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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE CAMPECHE DIRECCIÓN DE INGENIERÍA EN MECATRÓNICA
ALUMNO:
EDGAR PÉREZ CANTE
PROFESOR:
Eduardo Bocanegra Moo
GRADO Y GRUPO:
10 A
TEMA:
Protocolo de redes
FECHA DE ENTREGA
25/11/2016
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE CAMPECHE DIRECCIÓN DE INGENIERÍA EN MECATRÓNICA
SISTEMA OSI
El sistema OSI tiene 7 niveles que son: Físico, Enlace, Red, Transporte, Sesión, Presentación y
Aplicación. Cada uno de estos niveles es realizado por una parte de hardware y/o software del
sistema.
(Capa 1) Nivel Físico : Es prácticamente todo hardware y define el medio de comunicación
(tipo de cable y conectores).
(Capa 2) Nivel de Enlace : Se refiere a la conexión entre máquinas adyacentes. Debe
asegurar la transmisión sin errores, para ello divide los datos emitidos en tramas.
Capa 3) Nivel de Red : Se encarga de encaminar los paquetes desde su origen a su destino.
(Capa 4) Nivel de Transporte: Realiza una conexión extremo a extremo entre los niveles
de transporte de las máquinas origen y destino.
(Capa 5) Nivel de Sesión: Gestiona el control de diálogo entre los usuarios de diferentes
máquinas mejorando los servicios entre ellos.
(Capa 6) Nivel de Presentación: Se ocupa de los aspectos de representación de la
información.
(Capa 7) Nivel de Aplicación: Se ocupa de emulación de terminales, transferencia de
ficheros, correo electrónico y otras aplicaciones.
Una vez explicado los diferentes niveles que componen una red, ya podemos ver los diferentes
dispositivos para poder ampliar una red aislada o interconectar redes individuales, con el
propósito de compartir o unir los ordenadores y los recursos que contienen, se necesitan
dispositivos de interconexión.
Dichos dispositivos son:
Repetidor (Repeater)
Concentrador (Hub)
Puente (Bridge)
Conmutador (Swich)
Dispositivo de encadenamiento (Router)
Pasarela (Gateway)
Repeater (Repetidor)
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Es un dispositivo electrónico que conecta dos segmentos de una misma red, transfiriendo el tráfico
de uno a otro extremo, bien por cable o inalámbrico.
Los segmento de red son limitados en su longitud, si es por cable, generalmente no superan los
100 M., debido a la perdida de señal y la generación de ruido en las líneas. Con un repetidor se
puede evitar el problema de la longitud, ya que reconstruye la señal eliminando los ruidos y la
transmite de un segmento al otro.
En la actualidad los repetidores se han vuelto muy populares a nivel de redes inalámbricas o WIFI.
El Repetidor amplifica la señal de la red LAN inalámbrica desde el router al ordenador.
Un Receptor, por tanto, actúa sólo en el nivel físico o capa 1 del modelo OSI.
Hub (Concentrador)
Contiene diferentes puntos de conexión, denominados puertos, retransmitiendo cada paquete de
datos recibidos por uno de los puertos a los demás puertos.
El Hub básicamente extiende la funcionalidad de la red (LAN) para que el cableado pueda ser
extendido a mayor distancia, es por esto que puede ser considerado como una repetidor.
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El Hub transmite los “Broadcasts” a todos los puertos que contenga, esto es, si contiene 8 puertos,
todas las computadoras que estén conectadas a dichos puertos recibirán la misma información.
Se utiliza para implementar redes de topología estrella y ampliación de la red LAN.
Un Hub, por tanto, actúa sólo en el nivel físico o capa 1 del modelo OSI.
Un concentrador o hub es un dispositivo que permite centralizar el cableado de una red y poder
ampliarla. Esto significa que dicho dispositivo recibe una señal y repite esta señal emitiéndola por
sus diferentes puertos.
Un concentrador funciona repitiendo cada paquete de datos en cada uno de los puertos con los
que cuenta, excepto en el que ha recibido el paquete, de forma que todos los puntos tienen
acceso a los datos
Un concentrador, o repetidor, es un dispositivo de emisión bastante sencillo. Los concentradores
no logran dirigir el tráfico que llega a través de ellos, y cualquier paquete de entrada es
transmitido a otro puerto (que no sea el puerto de entrada). Dado que cada paquete está siendo
enviado a través de cualquier otro puerto, aparecen las colisiones de paquetes como resultado,
que impiden en gran medida la fluidez del tráfico. Cuando dos dispositivos intentan comunicar
simultáneamente, ocurrirá una colisión entre los paquetes transmitidos, que los dispositivos
transmisores detectan. Al detectar esta colisión, los dispositivos dejan de transmitir y hacen una
pausa antes de volver a enviar los paquetes.
Bridge (Puente)
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Como los repetidores y los hub, permiten conectar dos segmentos de red, pero a diferencia de
ellos, seleccionan el tráfico que pasa de un segmento a otro, de forma tal que sólo el tráfico que
parte de un dispositivo (Router, Ordenador o Gateway) de un segmento y que va al otro segmento
se transmite a través del bridge.
Con un Bridge, se puede reducir notablemente el tráfico de los distintos segmentos conectados a
él.
Los Bridge actúan a nivel físico y de enlace de datos del modelo OSI en Capa 2.
A nivel de enlace el Bridge comprueba la dirección de destino y hace copia hacia el otro segmento
si allí se encuentra la estación de destino.
La principal diferencia de un receptor y hub es que éstos hacen pasar todas las tramas que llegan
al segmento, independientemente de que se encuentre o no allí el dispositivo de destino.
Un puente o bridge es un dispositivo de interconexión de redes de ordenadores que opera en la
capa 2 (nivel de enlace de datos) del modelo OSI. Este interconecta dos segmentos de red (o divide
una red en segmentos) haciendo el pasaje de datos de una red hacia otra, con base en la dirección
física de destino de cada paquete.
Un bridge conecta dos segmentos de red como una sola red usando el mismo protocolo de
establecimiento de red.
Funciona a través de una tabla de direcciones MAC detectadas en cada segmento a que está
conectado. Cuando detecta que un nodo de uno de los segmentos está intentando transmitir
datos a un nodo del otro, el bridge copia la trama para la otra subred. Por utilizar este mecanismo
de aprendizaje automático, los bridges no necesitan configuración manual.
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La principal diferencia entre un bridge y un hub es que el segundo pasa cualquier trama con
cualquier destino para todos los otros nodos conectados, en cambio el primero sólo pasa las
tramas pertenecientes a cada segmento. Esta característica mejora el rendimiento de las redes al
disminuir el tráfico inútil.
Para hacer el bridging o interconexión de más de 2 redes, se utilizan los switch.
Switch (Conmutador)
Interconecta dos o más segmentos de red, pasando segmentos de uno a otro de acuerdo con la
dirección de control de acceso al medio (MAC). Actúan como filtros, en la capa de enlace de datos
(capa 2) del modelo OSI.
Las funciones son iguales que el dispositivo Bridge o Puente, pero pueden interconectar o filtrar la
información entre más de dos redes.
El Switch es considerado un Hub inteligente, cuando es activado, éste empieza a reconocer las
direcciones (MAC) que generalmente son enviadas por cada puerto, en otras palabras, cuando
llega información al conmutador éste tiene mayor conocimiento sobre qué puerto de salida es
el más apropiado, y por lo tanto ahorra una carga (”bandwidth”) a los demás puertos del Switch.
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Switch Fast Ethernet de 16 puertos.
Un conmutador o switch es un dispositivo digital de lógica de interconexión de redes de
computadores que opera en la capa 2 (nivel de enlace de datos) del modelo OSI. Su función es
interconectar dos o más segmentos de red, de manera similar a los puentes (bridges), pasando
datos de un segmento a otro de acuerdo con la dirección MAC de destino de las tramas en la red.
Los conmutadores se utilizan cuando se desea conectar múltiples redes, fusionándolas en una
sola. Al igual que los puentes, dado que funcionan como un filtro en la red, mejoran el
rendimiento y la seguridad de las LANs (Local Area Network– Red de Área Local).
Los conmutadores poseen la capacidad de aprender y almacenar las direcciones de red de nivel 2
(direcciones MAC) de los dispositivos alcanzables a través de cada uno de sus puertos. Por
ejemplo, un equipo conectado directamente a un puerto de un conmutador provoca que el
conmutador almacene su dirección MAC. Esto permite que, a diferencia de los concentradores o
hubs, la información dirigida a un dispositivo vaya desde el puerto origen al puerto de destino. En
el caso de conectar dos conmutadores o un conmutador y un concentrador, cada conmutador
aprenderá las direcciones MAC de los dispositivos accesibles por sus puertos, por lo tanto en el
puerto de interconexión se almacenan las MAC de los dispositivos del otro conmutador.
Router (dispositivo de encaminamiento)
Operan entre redes ,Su principal funcion es la interconexion de redes, encaminando paquetes.
La primera función de un router, es saber si el destinatario de un paquete de información está en
nuestra propia red o en una remota. Para determinarlo, el router utiliza un mecanismo llamado
“máscara de subred”. La máscara de subred es parecida a una dirección IP (la identificación única
de un ordenador en una red de ordenadores) y determina a qué grupo de ordenadores pertenece
uno en concreto. Si la máscara de subred de un paquete de información enviado no se
corresponde a la red de ordenadores de nuestra LAN (red local), el router determinará,
lógicamente que el destino de ese paquete está en otro segmento de red diferente o salir a otra
red (WAN), para conectar con otro router.
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Los router pueden estar conectados a dos o más redes a la vez, e implica la realización de tareas
que conciernen a los tres niveles inferiores del modelo OSI: físico, enlace de datos y red.
Existen router que son también Switch con 4 puertos y punto de acceso WIFI. Dichos aparatos son
los utilizados por las operadores de telefonía para conectar las líneas de comunicaciones ADSL de
Internet con los dispositivos de una LAN (red local) de un domicilio particular.
El enrutador (calco del inglés router), direccionador, ruteador o encaminador es un dispositivo
de hardware para interconexión de red de ordenadores que opera en la capa tres (nivel de red).
Un router es un dispositivo para la interconexión de redes informáticas que permite asegurar el
enrutamiento de paquetes entre redes o determinar la ruta que debe tomar el paquete de datos.
Los enrutadores pueden proporcionar conectividad dentro de las empresas, entre las empresas
e Internet, y en el interior de proveedores de servicios de Internet (ISP). Los enrutadores más
grandes (por ejemplo, el CRS-1 de Cisco o el Juniper T1600) interconectan ISPs, se utilizan dentro
de los ISPs, o pueden ser utilizados en grandes redes de empresas.
A pesar de que tradicionalmente los enrutadores solían tratar con redes fijas (Ethernet, ADSL,
RDSI…), en los últimos tiempos han comenzado a aparecer enrutadores que permiten realizar una
interfaz entre redes fijas y móviles (Wi-Fi, GPRS, Edge, UMTS,Fritz!Box, WiMAX…) Un enrutador
inalámbrico comparte el mismo principio que un enrutador tradicional. La diferencia es que éste
permite la conexión de dispositivos inalámbricos a las redes a las que el enrutador está conectado
mediante conexiones por cable. La diferencia existente entre este tipo de enrutadores viene dada
por la potencia que alcanzan, las frecuencias y los protocolos en los que trabajan.
En wifi estas distintas diferencias se dan en las denominaciones como clase a/b/g/ y n.
Gateway (Pasarela)
Son router que tienen programas adicionales (correspondientes a niveles de transporte, sesión,
presentación y aplicación, del modelo OSI), que permiten interconectar redes que utilizan distintos
protocolos: por ejemplo TCP/IP,SNA, Netware, VoIP.
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Buses de campo en comunicación industrial
Redes digitales bidireccionales, multipunto, montadas sobre un bus serie que conectan
dispositivos de campo como transductores, actuadores, sensores, módulos de E/S, controladores
de velocidad, terminales de operador con los sistemas de control: PLC´s, PC´s, NC, RC, etc..
Normalmente son sistemas abiertos. Buses DeviceNet, WorldFip, Fundation Fieldbus, Modbus,
Interbus y Profibus.
