el año 2007 en todas sus fabricas. Esta decisión, ampliamente comentada en el mundo de las comunicaciones industriales, tuvo consecuencias importantes en el sector debido a la magnitud de la reconversión necesaria: un total de sesenta fabricas de automóviles en todo el mundo.

Figura 16.3 Hub Ethernet Industrial

Figura 16.4 Switch Ethernet Industrial.

5.2. Profinet



A pesar del avance imparable de Ethernet Industrial una asociación tan importante a nivel mundial como la Organización de Usuarios de Profibus (PNO) ha tomado la polémica y comentada decisión de no adoptarlo como estándar. El objetivo de la PNO es crear un sistema de comunicaciones similar, pero que aporte una solución deterministica en el acceso al medio: esta solución se ha denominado PROFInet, y actualmente se encuentra en una fase muy avanzada de investigación.

Figura 5.5 Logo PROFInet de la organización de usuarios de Profibus

PROFInet es un estándar para la automatización de la PNO basada en Ethernet. Su objetivo es utilizar las redes Ethernet para poder comunicar datos de forma deterministica. Para ello combina tres funciones diferentes de comunicación, en función de los requerimientos del sistema:

1. Las transferencias de datos que no son criticas en el tiempo se basan en TCP/IP 2. Para la transferencia de datos criticas en el tiempo se habilita se habilita un sistema de

comunicación en tiempo real llamado Soft Realtime (SRT), con tiempos de ciclo de entre 2 ms (32 nodos) y 16 ms (256 nodos)

3. dispone de un servicio especial IRT para aplicaciones de control de movimiento en tiempo real (tiempos de ciclos inferiores a 1 ms).

La arquitectura PROFInet ofrecerá los mismos servicios que otras redes existentes, pero con el soporte físico de Ethernet y la seguridad de un sistema deterministico:

• Control de movimiento • Comunicaciones en tiempo real • Equipos descentralizados de campo de entradas/salidas • Inteligencia descentralizada • Aplicaciones de seguridad • Gestión y diagnostico de la red

Es preciso aclarar que el desarrollo de PROFInet no significa que las empresas que forman parte de la PNO hayan dejado de desarrollar por su lado productos para Ethernet Industrial, que puedan servir además de base futura para la aplicación de PROFInet. Podemos poner un ejemplo destacado: Siemens. La empresa alemana quizá las mas importante en la implantación mundial de profibus y, por tanto, una de las promotoras de PROFInet, dispone también de una extensa gama de productos dentro de Simatic Net que bajo la denominación de “Industrial Ethernet” cubren las comunicaciones industriales a niveles de célula y área con el estándar IEEE 802.3u (Fast Ethernet). Algunos de estos productos son capaces de trabajar tanto con Ethernet Industrial como con PROFInet.



Figura 5.6 Procesador CP 343-1 PN para Ethernet Industrial y PROFInet.

Además de la PNO existen otras asociaciones del terreno de la automatización que están intentando desarrollar protocolos propios basados en Ethernet, como los protocolos H1 y H2 Fieldbus Foundation.



Bibliografía:

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Manual Comunicacion Industrial FIEE UNAC