Interbus
Originalmente llamado " Interbus - S ", el protocolo se puso en marcha en 1987. El trabajo de
desarrollo se inició por primera vez en 1983. El protocolo fue desarrollado por un consorcio de
fabricantes e instituciones académicas, con la posición de líder del equipo tomada por Phoenix
Contact. En los años siguientes el grupo desarrollado más dispositivos y procesos de
compatibilidad Interbus
INTERBUS es un bus de campo para la interconexión de sensores y actuadores. En 1993, se
publicó la norma DIN E19258, esta norma cubre los protocolos de transmisión y los servicios que
necesita para la comunicación de datos de proceso.
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INTERBUS es uno de los sistemas de bus más extendidos del mundo. Asume dos funciones en la
técnica de automatización. Por un lado, INTERBUS transmite datos entre el PLC el software o, por
ejemplo, controles de robots. Por el otro lado, el sistema conecta actuadores, sensores, paneles de
mando y accionamientos en el campo.
El sistema abierto de bus de campo INTERBUS conecta toda la periferia de procesos con todos los
mandos convencionales. A través del cable bus serial se conectan en red los sensores y
actuadores, se controlan máquinas y partes de instalaciones y se enlaza con sistemas
jerárquicamente superiores. Para la implementación de interfaces esclavo-maestro INTERBUS.
Interbus es un " bus de campo". Esta categoría de sistema de red es un cable de conexión utilizado
en aplicaciones industriales. Un "bus" es una topología de red en la que un solo cable lleva a cabo
a partir de un dispositivo de control, con ramas que conducen a varios dispositivos controlados.
Características
En la aplicación Interbus, los dispositivos de control son sensores, que se llaman "Unidades
Terminales Remotas (RTU)" y "Controladores Lógicos Programables (PLC)". Una RTU informa al
controlador central en estados tales como el movimiento, la temperatura, y la corriente eléctrica o
líquido. El PLC recibe instrucciones para controlar los movimientos de la maquinaria industrial.
Un rasgo distintivo es que las líneas de envió y recepción de datos están contenidas dentro de un
mismo cable que une todos los dispositivos. De esta forma, el sistema tiene el aspecto físico de un
bus o un árbol.
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Cada dispositivo conectado al Interbus tiene una tarjeta controladora media entre él y el bus.
Interbus se conecta a los sistemas de oficina a través de una red Ethernet.
Acceso al medio
Cada dispositivo tiene reservado un slot de tiempo adecuado para su función dentro del sistema,
el tiempo de ciclo es la suma de los tiempos asignados a cada dispositivo. Pueden definirse slots
adicionalmente para la transmisión de bloques de datos en modo de conexión. Se podrán enviar
grandes bloques de datos a través de INTERBUS sin alterar el tiempo de ciclo para los datos de
proceso.
El bus de campo sustituye a la conexión de cables en paralelo con un único cable de bus y conecta
todos los niveles, desde el campo hasta el nivel de control.La cantidad reducida de cableado
ahorra tiempo durante la planificación e instalación, mientras que el cableado, el terminal
bloques, y el gabinete de control dimensiones también se reducen. Autodiagnóstico, que se llevan
a cabo por el sistema mediante pantallas de texto sin formato, minimizar los tiempos de parada y
mantenimiento veces. Mejora de la fiabilidad y el aumento disponibilidad debido jueguen rutas de
señal cortas un papel importante, especialmente para los críticos señales. Hay incluso mayor
protección contra fallos para valores analógicos.
Protocolo de comunicación
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La transmisión de datos se adhiere a cierta reglas conocidas como la transmisión protocolo. El
protocolo transmite útil datos y datos de gestión para los receptores. La eficiencia de un protocolo
de transmisión indica el porcentaje de datos útiles contra el total de datos que se transmiten. Esto
conduce a una reducción de eficiencia al transferir cíclicos los datos de proceso, y alta eficiencia
para largos bloques de parámetros cíclicos.
Para el mensaje basado en el método de transmisión, un completo protocolo de transmisión es
procesado para cada solicitud. Este enfoque conduce a la disminución de la eficiencia del
protocolo para transferir proceso cíclico de datos, y mayor eficiencia para los parámetros cíclicos
de largos bloques. La suma del método combina la transmisión de los datos de todos los sensores
y actuadores en una red en un solo mensaje. Esto se envía simultáneamente a todos los
dispositivos, por lo que la gestión datos sólo se transmite una vez. Por lo tanto, la eficiencia del
protocolo se eleva con el número de dispositivos de red.
Este método es más eficiente que el método basado en mensajes para un gran número de
dispositivos. La suma del método de marco asegura que los datos fijan longitudes para los
dispositivos y por lo tanto tiempos de transmisión constante. El determinismo de este método es
esencial para el cálculo preciso del tiempo de respuesta.
Para transmitir datos de parámetros simultáneamente, así como los datos de proceso críticos en el
tiempo, el formato de datos debe ser ampliado por un cierto intervalo de tiempo. En varios ciclos
consecutivos, una parte diferente de los datos se inserta en la ranura de tiempo proporcionado
para los dispositivos direccionados. El software de PCP (Protocolo de Comunicación Periféricos)
realiza esta tarea. Inserta una parte del telegrama en cada ciclo INTERBUS y recombina, en su
destino. Los canales de parámetros se activan en caso de necesidad y no afectan a la transferencia
de datos de E / S. El tiempo de transmisión de datos de los parámetros que se segmenta en varios
ciclos de bus es suficiente para los requisitos de tiempo de baja que se colocan en la transmisión
de información de parámetros.
Topología
Interbus es un bus de campo para la interconexión de sensores y actuadores, las partes claves de
Interbus han sido estandarizadas en Alemania.
Se basa en un esquema maestro-esclavo. El maestro de bus actúa simultáneamente como interfaz
con los niveles superiores de la jerarquía de comunicaciones. Tiene una topología de anillo
principal es decir todos los dispositivos están conectados formando un camino cerrado. El anillo
principal es el que parte del maestro, aunque pueden formarse otros anillos para adaptarse a la
estructura particular de cada sistema. Este tipo de conexiones se llevan a cabo mediante unos
equipos llamados módulos determinadores de buses.
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Un rasgo distintivo de INTERBUS es que la línea de envíos y recepción de datos están contenidas
entro de un mismo cable que une todos los dispositivos de este modo el sistema tiene el aspecto
físico de un bus o un árbol. Cada dispositivo amplifica la señal entrante y lo envía en, lo que
permite tasas de transmisión más altas en distancias más largas.
Una línea principal sale del maestro del bus y se puede utilizar para formar subredes sin costura
hasta 16 niveles de profundidad. Esto significa que el sistema de bus se puede adaptar
rápidamente a las cambiantes aplicaciones. El sistema maestro / esclavo INTERBUS permite la
conexión de hasta 512 dispositivos, a través de 16 niveles de redes. El anillo se cierra
automáticamente por el último dispositivo.
Medios físicos y distancias
La capa física se basa en el estándar RS- 485. Debido a la estructura de anillo y a que es necesario
transportar la masa de las señales lógicas, INTERBUS requiere un cable de 5 hilos para
interconectar dos estaciones. Con velocidades de transmisión de 500 Kbits, pueden alcanzarse
distancia de hasta 400 mts. Entre dispositivos. Cada dispositivo incorpora una función de repetidor
que permite extender el sistema hasta una longitud total de 13 Km. Para facilitar el
funcionamiento de INTERBUS, el número máximo de estaciones está limitado a 512.
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La tarjeta de conexión es el maestro que controla el tráfico de datos. Transfiere salida datos a los
módulos correspondientes, Y recibe datos de entrada y datos de monitores transferencia. Además,
de diagnóstico, se muestran mensajes de error y los mensajes se transmiten al host sistema.
Terminal de bus
Los módulos de terminales de bus, o dispositivos con terminal de autobuses, están conectadas al
bus remoto. Los buses locales distribuidos De rama de la cabecera de bus con módulos de E / S,
que establecen la conexión entre INTERBUS los sensores y actuadores.
La terminal de autobuses divide el sistema en individuo segmentos, lo que le permite cambiar
ramas de encendido / apagado por separado durante la operación.
La electrónica del módulo para los módulos de E / S conectados puedo ser con la alimentación de
esta fuente.
La terminal de autobuses amplifica los datos de la señal (función de repetidor) y aísla
eléctricamente el bus en segmentos.
Local Bus
Las sucursales locales de autobús desde el mando a distancia bus a través de un módulo de
interfaz de bus y conecta los dispositivos de autobuses locales. Ramas no se permiten en este
nivel. La potencia se suministra comunicaciones por el módulo de la terminal de autobuses,
mientras que la tensión de conmutación de las salidas es aplicada por separado a la salida de
módulos. Dispositivos de autobuses locales son típicamente módulos de E / S en una subestación
de distribución estructura.
Bus remoto
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La placa del controlador está conectado al bus remoto a través del bus remoto. Una rama de esta
conexión se denomina como una derivación de bus remoto. Los datos pueden ser transmitido
físicamente a través de cables de cobre (De serie RS-485), fibras ópticas, trayectos de transmisión
de infrarrojos, anillos deslizntes u otros medios de comunicación. Terminal de bus especial
módulos y ciertos módulos de E / S o dispositivos tales como robots, unidades o dispositivos de
funcionamiento se pueden utilizar como bus remoto. Cada uno tiene un local de alimentación de
tensión y un eléctricamente segmento saliente aislado. Además de la transmisión de datos líneas,
el bus remoto de instalación puede También llevar a la tensión de alimentación para la conexión /
módulos y sensores de O.
Identificación de dispositivos
Los dispositivos de Interbus no requieren archivos de configuración para cubrir las necesidades de
comunicación (como en el caso de Profibus ), proporcionando puestas en marcha de sencillas
como elementos de diferentes fabricantes.
Pero los componentes individuales de la red Interbus se identifican mediante sus funciones y
utilizan sus códigos de identificación para comunicarse con el Maestro.
-Elementos básicos de la capa física
Tarjeta controladora:
1. Se corresponde con el maestro.
2. Controla y monitoriza el tráfico de datos.
3. Transfiere los datos de salida con los correspondientes módulos.
4. Recibe los datos de entrada.
5. Se pueden visualizar los datos de diagnóstico y error que son transmitidos al host del sistema.
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Bus remoto:
1. La tarjeta controladora se conecta al bus remoto.
2. Los datos se transmiten a través de:
Cables de cobre (estándar RS-485)
Fibra óptica
Infrarrojos
Módulos terminales de bus.
1. Se conectan al bus remoto.
2. Dividen al sistema en segmentos individuales
3. Permiten desconectar ramificaciones del anillo durante la operacion.
4. Hacen la funcion de amplificadores (repetidores) de señal.
5. Aislan eléctricamente los segmentos del bus.
Subanillos:
1. Corresponde a la zona del sistema donde se conectan sensores y actudores.
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2. Respecto a las especificaciones técnicas: distancia entre dispositivos 2 cm < d < 20 m, expancion
total de 200 m, limitado a 63 dispositivos, de 19.2 V a 30 V, alimentacion y datos van por el mismo
cable.
Velocidades de transmisión.
La velocidad de transmisión de datos y la expansión del bus son independientes entre sí. La
velocidad de transmisión bruta de datos es 500kBit/s y la velocidad de transmisión neta de datos
es 300kBit/s.
Para aplicaciones especiales con cable de fibra óptica, es posible alcanzar velocidades de
transmisión de datos de 2Mbit/s.
Redundacia.
Redundancia se refiere a un estado de coincidencia o exceso. Es decir: como mínimo se dispone de
una fuente de alimentación adicional.
Redundancia "n+1": 3 fuentes de alimentación funcionan con una corriente nominal de 10 A cada
una para alimentar 20 A en total.
Redundancia "1+1": se conectan 2 módulos en paralelo con 20 A cada uno en el lado de salida
para alimentar una carga de 20 A.
Si aparece un defecto interno en un dispositivo o se produce un fallo, el segundo dispositivo
asume automáticamente la alimentación completa.
Los diodos o módulos de redundancia desacoplan las fuentes de alimentación conectadas en
paralelo. Solo entonces, en caso de cortocircuito una de las fuentes de alimentación continúa
suministrando al otro dispositivo toda la potencia. Ahora, la carga se alimenta a las tuberías
incluso en caso de cortocircuito.
En caso de interrupción de una fuente de alimentación, la otra se encarga de la alimentación de la
carga.
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Monitoreo.
La configuración monitoreo son llevadas a cabo por el analista industrial ARC nombró a estos
dispositivos controladores de automatización programable, o PACs.
Los ingenieros de grandes compañías con la tarea de resolver los problemas de bajo rendimiento
computacional y aumentar las capacidades básicas de los PLCs fueron los que consideraron las PCs
para control industrial para obtener la flexibilidad ofrecida por software y el hardware de alto
nivel. Sin embargo, utilizar las PCs para control industrial en aquella época también significa lidiar
con debilidades inherentes como estabilidad, confiabilidad, y herramientas de programación no
familiares.
El PAC se refiere al conjunto formado por un controlador (una CPU típicamente), módulos de
entradas y salidas, y uno o múltiples buses de datos que lo interconectan todo.
Este controlador combina eficientemente la fiabilidad de control de un autómata o PLC junto a la
flexibilidad de monitorización, cálculo y desempeño de un computador industrial.
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Respaldos de los participantes Interbus y PLC
INTERBUS-Safety amplía el sistema INTERBUS con la posibilidad de un intercambio de datos
seguro. Con este sistema pueden ejecutarse funciones de seguridad de libre programación en un
sistema de control seguro, y los datos de entrada y salida seguros, necesarios a tal efecto, pueden
transmitirse desde y hacia los dispositivos INTERBUS seguros.
La comunicación entre el sistema de control seguro y los participantes INTERBUS seguros se realiza
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a través del protocolo INTERBUS-Safety, que se sobrepone al protocolo INTERBUS estándar y
contiene los datos de entrada y salida seguros, así como informaciones para la protección de
datos.Principio "black channel"
El principio "black channel" utilizado en INTERBUS-Safety se encarga de una transmisión de los
datos seguros a través de una red estándar. De este modo, el sistema de bus no asume tareas
relevantes para la seguridad, sino que únicamente actúa como medio de transmisión.
Los datos seguros y no relevantes para la seguridad se integran en el flujo de datos del protocolo
de trama de suma del INTERBUS. Únicamente los participantes INTERBUS seguros y el sistema de
control INTERBUS seguro realizan una evaluación del protocolo de seguridad insertado.
El protocolo INTERBUS-Safety incluye medidas para la protección de los datos relevantes para la
seguridad, que descubren los siguientes errores:
repetición de mensajes
Pérdida de mensajes
Inserción de mensajes
Orden erróneo de mensajes
Destrucción de mensajes
Retardo de mensajes
Intercambio de participantes
Adicionalmente, el procesamiento determinístico del protocolo INTERBUS-Safety permite asegurar
el tiempo de reacción a lo largo de una cadena de seguridad observada, es decir, desde la entrada
hasta la salida, a través de la transmisión y el procesamiento seguros.
Protocolo de comunicación.
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La transmisión de datos se adhiere a ciertas reglas conocidas como el protocolo de transmisión. El
protocolo transmite datos útiles (por ejemplo, el estado de una válvula) y datos de gestión (por
ejemplo, abordar, comando, los datos SAVE) para los receptores. La eficiencia de un protocolo de
transmisión indica el porcentaje de datos útiles vs el total de datos que se transmiten. Los valores
el cociente de datos útiles en el total de datos transferidos (de usuario y datos de trama). Esto
conduce a una reducción de eficiencia al transferir cíclicos los datos de proceso, y alta eficiencia
para bloques de parámetros cíclicos. Para el mensaje basado en el método de transmisión, un
protocolo completo de transmisión es procesado para cada solicitud. La suma del método de
transmisión combina los datos de todos los sensores y actuadores en una red en un solo mensaje.
Esto se envía simultáneamente a todos los dispositivos, por lo que la gestión datos sólo se
transmite una vez. Por lo tanto, la eficiencia del protocolo se eleva con el número de dispositivos
de red. Este método es más eficiente que el método basado en mensajes para un gran número de
dispositivos. El método de suma asegura que los datos se envíen a grandes longitudes para los
dispositivos y por lo tanto tiempos de transmisión constante. Las determinantes de este método
son esencial para el cálculo preciso del tiempo de respuesta.
Modbus
Modbus es un protocolo de comunicaciones situado en el nivel 7 del Modelo OSI,
basado en la arquitectura maestro/esclavo o cliente/servidor, diseñado en 1979
por Modicon para su gama de controladores lógicos programables (PLCs).
Convertido en un protocolo de comunicaciones estándar de facto en la industria es
el que goza de mayor disponibilidad para la conexión de
dispositivos electrónicos industriales. Las razones por las cuales el uso de Modbus
es superior a otros protocolos de comunicaciones son:
1. es público
2. su implementación es fácil y requiere poco desarrollo
3. maneja bloques de datos sin suponer restricciones
Modbus permite el control de una red de dispositivos, por ejemplo un sistema de
medida de temperatura y humedad, y comunicar los resultados a un ordenador.
Modbus también se usa para la conexión de un ordenador de supervisión con una
unidad remota (RTU) en sistemas de supervisión adquisición de datos (SCADA).
Existen versiones del protocolo Modbus para puerto serie y Ethernet
(Modbus/TCP)
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Existen dos variantes, con diferentes representaciones numéricas de los datos y
detalles del protocolo ligeramente desiguales. Modbus RTU es una representación
binaria compacta de los datos. Modbus ASCII es una representación legible del
protocolo pero menos eficiente. Ambas implementaciones del protocolo son serie.
El formato RTU finaliza la trama con una suma de control de redundancia
cíclica (CRC), mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de
redundancia longitudinal (LRC). La versión Modbus/TCP es muy semejante al
formato RTU, pero estableciendo la transmisión mediante
paquetes TCP/IP (puerto del sistema 502, identificador asa-appl-proto)1
Modbus Plus (Modbus+ o MB+), es una versión extendida del protocolo y privativa
de Modicon. Dada la naturaleza de la red precisa un coprocesador dedicado para
el control de la misma. Con una velocidad de 1 Mbit/s en un par trenzado sus
especificaciones son muy semejantes al estándar EIA/RS-485 aunque no guarda
compatibilidad con este.
Cada dispositivo de la red Modbus posee una dirección única. Cualquier
dispositivo puede enviar órdenes Modbus, aunque lo habitual es permitirlo sólo a
un dispositivo maestro. Cada comando Modbus contiene la dirección del
dispositivo destinatario de la orden. Todos los dispositivos reciben la trama pero
sólo el destinatario la ejecuta (salvo un modo especial denominado "Broadcast").
Cada uno de los mensajes incluye información redundante que asegura su
integridad en la recepción. Los comandos básicos Modbus permiten controlar un
dispositivo RTU para modificar el valor de alguno de sus registros o bien solicitar
el contenido de dichos registros.
Existe gran cantidad de módems que aceptan el protocolo Modbus. Algunos están
específicamente diseñados para funcionar con este protocolo. Existen
implementaciones para conexión por cable, wireless, SMS o GPRS. La mayoría de
problemas presentados hacen referencia a la latencia y a la sincronización.
Variaciones
Todas las implementaciones presentan variaciones respecto al estándar oficial.
Algunas de las variaciones más habituales son:
Tipos de Datos
Coma Flotante IEEE
entero 32 bits
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datos 8 bits
tipos de datos mixtos
campos de bits en enteros
multiplicadores para cambio de datos a/de entero. 10, 100, 1000, 256 ...
Extensiones del Protocolo
direcciones de esclavo de 16 bits
Tamaño de datos de 32 bits (1 dirección = 32 bits de datos devueltos.)
CARACTERÍSTICAS DEL BUS
La designación Modbus Modicon corresponde a una marca registrada por Gould
Inc. Como en tantos otros casos, la designación no corresponde propiamente al
estándar de red, incluyendo todos los aspectos desde el nivel físico hasta el de
aplicación, sino a un protocolo de enlace (nivel OSI 2). Puede, por tanto,
implementarse con diversos tipos de conexión física y cada fabricante suele
suministrar un software de aplicación propio, que permite parametrizar sus
productos.
No obstante, se suele hablar de MODBUS como un estándar de bus de campo,
cuyas características esenciales son las que se detallan a continuación.
Estructura de la red
Medio Físico
El medio físico de conexión puede ser un bus semidúplex (half dúplex) (RS-485 o
fibra óptica) o dúplex (full dúplex) (RS-422, BC 0-20mA o fibra óptica).
La comunicación es asíncrona y las velocidades de transmisión previstas van
desde los 75 baudios a 19.200 baudios. La máxima distancia entre estaciones
depende del nivel físico, pudiendo alcanzar hasta 1200 m sin repetidores.
Acceso al Medio
La estructura lógica es del tipo maestro-esclavo, con acceso al medio controlado
por el maestro. El número máximo de estaciones previsto es de 63 esclavos más
una estación maestra.
Los intercambios de mensajes pueden ser de dos tipos:
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• Intercambios punto a punto, que comportan siempre dos mensajes: una
demanda del maestro y una respuesta del esclavo.
• Mensajes difundidos. Estos consisten en una comunicación unidireccional del
maestro a todos los esclavos. Este tipo de mensajes no tiene respuesta por parte
de los esclavos y se suelen emplear para mandar datos comunes de
configuración, reset, etc.
PROTOCOLOS
La codificación de datos dentro de la trama puede hacerse en modo ASCII o
puramente binario, según el estándar RTU (Remote Transmission Unit). En
cualquiera de los dos casos, cada mensaje obedece a una trama que contiene
cuatro campos principales. La única diferencia estriba en que la trama ASCII
incluye un carácter de encabezamiento («:»=3A H) y los caracteres CR y LF al
final del mensaje.
Pueden existir también diferencias en la forma de calcular el CRC, puesto que el
formato RTU emplea una fórmula polinómica en vez de la simple suma en módulo
16.
Para facilitar la programación, Omron tiene preparados ficheros de protocolos para
sus distintos productos, de forma que, mediante el software CXProtocol, se cargan
los protocolos en la CPU del PLC y se ejecutan mediante la instrucción PMCR.
En el ejercicio se va a utilizar MODBUS para comunicar el PLC con un variador de
velocidad Omron modelo V1000 que utiliza los mismos protocolos que el modelo
3G3MV. El documento “Guía rápida de protocolos MODBUS para 3G3MV”
contiene la descripción de las distintas secuencias que se pueden utilizar para
lectura y escritura en el variador.
CARACTERÍSTICAS DE LOS MENSAJES ENVIADOS
El documento “Comandos Variadores” describe las cuatro partes que componen el
mensaje:
La primera indica la dirección del esclavo.
La segunda el código de función (leer – escribir)
La tercera parte está formada por los datos de las comunicaciones (Primer
registro en el que se lee o escribe, número de registros a leer o escribir, el dato en
sí, etc.)
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La cuarta parte es el chequeo de error (CRC-16).
El documento “Macros de protocolo” explica como mediante CX-Protocol, se
pueden crear y personalizar todo tipo de códigos.
EJEMPLO DE APLICACIÓN UTILIZADO EN EL ENTRENADOR.
Se incorpora al PLC maestro una SCU41 para poder utilizar el puerto RS485 para
enviar comandos al variador V1000 que dispone de tarjeta de comunicaciones
Modbus. Para visualizar y controlar los datos del variador, se utiliza la NS del
entrenador que mediante el bus Ethernet está conectada al PLC maestro.
En el PLC, se va a colocar la unidad serie SCU41-V1 (si no se colocó antes para
funcionar con la NS), En la ruleta de número de unidad, se pone el 5 y se arranca
el PLC.
Con el PLC en Program, crear la nueva tabla de E/S. Seleccionando la SCU, en la
ventana que se abre, en Displayed Parameter, seleccionar el puerto 1 (que
corresponde al puerto RS422/485). Configurar los parámetros como:
Modo de comunicaciones serie: MACRO PROTOCOL Longitud de datos: 8 bits Bit
de Stop: 1 Paridad: No Velocidad: 9600 Baudios
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Resto de parámetros dejarlos por defecto
b. CONFIGURACIÓN DEL VARIADOR (V1000) Cambiar los parámetros:
B1-01 Frecuencia de referencia:
2 (por el puerto serie en Modbus).
B1-02 Comando Run (marcha):
2 (por el puerto serie en Modbus).
H5-01 Número de nodo en la red:
1 Corresponde al esclavo Nº 1.
H5-02 Velocidad de comunicación:
3 (corresponde a 9600 Baudios por segundo).
H5-03 Paridad: 0 Sin paridad.
H5-04 Método de parada ante error de comunicaciones:
3, valor por defecto (visualización de alarma en display).
H5-05 selección de detección de errores de comuncaciones.
0, para que aunque no se envíen comandos, no de mensaje de error.
E1-04 Frecuencia de salida máxima:
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50, valor por defecto. Ponerlo a 200
PINEADO DEL CABLE QUE ENLAZA EL PUERTO RS485 DE LA
SCU41 CON EL VARIADOR
TRANSFERENCIA DE PROTOCOLOS
Los protocolos que utiliza el variador V1000, son los mismos que los que utiliza el
3G3RV. Estos protocolos están en el fichero 3G3RV-CS1CJ1. El procedimiento
para cargarlos en la CPU del PLC será:
1. Abrir CX-Protocol
2. Desde el menú File, abrir el fichero 3G3RV-CS1CJ1 (indicando la ruta del
mismo)
3. Con el fichero ya cargado en CX-Protocol, desde el menú “PLC” configurar el
puerto de comunicaciones para poder realizar la transferencia. (Utilizar Toolbus)
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4. Indicar el modelo de PLC, CPU y el tipo de enlace (se puede utilizar Ethernet).
5. Conectarse con el PLC (Ver figura
anterior)
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6. Desplegando el menú “Target” (seleccionando previamente Protocol List),
seleccionar la SCU (5) – (el cinco indica el número de unidad).
7. Seleccionando el nombre del fichero en “Protocol Name” (marcado en negro),
descargar los protocolos a la SCU (a través del puerto de la CPU), para ello,
desplegar el menú de la figura ó desde el icono de descarga.
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8. Para realizar la descarga, previamente desde la ventana que se abre, pulsar el
botón “Compile”. Una vez realizada la compilación, se habilita el botón
“Download”, pulsándolo, se realiza la descarga y visualizamos en “Downloaded%”
el valor 100%
9. Terminar desconectando el PLC y salir de CX-Protocol.
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e. PROGRAMAS DEL PLC y NS
La instrucción que se encarga de mandar la información por el bus es PMCR.
Según el modelo de PLC utilizado, puede constar de tres o cuatro ventanas de
datos a rellenar. En el ejemplo, se utiliza un PLC modelo CJ1M con lo que la
instrucción PMCR utiliza 4 ventanas de datos (ver apartado “d” de la sección
MODBUS de estos apuntes).
Las PMCR de escritura se ejecutan al activarse un bit en el PLC maestro desde
los botones colocados en la NS
IMPORTANTE
Colocar el símbolo @ delante de cada PMCR para que la instrucción sólo se
ejecute durante un scan de programa. Cuando la instrucción se ejecuta, el bus
queda ocupado durante varios scan de programa, en los cuales NO se puede
ejecutar ninguna otra PMCR (se puede utilizar el bit 1919.15 que indica que el bus
está ocupado).
El programa que se añade a la aplicación, va posibilitar la puesta en marcha y
parada de un motor seleccionando el sentido de giro y la velocidad. También se
seleccionan los tiempos de las rampas de arranque y parada. Existen displays de
visualización de los valores actuales de: Tensión del motor, intensidad del motor,
frecuencia del motor. Los valores de frecuencia y tiempos de rampa de arranque y
parada, se visualizan en unos displays táctiles, al tocarlos, se abre una ventana de
teclado que permite la modificación de dichos valores.
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LÍNEAS DE PROGRAMA 0 y 1
Se ha creado un generador de impulsos (1,1seg.) para la ejecución de la PMCR
de lectura de tensión aplicada al motor. Para visualizar la frecuencia de salida y la
intensidad, se usa el bit CF102 en flanco ascendente y descendente.
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LÍNEA DE PROGRAMA 2
El bit W100.00 se activa al pulsar la tecla “MARCHA DERECHA” de
la pantalla de control en la NS. La función MOV carga el valor 1 en
el DM 1202 en el cual está guardada la información de puesta en
marcha a mandar al variador (1 equivale a arranque del motor a derechas).
LINEA DE PROGRAMA 3
El bit W100.03 se activa al pulsar la tecla “MARCHA IZQUIERDA”
de la pantalla de control en la NS. La función MOV carga el valor 2
en el DM 1202 en el cual está guardada la información de puesta
en marcha a mandar al variador (2 equivale a arranque del motor
a izquierdas).
LINEA DE PROGRAMA 4
El bit W100.01 se activa al pulsar la tecla “PARO” de la
pantalla de control en la NS. La función MOV carga el
valor 0 en el DM 1202 en el cual está guardada la información de puesta en
marcha a mandar al variador (0 equivale a paro del motor).
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Cada vez que se pulsa uno de los tres pulsadores anteriores, se ejecuta la
instrucción PMCR encargada de la puesta en marcha del motor (si el bús NO está
ocupado “1919.15”).
#F115.— (canal de control 1) Puerto lógico en automático (F), Puerto
físico RS422 (1), número de unidad 5 (15) más 10.
#0.— (canal de control 2) Número de secuencia a utilizar (0. Ver tabla
página 2). Puesta en marcha y parada del motor.
D1200.—(primer canal de envío) Al poner éste DM, la información a enviar
estará en el DM12002 (ver apartado d de éstos apuntes).
o D1200 a 0003 por utilizar tres canales.
o D1201 a 0100 por que el variador es el esclavo nº 1(los dos ceros de la
derecha NO cuentan).
o D1202 a 0, 1 o 2 en función de la orden a dar al motor (desde programa):
0 – paro
1 – marcha derecha
2 – marcha izquierda
D1300.—(primer canal de recepción) En este caso (escritura) no es
relevante.
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LINEA DE PROGRAMA 6 (Selección frecuencia de referencia).
“Tocando” en la NS, en el display de visualización de la frecuencia de referencia,
se abre una ventana de teclado, desde la cual se puede introducir el nuevo valor
de la frecuencia de referencia, en dicha ventana se visualizan los valores mínimos
y máximos que se pueden introducir, definidos en la configuración de la Entrada
Numérica. (Ver imágenes en las que se define dichos valores, la escala a utilizar y
la zona de memoria en donde se deposita la información al pulsar “ENTER”).
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Escrito el nuevo valor de frecuencia de referencia, se ha asignado a la tecla
ENTER el bit W100.02 de forma que al pulsarla, se ejecuta la instrucción PMCR
de la línea de programa 7, escribiéndose el nuevo valor en el DM1002 de forma
que si el motor estaba funcionando, adopta inmediatamente el nuevo valor de la
frecuencia de referencia y funciona a la nueva velocidad (de forma progresiva
según el valor de la rampa de arranque).
La configuración de la instrucción PMCR es similar al caso anterior. En el canal de
control 2 se pone #1, ya que según la tabla de la página dos, este valor
corresponde a la secuencia de “referencia de velocidad”. En el primer canal de
envío se ha puesto el DM1000 ya que según el documento 3G3MV PROTOCOL
MACRO, la información a enviar estará en el DM1002
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LINEA DE PROGRAMA 7
Dado que al pulsar la tecla INTRO del teclado numérico se ha forzado a SET el bit
W100.02, inmediatamente se le hace un RSET (una vez ejecutada la PMCR).
LINEA DE PROGRAMA 8 (selección tiempo de rampa de arranque)
Al tocar el display numérico de “Tiempo de Rampa de Arranque” se abre la
ventana de teclado numérico que permite introducir el nuevo tiempo de arranque a
seleccionar. Igual que al introducir la frecuencia de referencia, en la configuración
de la entrada numérica correspondiente se indican: los valores máximo y mínimo
(80 y 0), escala (0,1), DM donde se guarda el valor (dm1012) y bit de ejecución de
la orden (W100.04).
IMPORTANTE. En el canal de control 2, el valor siempre se escribe en
hexadecimal, por lo que el valor escrito en este PMCR (#C9) corresponde al valor
201 que se visualiza en la tabla de la página 2.
LINEA DE PROGRAMA 9
Igual que en la línea de programa 7, el bit que se ha puesto a SET desde INTRO
en la ventana de teclado, se pone de forma inmediata a RSET, una vez ejecutada
la PMCR correspondiente.
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LINEAS DE PROGAMA 10 y 11
Igual que las dos anteriores pero con la función de seleccionar el tiempo de la
rampa de parada. El dato del canal de control 2 (#CA) equivale en hexadecimal al
valor 202 que es la selección del número de secuencia para tiempo de
desaceleración.
LINEAS DE PROGRAMA 12, 13 y 14
Las tres últimas líneas del programa ejecutan instrucciones PMCR que se utilizan
para la visualización en la NS de los valores actuales del motor de: tensión,
intensidad y frecuencia. Son PMCR de lectura. No se pueden ejecutar de forma
simultánea, por ello su ejecución depende de que esté el bus disponible (1919.15)
y de unos tiempos de ejecución programados (una vez cada segundo en flanco
ascendente ó descendente y una vez cada 1,1 segundo).
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El valor del dato de control 2 es el que en la tabla de la página 2 (en hexadecimal)
viene especificado para cada secuencia.
En el primer canal de envío, los valores escritos en los DMs son:
DM1030, DM140 y DM150 se ponen a 2 por que sólo se utilizan dos DMs
DM1031, DM1041 y DM1051 se ponen a 0100 ya que la lectura se va a
efectuar del variador esclavo 1.
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En el primer canal de recepción se pone una dirección de canal tal, que luego la
NS utiliza esa dirección de canal más uno. En el primer PMCR se ha escrito el
DM1130 lo que indica que el valor leído del variador, se escribirá en el DM1131
del cual leerá la NS.
HART (Highway Addressable Remote Transducer)
HART es un protocolo de comunicación digital que opera sobre un bucle de
corriente convencional 4-20 mA. Utiliza una onda senoidal de baja frecuencia
como portadora analógica de la información digital, mediante modulación por
desplazamiento de frecuencia (FSK: Frequency Shift Keying). Utiliza una
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frecuencia de 1.200 Hz para codificar un “1" y una frecuencia de 2.200 Hz
para codificar un "0". Al tener su valor medio nulo, la señal modulada no afecta
a la corriente del bucle. La velocidad de transferencia de este protocolo es
de 1.200 bps. y puede alcanzar distancias de 3.000 metros con el uso de
cable de par trenzado apantallado.
El método de acceso al medio es un método de sondeo y selección
principal-subordinado. Pueden existir hasta dos estaciones principales
(primaria y secundaria). En un mensaje HART pueden ser transmitidas hasta
cuatro variables de proceso y cada dispositivo puede tener un máximo de
256. Existe un modo de comunicación en ráfaga (burst), mediante el cual un
subordinado difunde continuamente un mensaje de respuesta.
Admite configuraciones punto apunto y multipunto. En las configuraciones
multipunto se puede conectar hasta 30 dispositivos sobre un cable de 2 hilos.
En este caso no se utiliza la señal analógica y toda la información es
transmitida mediante la comunicación digital HART.
El protocolo HART contempla tres tipos de órdenes: universales, de uso
habitual (common practice) y específicas. Las órdenes universales son
entendibles por todos los dispositivos HART (por ejemplo, lectura del nombre
del fabricante y tipo de dispositivo). Las órdenes de uso habitual son
entendibles por la mayoría de los dispositivos HART, pero no por todos. Las
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órdenes específicas son exclusivas de cada dispositivo HART. Existe un
lenguaje de descripción de dispositivos (DDL: Device Description Language)
que trata de aumentar la interoperabilidad a un mayor nivel que el
proporcionado por las órdenes universales y de uso habitual, pudiendo
configurar cualquier dispositivo HART mediante este lenguaje.
fieldbus
Los encargados de desarrollar estos protocolos fueron un consorcio de industrias que se
denominaron "Fieldbus Foundation (Fundación Fieldbus)", que sin fines de lucro, buscaron
integrar las comunicaciones a niveles de campo.
Fieldbus Foundation representa los principales proveedores de
la industria de automatización de procesos y los usuarios finales en todo el mundo. Han asumido
un papel de liderazgo en el desarrollo de buses de campo de las comunicaciones digitales y las
arquitecturas de sistemas integrados basados en normas regionales e internacionales.
La Fundación Fieldbus ha dado varios pasos para adquirir la madurez y la aceptación para
su tecnología. A continuación algunos acontecimientos que se han dado en este camino.
Finalización de las especificaciones del anteproyecto H1, mayo de 1995.
Demostración de la tecnología H1 en Monsanto Chocolate Bayou, octubre de 1996.
El registro de los primeros productos Fieldbus H1, septiembre de 1998.
Finalización de los proyectos de especificación preliminar del Ethernet de
alta velocidad (HSE), septiembre de 1999.
El registro de los primeros dispositivos de enlace HSE, mayo de 2001.
Demostración de HSE y los bloques flexibles de función (ICAR), mayo de 2005.
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Finalización de las especificaciones del protocolo SIF, 2005.
Demostración de la Tecnología de SIF en "Shell Global Solutions", Amsterdam, mayo de
2008.
Internacionalmente, las asociaciones de usuarios finales, tales como NAMUR (Alemania) y Jemima
(Japón) han expresado su apoyo a la Fundación. Así también esta estandarización fue reconocida
por organismos internacionales de gobierno, como:
ANSI / ISA, septiembre de 1992
IEC, diciembre de 1999
CENELEC, marzo de 2000
Hay dos partes importantes de la arquitectura del sistema Fieldbus: la interconexión y aplicación.
La interconexión se refiere a la transmisión de datosdesde un dispositivo a otro, puede ser un
dispositivo de campo, operador de consola o un configurador. Esta es la parte del protocolo
de comunicaciónde bus de campo.
La aplicación es la función de automatización que el sistema realiza. Mediante la estandarización
de parte de la aplicación, Fieldbus ha ido más lejos que cualquier otro estándar de comunicación,
garantizando la interoperabilidad entre los productos.
La arquitectura de aplicación de Fieldbus se apoya en la distribución de las tareas de
automatización a los dispositivos de campo que están interconectados a una red.
Las funciones más básicas realizadas por un dispositivo se modelan como bloques. Los bloques
cooperan y se interconectan entre sí, apoyando a la propagación de parámetros entre los
dispositivos, y el operador.
La arquitectura de interconexión Fieldbus se basa en un subconjunto de tres capas de la
arquitectura OSI (interconexión de sistemas abiertos), modelode referencia elaborado por
la ISO (International Organization for Standardization). Los modelos de la aplicación OSI,
la gestión del sistema, así como también la arquitectura de aplicación de Fieldbus, se basan en
conceptos de Programación Orientada a Objetos (POO). Ambas modelos, OSI y OOP se utilizan
para simplificar la comprensión de la funcionalidad de fieldbus.
Modelo OSI
El modelo de referencia OSI es un estándar reconocido internacionalmente para arquitecturas de
red en la que se basan las redes abiertas. El estándar se ha desarrollado como un modelo para
las telecomunicaciones en todos los niveles. Todas las funciones (tales como: hacer frente a las
instalaciones, la comprobación de errores y codificación y decodificación) de una red se han
agrupado en conjuntos lógicos llamados capas, que en total son siete. La parte de la aplicación
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realizada por el sistema, se realiza en un dispositivo que se llama el proceso de aplicación (AP).
Una capa de la pila sólo interactúa con las capas inmediatamente por encima y por debajo.
Profibus
PROFIBUS es un bus de campo standard que acoge un amplio rango de aplicaciones en fabricación,
procesado y automatización.
La independencia y franqueza de los vendedores está garantizada por la norma EN 50 170. Con
PROFIBUS los componentes de distintos fabricantes pueden comunicarse sin necesidad de ajustes
especiales de interfaces. PROFIBUS puede ser usado para transmisión crítica en el tiempo de datos
a alta velocidad y para tareas de comunicación extensas y complejas. Esta versatilidad viene dada
por las tres versiones compatibles que componen la familia PROFIBUS: PROFIBUS PA, PROFIBUS DP
y PROFIBUS FMS.
En el año 1987, las firmas alemanas Bosch, Klöckner Möeller y Siemens iniciaron un proyecto de
desarrollo de una arquitectura de comunicaciones industriales que permitiera la interconexión de
equipos de distintos fabricantes. Esta fue la base de un grupo de trabajo al que se integraron otras
grandes empresas tales como ABB, AEG, Landis&Gir, etc., algunas universidades y organizaciones
técnicas estatales, entre ellas la propia VDE y el Ministerio Federal de Investigación Alemán. Se
formaron varios grupos de trabajo en distintas áreas, cuya tarea esencial fue la de desarrollar un
sistema abierto de comunicaciones apto para integrar desde los sencillos transductores y
elementos de campo, pasando por los autómatas y controles numéricos hasta llegar al nivel de los
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miniordenadores para diseño y gestión de la producción. El primer objetivo fue sólo el diseño de
un bus de campo con una estructura abierta y un protocolo compatible que permitiera enlazar con
una red adoptada como base en los niveles superiores (MAP), con lo que resultó el proyecto de
normas y protocolos que se estudiarán com más profundidad en apartados posteriores. A partir
del año 1990 se abrió la posibilidad para cualquier usuario o empresa de integrarse en un
consorcio denominado PROFIBUS Nutzerorganisation, que a través de diversos comités sigue
desarrollando y dando soporte al nivel de aplicación y certificación de productos.
PROFIBUS es actualmente el líder de los sistemas basados en buses de campo en Europa (1) y
goza de una aceptación mundial. Sus áreas de aplicación incluyen manufacturación,
automatización y generación de procesos. PROFIBUS es un bus de campo normalizado
internacional que fue estandarizado bajo la norma EN 50 170. Esto asegura una protección óptima
tanto a los clientes como a los vendedores y asegura la independencia de estos últimos. Hoy en
día, todos los fabricantes líderes de tecnología de automatización ofrecen interfaces PROFIBUS
para sus dispositivos. La variedad de productos existentes incluye más de 1500 elementos y
servicios, de los cuales 400 están certificados, asegurando un funcionamiento sencillo y correcto
incluso en redes de diferentes fabricantes. PROFIBUS ha sido usado satisfactoriamente en
alrededor de 200000 aplicaciones en todo el mundo y se han instalado más de 2000000
dispositivos.
PROFIBUS PA:
- Diseñado para automatización de procesos.- Permite la conexión de sensores y actuadores a una
línea de bus común incluso en áreas especialmente protegidas.- Permite la comunicación de datos
y energía en el bus mediante el uso de 2 tecnologías (norma IEC 1158-2).
PROFIBUS DP:
Optimizado para alta velocidad.- Conexiones sencillas y baratas.- Diseñada especialmente para la
comunicación entre los sistemas de control de automatismos y las entradas/salidas distribuidas.
PROFIBUS FMS:
Solución general para tareas de comunicación a nivel de célula.- Gran rango de aplicaciones y
flexibilidad.- Posibilidad de uso en tareas de comunicación complejas y extensas.
La independencia y franqueza de los vendedores está garantizada por la norma EN 50 170 y sus
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características universales que cubren una amplia gama de aplicaciones en fabricación, procesado
y automatización de procesos.
Capa Física
La tecnología de transmisión más usada es la RS 485, conocida habitualmente como H2. Su área de
aplicación comprende aquellas aplicaciones donde prima su simplicidad, la velocidad de
transmisión y lo barato de la instalación. Se usa un par diferencial con cable trenzado, previsto
para comunicación semi-duplex, aunque también puede implementarse con fibra óptica y enlaces
con estaciones remotas vía módem o vía radio. La velocidad de transmisión varía entre 9.6Kbits/s
y 12Mbits/s, dependiendo del medio físico.
Al conectar varias estaciones, hay que comprobar que el cable de las líneas de datos no sea
trenzado. El uso de líneas apantalladas es absolutamente esencial para el logro de una alta
inmunidad del sistema en ambientes con emisiones altas de electromagnetismo (como en la
fabricación de automóviles). El apantallamiento se usa para mejorar la compatibilidad
electromagnética (CEM).
Capa Enlace
La Capa 2 o Capa de Enlace (FDL – Fieldbus Data Link) define el protocolo de acceso al bus y se
encarga de establecer el orden de circulación del testigo una vez inicializado el bus, adjudicando el
testigo en el arranque, en caso de pérdida del mismo, o en caso de adición o eliminación de
estaciones activas.
Capa aplicación /perfiles de aplicación / perfiles de dispositivos
Es actualmente el único bus de campo del mundo que cumple estos requisitos. Este bus de campo
es el único capacitado para interconectar áreas de producción industriales de forma homogénea,
gracias a las tecnologías de transmisión complementarias, a un perfil de comunicación unificado y
a los perfiles aditivos de aplicación para funcionalidades típicas de dispositivos, como p. ej. PA
Devices, PROFIdrive o PROFIsafe. Otros perfiles de aplicación ofrecen la posibilidad de integrar las
instalaciones existentes de forma continua, incluyendo una tecnología de 4 a 20 mA e dispositivos
HART y, de este modo, se aseguran a largo plazo las inversiones relacionadas.
El profibus tiene tres perfiles:
Orientado a sensores/actuadores enlazados a procesadores (PLCS) o terminales.
Para control de proceso y cumpliendo normas especiales de seguridad para la industria química
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(IEC 1 1 15 8-2, seguridad intrínseca).
Para comunicación entre células de proceso o equipos de automatización. La evolución de
Profibus hacia la utilización de protocolos TCP/IP para enlace al nivel de proceso hace que este
perfil esté perdiendo importancia.
Utiliza diferentes capas físicas. La más importante, en PROFIBUS DP, está basada en ElA RS-485.
Profibús PA utiliza la norma IEC 11158-2 (norma de comunicación síncrona entre sensores de
campo que utiliza modulación sobre la propia línea de alimentación de los dispositivos y puede
utilizar los antiguos cableados de instrumentación 4-20 mA) y para el nivel de proceso se tiende a
la utilización de Ethernet. También se contempla la utilización de enlaces de fibra óptica. Existen
puentes para enlace entre diferentes medios, además de gateways que permiten el enlace entre
perfiles y con otros protocolos.
Se distingue entre dispositivos tipo maestro y dispositivos esclavo. El acceso al medio entre
maestros se arbitra por paso de testigo, el acceso a los esclavos desde un maestro es un proceso
de interrogación cíclico (polling). Se pueden configurar sistemas multimaestro o sistemas más
simples maestro-esclavo.
En Profibus DP se distingue entre: maestro clase 1 (estaciones de monitorización y diagnóstico),
maestro clase 2 (elementos centralizadores de información como PLCS, PCs, etc.), esclavo
(sensores, actuadores).
El transporte en Profibus-DP se realiza por medio de tramas según IEC 870-5-1. La comunicación se
realiza por medio de datagramas en modo broadcast o multicast. Se utiliza comunicación serie
asíncrona por lo que es utilizable una UART genérica.
Profibus DP prescinde de los niveles ISO 3 a 6 y la capa de aplicación ofrece una amplia gama de
servicios de diagnóstico, seguridad, protecciones etc. Es una capa de aplicación relativamente
compleja debido a la necesidad de mantener la integridad en el proceso de paso de testigo (un y
sólo un testigo)
Profibus FMS es una compleja capa de aplicación que permite la gestión distribuida de procesos al
nivel de relación entre células don posibilidad de acceso a objetos, ejecución remota de procesos
etc. Los dispositivos de definen como dispositivos de campo virtuales, cada uno incluye un
diccionario de objetos que enumera los objetos de comunicación. Los servicios disponibles son un
subconjunto de los definidos en MMS (ISO 9506)
Las plataformas hardware utilizadas para soportar Profibus se basan en microprocesadores de 16
bits más procesadores de comunicaciones especializados o circuitos ASIC como el LSPM2 de
Siemens. La PNO se encarga de comprobar y certificar el cumplimiento de las especificaciones
PROFIBUS.
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Entre sus perspectivas de futuro se encuentra la integración sobre la base de redes Ethernet al
nivel de planta y la utilización de conceptos de tiempo real y filosofía productor-consumidor en la
comunicación entre dispositivos de campo.
Las distancias potenciales de bus van de 100 m a 24 Km (con repetidores y fibra óptica). La
velocidad de comunicación puede ir de 9600 bps a 12 Mbps. Utiliza mensajes de hasta 244 bytes
de datos.
Ejemplos de aplicación
La implementación del protocolo PROFIBUS es sencilla y barata debido a la amplia gama de chips
disponibles en la actualidad. Esto ahorra el tiempo consumido y tareas caras como
implementaciones individuales, consiguiendo una disponibilidad rápida de los productos.
En principio, el protocolo PROFIBUS puede ser implementado en cualquier microprocesador
equipado interna o externamente con una interface serie asíncrona (UART). Sin embargo, el uso
de chips protocolares (ASICs) es muy recomendable cuando el protocolo vaya a ser ejecutado a
velocidades mayores de 500 Kbits/seg. O cuando se requiere una conexión en cierto tipo de
tecnologías (p. ej. IEC 1158-2).
La decisión sobre el método a seguir en la implementación dependerá básicamente de la
complejidad del elemento de campo, la actuación necesaria y la funcionalidad requerida. Se
muestran a continuación algunos ejemplos de implementación:
Es la forma más simple. Todas las funciones del protocolo están integradas en un único chip, sin
necesidad de un microprocesador o software adicional. Sólo se necesita un director de interface y
un reloj como componentes externos
- Implementación de esclavos inteligentes FMS y DP:
Las partes críticas en el tiempo del protocolo PROFIBUS son implementadas en un chip protocolar
y las partes restantes son implementadas bajo software en un microcontrolador. Hay una amplia
gama de chips disponibles para esclavos inteligentes. (68360 de Motorola, SPC3 de Siemens, V-
SPC3 de VIPA, etc.).
- Implementación de maestros complejos FMS y DP:
Se implementan de la misma forma que los explicados en al apartado anterior y presentan
también una amplia oferta de dispositivos (PBM de IAM, ASPC2 de Siemens, etc.).
- Implementación de dispositivos de campo PA:
Cuando se implementa un dispositivo de campo PROFIBUS PA, es particularmente importante un
bajo consumo de energía ya que generalmente sólo está permitida una circulación de corriente de
10mA. En dispositivos protegidos internamente. Chips especiales (SIM 1 de Siemens, FCHIP-1 de
ShipStar, etc.) están diseñados para cumplir tales requisitos.
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Se puede por tanto concluir que la aplicación de PROFIBUS está orientada a una serie de servicios
orientados a la conexión de dispositivos de muy distinta índole. Se pretende garantizar así la fácil
integración del bus en la estructura de automatización jerárquica, manejando a nivel inferior el
control del flujo de información y el estado de las conexiones.
Otro ejemplo de Aplicación
En los sistemas de control actuales, se tiene especial interés en integrar diferentes tecnologías,
incluyendo las redes de comunicación industrial. En este contexto, el Departamento de Ingeniería
Química y Bioprocesos de la Pontificia Universidad Católica de Chile se impuso el desafío de
integrar instrumentación Foundation Fieldbus, con su protocolo FF-H1, a la red de comunicación
industrial Profibus DP, para garantizar así la interoperabilidad de estas tecnologías con el sistema
de control distribuido Simatic PCS-7. Para esta tarea, la universidad contó con la cooperación de la
División Automation & Drives de Siemens Chile. En este artículo, se describen los resultados
referenciales sobre las aplicaciones de integración entre FF-H1, Profibus DP, Profibus PA y Simatic
PCS7, mediante la apropiada configuración de un bridge DP/FF Link.
Para este proyecto se utilizó equipamiento estándar Siemens para soluciones de control de
procesos, específicamente para su red de instrumentación inteligente Profibus PA. Asimismo, se
implementó una interfaz de hardware y software llamada "HMS AnyBus X DP/FF Link", para
integrar los dispositivos Foundation Fieldbus a la red de comunicación Profibus DP.
Profibus-DP comunica las señales de campo descentralizadas conectándolas al sistema de
automatización central. También es posible comunicar a través de este protocolo componentes de
diversos fabricantes. Por su parte, Profibus-PA, variante de Profibus-DP ampliada con funciones de
seguridad intrínseca, permite integrar dispositivos de campo en el sistema de automatización
corporativo que abarca las funciones de control y regulación.
DEVICENET Características físicas
Permite conectar hasta 64 nodos entre los cuales se pueden encontrar los siguientes dispositivos:
Limit switch, sensores, arrancadores, lectores código de barras, variadores de velocidad e
interfaces con el operador.
Las velocidades de red varían entre 125K, 250K o 500Kbps, con longitudes de 100m, 250m o 500m
dependiendo de las características del cable de comunicaciones.
Como su propio nombre indica, DeviceNet es un bus estándar de campo para comunicación entre
dispositivos. DeviceNet es mucho mas que una simple red de sensores, gracias a que permite
integrar un amplio rango de dispositivos que van desde variadores de velocidad hasta botoneras y
desde PLCs hasta dispositivos neumáticos.
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De hecho, para poder conseguir este rango de dispositivos, en muchos casosse debería de utilizar
dos buses de campo con diferentes protocolos con la finalidad de igualar esta capacidad.
Debido a que DeviceNet está basado en el modelo Productor/Consumidor, ofrece opciones de
funcionamiento basadas en eventos de tiempo (las cuales incrementan el rendimiento de la red en
general).
DeviceNet permite configurar en tiempo real una serie de dispositivos en red. Los parámetros de
la configuración pueden ser guardados en la memoria del ordenador para posteriormente
transferir la información en caso de ser necesario reemplazar algún dispositivo, también es posible
reemplazar dispositivos conectados a la red en funcionamiento sin afectar las comunicaciones.
Gracias a DeviceNet se puede seleccionar entre más de 181 suministradores en todo el mundo que
pertenecen a la Asociación de Vendedores DeviceNet (ODVA), órgano directivo de DeviceNet.
Ventajas
Reducción del coste de instalación.
Reducción del tiempo de puesta en marcha.
Reducción de los tiempos de paro, los diagnósticos de dispositivos permiten diseñar
estrategias de mantenimiento preventivo.
Mayor productividad y calidad en los productos, los dispositivos pueden proporcionar más
información, con mayor precisión y fiabilidad.
Proporciona una instalación simple y flexible que no requiere unas herramientas
especiales.
Integración de un amplio rango de dispositivos.
Características físicas
Topología de bus lineal, compuesta por una línea troncal y derivaciones.
Número máximo de nodos = 64.
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La longitud máxima de la línea troncal está directamente relacionada con la velocidad de
transmisión y del tipo de cable.
La longitud máxima de la línea de derivación únicamente depende de lavelocidad de
transmisión.
Se pueden realizar conexiones directas a dispositivos en la línea troncal, únicamente si al
extraer el dispositivo no se provocan perturbaciones en la red.
Configuración de dispositivos en tiempo real.
Extracción y sustitución de dispositivos de la red en tensión.
Paquetes de dados de 8 bytes.
Alimentación y señal de comunicación en el mismo cable.
Figura 1. Características físicas DeviceNet
Empresas proveedoras:
-Softing, STZP, Huron, Networks, SST, etc.
Herramientas de diseño
-Monitor CAN (Tarjeta para PC)
-Tarjetas DeviceNet compatibles con el PC
Cuatro tipo de conectores: mini, micro, open style y screw terminals
Parámetros de configuración de comunicaciones: MAC ID y velocidad de conexión
Parámetros de configuración de la aplicación: Serán leídos a través de mensajes de lectura
explícitos
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Figura 2. RS232 a DeviceNet
Aplicaciones
CONTROL NET
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ControNet es una red abierta de control en tiempo real, determinista, repetible y de alta velocidad
que integra PLC, E/S, variadores, etc. Apareció de la mano de Allen-Bradley en 1995. Apropiada
para aplicaciones discretas y control de procesos.
Dado que ControlNet se basa en una arquitectura productor/consumidor, permite que múltiples
controladores trabajen en el mismo sistema. Esto significa que varios PLC o otros controladores
pueden controlar sus propias E/S y comunicarse entre ellos mediante la red, ahorrando costes y
eliminando las necesidades de mantener redes individuales para realizar la misma función.
La Red ControlNet corresponde a una red determinística de alta velocidad usada para
transmisión de información en aplicaciones donde el tiempo sea un factor critico,
manejando velocidades hasta de 5Mbps a una distancia máxima de 30Km.
ControlNet es una red de fácil configuración y mantenimiento, combinando control de
entradas/salidas y programación sobre el mismo medio físico. Además posee característica
de Multicat y Redundancia.
Comunicación con opciones intrínsicamente seguras.
Ofrece una alta velocidad de datos a un alto rendimiento.
Utiliza un máximo de 99 nodos, sin distancia mínima entre ellos.
Multidifusión (Multicast) con ambas entradas y entre iguales (peer-topeer)
para información reducida.
Proporciona una instalación simple y flexible que no requieren unas
herramientas especiales.
Incorpora diagnósticos del sistema, que hacen más fácil configurar y
mantener la red.
Permite seleccionar el tiempo de actualización del procesador PLC y de
las E/S.
Permite la comunicación con múltiples dispositivos en la misma
comunicación.
Determinismo, exacta determinación del tiempo de actualización, por
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ejemplo, se puede determinar que el tiempo de actualización de las E/S
digitales sea cada 3 mseg.
Repetibilidad, garantía del mantenimiento de los tiempos de actualización en todos los
casos posibles.
Programación desde cualquier punto de la red.
Transferencia de datos
ControlNet tiene dos métodos diferentes de tratamiento de la información.
1. Información crítica en el tiempo:
Son datos de control en tiempo real, datos analógicos o interlocking entreiguales. Tienen la
prioridad más alta.
2. Información no crítica en el tiempo:
Información relacionada con el sistema que está siendo controlado, son mensajes entre iguales
(MSG) o programación (Uploads y Downloads). La transferencia de datos no críticos en el tiempo
no tienen impacto en la gestión de transferencia de datos críticos, por lo tanto tienen la prioridad
más baja.
Ancho de banda
Se define como ancho de banda en una red de comunicación, la capacidad de esta para transmitir
información, por ejemplo, utilizando un símil de tráfico de coches, podemos decir que una
carretera comarcal tiene un ancho de banda inferior a una carretera nacional i las dos lo tienen
inferior a una autopista. En este caso el ancho de banda estaría en función del número de
carriles.
El ancho de banda en ControlNet se reparte en función de la importancia (en el tiempo) de los
datos a transmitir, es decir, el ancho de banda se reserva/configura para soportar la transferencia
de datos en tiempo real, llamado servicio Scheduled.
Cada nodo en ControlNet puede reservar o pre-asignar el ancho de banda que necesita para la
transferencia de datos en tiempo real.
Los datos enviados en el ancho de banda Scheduled son deterministas y repetitivos. El resto de
ancho de banda se utiliza para los datos no críticos en el tiempo, banda Unscheduled, estos datos
no son ni deterministas ni repetitivos.
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Características físicas
Cable coaxial RG6, standard usado en industria TV, económico, alta
inmunidad al ruido.
Topologías Bus, estrella, árbol mediante repetidores ó combinaciones.
Número máximo de nodos = 99.
Cada nodo incorpora un NAP (Puerto Acceso Red), permite la conexión
de teminales de programación en cualquier punto de la red.
Longitud máxima de un segmento = 1000m.
Distancia mínima entre taps = 0m.
Número máximo de repetidores, 5 en serie y 48 en paralelo. Su función es la de extender
la longitud física e incrementar el número de nodos.
Figura 3. Características físicas ControlNet
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CANOPEN
El CAN (red de área de controlador) fue desarrollado originalmente para los sistemas integrados
de los automóviles, y actualmente se utiliza en muchos campos, tales como:
Transporte,
equipos móviles,
equipos médicos,
construcción y
control industrial.
Las principales cualidades del sistema CAN son:
El sistema de asignación del bus,
la detección de errores y
la fiabilidad de los intercambios de datos.
CANopen
CANopen especifica el protocolo de capa superior y está basado en CAN.
Características generales de CANOpen
CANOpen es un bus de tipo serie, basado en CAN, que trabaja con dispositivos que disponen de un
transceptor CAN (interfaz conexionado/señal) y un controlador CAN (parte control), tal como
especifica la norma ISO11898.
Se puede decir que CANOpen es un compuesto entre CAN y una serie de servicios de
comunicación. Algunos datos:
o 2 pares trenzados (blanco, azul, negro, rojo)
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o Protocolo multimaestro (Solo un maestro en bus CANOpen y dispositivos de
Schneider Electric)
o Topología: en serie y/o con derivaciones
o Finales de línea (2 resistencias de 120 ohmios por segmento)
o Velocidad: 1Mbit a 40m // 50kbit a 1Km
o Muy robusto y económico
o Productor/consumidor y maestro/esclavo
o 64 nodos máximo por segmento y 127 nodos en el bus.
o Funciones de comunicación.
CANopen: transparente para Ethernet
CAN in Automation y Modbus-IDA han trabajado estrechamente para emitir un estándar que
permite la transparencia entre CANopen y Modbus TCP/IP. Esta colaboración derivó en la
especificación CiA DSP309-2, que ofrece una definición estándar para la comunicación entre
Modbus TCP/IP y una red CANopen.
En la especificación se definen los servicios de asignación de forma que los dispositivos CANopen
se puedan comunicar en una red Modbus TCP/IP a través de un dispositivo Gateway. El acceso a la
información de un dispositivo CANopen se admite tanto en lectura como en escritura, junto con
toda una variedad de funciones de control de dispositivos. Esta especificación es el primer
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estándar que permite la instalación de un estándar de comunicación abierto entre Modbus TCP/IP
y CANopen. Orienta la solución de red de Schneider Electric hacia una mejor integración,
diagnóstico y configuración en aplicaciones distribuidas. Permite que las máquinas y las
instalaciones se conecten perfectamente a una planta Ethernet que combine las ventajas de cada
red en su propia área específica.
Arquitectura general de una red CANopen
Descripción general
La red CANopen utiliza un cable de par trenzado para transmitir las distintas señales, que termina
en ambos extremos físicos con resistores de 120 Ω (LT en la ilustración que aparece a
continuación). Para los nodos CANopen se utiliza una señal de masa separada como referencia
común.
Representación gráfica
En el esquema siguiente se muestra una arquitectura CANopen general:
Cada componente CANopen de Schneider Electric permite una interconexión de las señales
siguientes:
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Topología básica
La red CANopen consta de una línea de transmisión que debe estar terminada en ambos extremos
físicos con resistencias de terminación.
Una caja de derivación en combinación con cables de derivación forma una topología en estrella
parcial. Para minimizar los reflejos, es necesario mantener los cables de derivación lo más cortos
posible. La longitud máxima de los cables de derivación depende de la velocidad de transmisión.
Para obtener una lista de las longitudes de cable permitidas, consulte la tabla Longitud máxima del
cable.
Ejemplo de una topología básica
Topología con un repetidor
La red CANopen puede estar compuesta por un único segmento o por varios segmentos
conectados entre sí mediante un repetidor CAN.
Ejemplo de topología con repetidor
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En la siguiente ilustración se muestra un ejemplo de topología que incluye un repetidor:
Funciones del repetidor
Un repetidor:
Proporciona una actualización de las señales CAN, lo que permite que haya más de 64
nodos.
Puede proporcionar aislamiento entre el segmento. Cada uno de esos segmentos debe
estar terminado.
Es transparente desde el punto de vista de la red, porque simplemente reenvía las señales
CAN. Esto quiere decir que los dispositivos conectados al bus participan en el mismo
arbitraje.
No permite aumentar la longitud total del cable. Para conocer la longitud máxima de cable
permitida, consulte la tabla Longitud máxima del cable.
Encadenamiento del cable
El encadenamiento del cable de un nodo al siguiente se realiza mediante los conectores de
cable de dos formas diferentes: Conectando dos cables al mismo conector de cable. Esta
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técnica, ampliamente utilizada, permite desconectar el conector de cable del dispositivo
(por ejemplo,para sustituir el dispositivo) sin interrumpir la red.
Conectando los dos cables a conectores de cable individuales en los dispositivos que
proporcionan dos conectores de cable (nodo 5 en el ejemplo anterior). La técnica de
encadenamiento se utiliza especialmente en dispositivos de alta protección (por ejemplo,
dispositivos IP67) o en sistemas de cableado optimizados en el armario.
Ejemplo de topología con puente
En la figura siguiente se muestra un ejemplo de topología que incluye un puente:
Funciones del puente
Un puente
z Separa la red global CAN en subredes más o menos independientes.
z Proporciona un arbitraje individual para cada subred.
z Proporciona la posibilidad de que cada subred tenga su propia velocidad de transmisión.
z Se basa en el principio de guardar y reenviar, es decir, los mensajes CAN se reciben por
una subred y se reenvían a otra subred.
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z Permite utilizar reglas de filtrado y traducción.
z Permite que se realice adaptación de protocolos entre las subredes. A diferencia del
repetidor CAN, el puente CAN permite ampliar el tamaño máximo de la red.
Topología con fuente de alimentación externa
Para proporcionar alimentación a los nodos de la red CANopen, se puede conectar una fuente de
alimentación externa a una caja de derivación.
Cajas de derivación de alimentación
Hay disponibles dos tipos de cajas de derivación de fuente de alimentación:
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Instalación de cables
El bus CANopen está diseñado para funcionar en el interior de edificios en el entorno de un taller o
una fábrica. Como sucede en el caso de otros buses industriales, debe respetar las estrictas reglas
de instalación con el fin de garantizar un óptimo rendimiento del bus.
Apantallamiento y conexión a masa
Para limitar las perturbaciones de modo común y para lograr un nivel elevado de solidez contra
CEM, tome las siguientes precauciones:
z Conecte los dispositivos CANopen a una toma de tierra común (CAN_GND). Junto con el
aislamiento eléctrico, esto contribuye a garantizar que los dispositivos CANopen estén en
el mismo nivel de referencia.
z Para los dispositivos sin aislamiento eléctrico (consulte el manual de usuario del
dispositivo para saber si están aislados) lleve a cabo otras medidas, como un cable de
conexión equipotencial separado, para contribuir a garantizar el mismo nivel de
referencia.
CANopen utiliza cables apantallados de par trenzado. En cada dispositivo, la pantalla está
conectada a masa funcional. Esto se consigue automáticamente, por ejemplo, con la carcasa
metálica del conector del cable SUB-D 9.
Cableado en armario de CANopen
Los cables, junto con el conector de encadenamiento tipo margarita, dispensan al cliente de
montar los conectores manualmente. En el cableado en armario se utilizan conectores RJ45. Si los
dispositivos CANopen usados en el armario cuentan con un conector RJ45, la topología de red es
un encadenamiento tipo margarita sencillo sin cajas de derivación.
En la ilustración siguiente se muestra un ejemplo de cableado de CANopen dentro de un armario:
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1. VW3 M3 805R010
2. VW3 CAN CARR03
3. TCSCTN023F13M03
4. VW3 CAN CARR01
5. TCSCAR013M120
Existen los siguientes elementos de infraestructura para el cableado en armario:
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Velocidad de transmisión y longitud de cable
CANopen admite hasta 127 dispositivos (el maestro del bus y 126 esclavos remotos). La
velocidad de transmisión depende estrictamente del tipo de cable usado. En el protocolo CAN,
la prioridad de las tramas se gestiona por una colisión entre los niveles dominantes y recesivos
de la línea. Esta colisión debe resolverse durante la transmisión de un bit, lo que limita el
tiempo de propagación de la señal entre dos nodos. En las siguientes tablas se especifica la
longitud máxima de cable principal en función del cable CANopen que proporciona Schneider
Electric (TSXCANCA•••, TSXCANCB••• y TSXCANCD•••).
Longitud máxima del cable
Como consecuencia, la distancia máxima entre los dos nodos más alejados de un bus CAN
depende de la velocidad, y se detalla en la tabla siguiente:
Según la estrategia de red de Schneider Electric, se recomienda utilizar las velocidades 1
Mbit/s, 800 kbit/s, 500 kbit/s, 250 kbit/s y 125 kbit/s para las soluciones de automatización en
el nivel de máquina y de instalación.
NOTA: La longitud máxima asume un tiempo razonable de propagación interna del dispositivo
y punto de muestra de bit. Los dispositivos que presenten tiempos largos de propagación
interna reducirán por este motivo la longitud máxima del cable que de otra manera se podría
alcanzar. Las longitudes de cable de la tabla anterior pueden incluir un cable de derivación si
está en el extremo físico del cable principal.
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Los repetidores reducen la longitud del cable
Los valores anteriores especifican la longitud máxima del cable sin ningún repetidor. Como los
repetidores añaden un tiempo de propagación en el bus, este tiempo reduce la longitud
máxima del bus. Un retardo de propagación de 5 ns produce una reducción de longitud de 1 m
(3 ft). Ejemplo: Un repetidor con un tiempo de propagación de 150 ns reduce la longitud
máxima del cable en 30 m (98 ft).
Longitud máxima del cable frente a número de nodos
Además de las limitaciones de longitud basadas en la velocidad de transmisión, la resistencia
de carga también influye en la longitud máxima del cable. En cualquier caso, el número
máximo de nodos que se pueden conectar en el mismo segmento está restringido a 64. Para
conectar más nodos a un segmento, hay que utilizar un repetidor. En la tabla siguiente se
muestra la influencia del número de nodos en la longitud del cable:
Aislamiento eléctrico de dispositivos CANopen
En los documentos sobre CANopen se suele encontrar el valor de 40 m (131 ft) como máximo
con una velocidad de transmisión de 1 Mbit/s. Esta longitud está calculada sin aislamiento
eléctrico, tal y como se utiliza en los dispositivos CANopen de Schneider Electric. Con dicho
aislamiento eléctrico la longitud mínima de red calculada es de 4 m (13 ft) con una velocidad
de transmisión de 1 Mbit/s. Sin embargo, la experiencia demuestra que 20 m (65 ft) es la
longitud práctica que se puede acortar por derivaciones y otras influencias.
Limitaciones de los cables de derivación
Un cable de derivación crea un reflejo de la señal en la línea de transmisión característico del cable
principal. Para minimizar los reflejos, los cables de derivación deben ser lo más cortos posible.
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Lmax es la longitud máxima de un cable de derivación. }
Lmax es el valor máximo de la suma de cables de derivación en la misma caja de
derivación.
Distancia entre cajas de derivación es la distancia mínima necesaria entre dos cajas de
derivación y puede calcularse para cada una de ellas (debe ser mayor que el 60% del más
largo de los dos valores de Lmax).
LGmax es el valor máximo de la suma de cables de derivación en la red.
la ilustración siguiente se proporciona un ejemplo de un cálculo de distancia entre cajas de
derivación con dos cajas y seis dispositivos:
La distancia entre cajas de derivación en el ejemplo anterior se calcula de la manera siguiente:
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Componentes de infraestructura de CANopen
El cable CANopen proporciona dos pares trenzados. Cada par está apantallado por separado para
reducir las perturbaciones de los cables de alimentación a los cables de señal CANopen. Ambos
pares están apantallados con una trenza de cobre estañado común y un conductor de drenaje
adicional.
Características del par de cables
En la tabla siguiente se enumeran las características de los pares de cables individuales de un cable
CANopen:
Características generales del cable En la tabla siguiente se enumeran las características generales
de los cables CANopen:
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Tipos de cable
TSXCANCA••• sirve para el mercado europeo, LSZH (baja emisión de humos, no halógeno)
TSXCANCB••• sirve para el mercado americano, certificado por CSA y UL, retardante del
fuego
TSXCANCD••• es un cable flexible para entornos extremos con resistencia química muy
buena al aceite y a la grasa, LSZH y preparado para aplicaciones móviles Cada tipo de cable
está disponible en longitudes de 50 m (164 ft), 100 m (328 ft) o 300 m (984 ft).
Características específicas del cable
Conectores del cable SUB-D 9
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En la figura siguiente se muestra el cableado de TSXCANKCDF90T, TSXCANKCDF180T y
TSXCANKCDF90TP:
TSXCANKCDF180T En la figura siguiente se muestra el conector del cable
TSXCANKCDF90T / TSXCANKCDF90TP En la figura siguiente se muestran las dimensiones del
conector del cable TSXCANKCDF90T / TSXCANKCDF90TP:
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CAN es un sistema de bus de acceso múltiple de detección de transportador, con detección de
colisión y arbitraje para establecer prioridades con los mensajes (CSMA/CD+AMP). Puesto que la
colisión en sí misma no se produce en CAN, a menudo se describe como acceso múltiple de
detección de transportador con elusión de colisiones o CMSA/CA (carrier sense multiple access
with collision avoidance).
Arbitraje del bus
Un problema que normalmente se produce con una arquitectura de emisión es que diferentes
nodos de la red pueden realizar envíos al mismo tiempo. CAN resuelve este problema con dos
mecanismos:
a. Estado recesivo y estado dominante:
Un emisor supervisa el medio para comparar si otro nodo también está realizando un envío. Si el
medio está libre, el nodo comienza el envío.
La codificación de bits del medio posee un valor recesivo o dominante.
Estos estados se calculan con la diferencia de tensión entre CAN_L y CAN_H: • Estado recesivo:
VCAN_H - VCAN_L = 0V (-0.5 V a + 50 mV) • Estado dominante: VCAN_H - VCAN_L = 2V (1.5 V a 3.5
V)
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Si dos nodos realizan un envío al mismo tiempo, un receptor sólo verá el valor dominante. En la
codificación binaria, el valor “0” es el dominante y el valor “1” es el recesivo
Cada dispositivo de un cierto tipo, sea del fabricante que sea, comunica sus funciones básicas
mediante el mismo perfil. La información de cada nodo se estructura en un Diccionario de objetos.
Se trata de de comunicaciones de tipo: • Productor/Consumidor para datos configurados
(PDO = Comunicaciones Implícitas)
Maestro/Esclavo para datos programados (SDO = comunicaciones explícitas)
Maestro / Esclavo para gestión de red (NMT)
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ETHERNET Estándares de IEEE La primera LAN (Red de área local) del mundo fue la versión original de
Ethernet. Robert Metcalfe y sus compañeros de Xerox la diseñaron hace más de treinta años. El
primer estándar de Ethernet fue publicado por un consorcio formado por Digital Equipment
Corporation, Intel y Xerox (DIX). Metcalfe quería que Ethernet fuera un estándar compartido a
partir del cual todos se podían beneficiar, de modo que se lanzó como estándar abierto. Los
primeros productos que se desarrollaron a partir del estándar de Ethernet se vendieron a
principios de la década de 1980.
En 1985, el comité de estándares para Redes Metropolitanas y Locales del Instituto de Ingenieros
Eléctricos y Electrónicos (IEEE) publicó los estándares para las LAN. Estos estándares comienzan
con el número 802. El estándar para Ethernet es el 802.3. El IEEE quería asegurar que sus
estándares fueran compatibles con los del modelo OSI de la Organización Internacional para la
Estandarización (ISO). Para garantizar la compatibilidad, los estándares IEEE 802.3 debían cubrir las
necesidades de la Capa 1 y de las porciones inferiores de la Capa 2 del modelo OSI. Como
resultado, ciertas pequeñas modificaciones al estándar original de Ethernet se efectuaron en el
802.3. Ethernet opera en las dos capas inferiores del modelo OSI: la capa de enlace de datos y la
capa física.
Ethernet: Capa 1 y Capa 2
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Ethernet opera a través de dos capas del modelo OSI. El modelo ofrece una referencia sobre con
qué puede relacionarse Ethernet, pero en realidad se implementa sólo en la mitad inferior de la
capa de Enlace de datos, que se conoce como subcapa Control de acceso al medio (Media Access
Control, MAC), y la capa física.
Ethernet en la Capa 1 implica señales, streams de bits que se transportan en los medios,
componentes físicos que transmiten las señales a los medios y distintas topologías. La Capa 1 de
Ethernet tiene un papel clave en la comunicación que se produce entre los dispositivos, pero cada
una de estas funciones tiene limitaciones.
Tal como lo muestra la figura, Ethernet en la Capa 2 se ocupa de estas limitaciones. Las subcapas
de enlace de datos contribuyen significativamente a la compatibilidad de tecnología y la
comunicación con la computadora. La subcapa MAC se ocupa de los componentes físicos que se
utilizarán para comunicar la información y prepara los datos para transmitirlos a través de los
medios.
La subcapa Control de enlace lógico (Logical Link Control, LLC) sigue siendo relativamente
independiente del equipo físico que se utilizará para el proceso de comunicación.
MAC: envío de datos a los medios
El Control de acceso al medio (MAC) es la subcapa de Ethernet inferior de la capa de Enlace de
datos. El hardware implementa el Control de acceso al medio, generalmente en la Tarjeta de
interfaz de red (NIC).
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La subcapa MAC de Ethernet tiene dos responsabilidades principales: Encapsulación de datos
Control de Acceso al medio
Encapsulación de datos
La encapsulación de datos proporciona tres funciones principales:
Delimitación de trama
Direccionamiento
Detección de errores
El proceso de encapsulación de datos incluye el armado de la trama antes de la transmisión y el
análisis de la trama al momento de recibir una trama. Cuando forma una trama, la capa MAC
agrega un encabezado y un tráiler a la PDU de Capa 3. La utilización de tramas facilita la
transmisión de bits a medida que se colocan en los medios y la agrupación de bits en el nodo
receptor.
El proceso de entramado ofrece delimitadores importantes que se utilizan para identificar un
grupo de bits que componen una trama. Este proceso ofrece una sincronización entre los nodos
transmisores y receptores.
El proceso de encapsulación también posibilita el direccionamiento de la capa de Enlace de datos.
Cada encabezado Ethernet agregado a la trama contiene la dirección física (dirección MAC) que
permite que la trama se envíe a un nodo de destino.
Una función adicional de la encapsulación de datos es la detección de errores. Cada trama de
Ethernet contiene un tráiler con una comprobación cíclica de redundancia (CRC) de los contenidos
de la trama. Una vez que se recibe una trama, el nodo receptor crea una CRC para compararla con
la de la trama. Si estos dos cálculos de CRC coinciden, puede asumirse que la trama se recibió sin
errores.
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Control de acceso al medio
La subcapa MAC controla la colocación de tramas en los medios y el retiro de tramas de los
medios. Como su nombre lo indica, se encarga de administrar el control de acceso al medio. Esto
incluye el inicio de la transmisión de tramas y la recuperación por fallo de transmisión debido a
colisiones.
Topología lógica
La topología lógica subyacente de Ethernet es un bus de multiacceso. Esto significa que todos los
nodos (dispositivos) en ese segmento de la red comparten el medio. Esto significa además que
todos los nodos de ese segmento reciben todas las tramas transmitidas por cualquier nodo de
dicho segmento.
Debido a que todos los nodos reciben todas las tramas, cada nodo debe determinar si debe
aceptar y procesar una determinada trama. Esto requiere analizar el direccionamiento en la trama
provisto por la dirección MAC.
Ethernet ofrece un método para determinar cómo comparten los nodos el acceso al medio. El
método de control de acceso a los medios para Ethernet clásica es el Acceso múltiple con
detección de portadora con detección de colisiones (CSMA/CD). Este método se describe más
adelante en este capítulo.
Implementaciones físicas de Ethernet
La mayor parte del tráfico en Internet se origina y termina en conexiones de Ethernet. Desde su
inicio en la década de 1970, Ethernet ha evolucionado para satisfacer la creciente demanda de
LAN de alta velocidad. Cuando se introdujo el medio de fibra óptica, Ethernet se adaptó a esta
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nueva tecnología para aprovechar el mayor ancho de banda y el menor índice de error que ofrece
la fibra. Actualmente, el mismo protocolo que transportaba datos a 3 Mbps puede transportar
datos a 10 Gbps. El éxito de Ethernet se debe a los siguientes factores:
Simplicidad y facilidad de mantenimiento
Capacidad para incorporar nuevas tecnologías
Confiabilidad
Bajo costo de instalación y de actualización
La introducción de Gigabit Ethernet ha extendido la tecnología LAN original a distancias tales que
convierten a Ethernet en un estándar de Red de área metropolitana (MAN) y de WAN (Red de área
extensa).
Ya que se trata de una tecnología asociada con la capa física, Ethernet especifica e implementa los
esquemas de codificación y decodificación que permiten el transporte de los bits de trama como
señales a través de los medios. Los dispositivos Ethernet utilizan una gran variedad de
especificaciones de cableado y conectores.
En las redes actuales, la Ethernet utiliza cables de cobre UTP y fibra óptica para interconectar
dispositivos de red a través de dispositivos intermediarios como hubs y switches. Dada la
diversidad de tipos de medios que Ethernet admite, la estructura de la trama de Ethernet
permanece constante a través de todas sus implementaciones físicas. Es por esta razón que puede
evolucionar hasta cumplir con los requisitos de red actuales.
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Encapsulado
Las aplicaciones que se desarrollan con TCP/IP, normalmente utilizan un conjunto de protocolos
para llevar a cabo la comunicación. La suma de las capas de este conjunto de protocolos se conoce
como stack de protocolo. De esta forma, cuando una aplicación envía datos usando el protocolo
TCP, el dato es enviado hacia abajo del protocolo stack, a través de cada capa, hasta que este se
envíe como un flujo de bits a través de la red. Cada capa coloca información adicional al dato en su
encabezado (y algunos añaden información para rastreo) para que el dato sea recibido. En la figura
1.4 se muestra este proceso. Los números abajo de los encabezados y del CRC en la trama
Ethernet representan los tamaños típicos en bytes. Una propiedad física de una trama Ethernet es
que la MTU (Maximum Transmisión Unit) por default es del tamaño de 1500 bytes [77] [80], por lo
cual los paquetes IPv4 e IPv6 no exceden este tamaño.
Como se puede notar en los párrafos anteriores cada capa del protocolo TCP/IP se refiere a los
datos que transmite con términos diferentes, en la figura 1.5 se muestran estos términos. Las
aplicaciones que usan TCP se refieren a los datos como stream, mientras que las aplicaciones que
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usan el protocolo de datagrama de usuario (UDP) se refieren a los datos como mensajes. TCP
llama a estos datos segmentos, y UDP llama a estos datos datagramas. La capa de Internet ve a
todos estos datos como bloques y les llama datagramas [6]. TCP/IP usa diferentes tipos de redes
para mandar sus datos, cada una de las cuales tienen diferentes tipos de términos para los datos
que transmiten, en nuestro caso ocuparemos el término que utiliza Ethernet, la cual llama a los
datos frame, trama o paquete.
Protocolo Internet (IP versión 4)
En el conjunto de protocolos TCP/IP, todos los paquetes se entregan mediante el servicio de
entrega de datagramas IP, aunque este servicio no garantiza la entrega, ya que carece de TCP UDP
Stream Mensaje Segmento Datagrama Datagrama Datagrama Frame, trama o paquete Frame,
trama o paquete Sistemas de Comunicaciones Gabriel Gerónimo Castillo conexión por lo cual los
paquetes se transmiten independientemente unos de otros y pueden dirigirse a lugares a los que
no corresponden, duplicarse o perderse antes de llegar a su destino.
Las aplicaciones TCP/IP que utilizan este servicio de entrega de datagramas hacen un seguimiento
del estado de la entrega esperando las respuestas desde el nodo destino o utilizando uno de los
protocolos de capa de transporte del conjunto TCP/IP.
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IP define el formato que los paquetes deben tener y el modo de utilizarlos durante el envío y la
recepción. El formato que toma el paquete se denomina datagrama IP. Los datagramas IP son
análogos a las tramas físicas que se transmiten en una red. Los datagramas tienen una sección de
encabezado que incluye, entre otra información, las direcciones IP del receptor y emisor, y una
sección de datos. El formato de un datagrama IPv4 [2] se muestra en la figura 1.6. El tamaño
normal de un encabezado IP es de 20 bytes, a menos que presente el campo de opciones.
Protocolo de control de mensaje Internet (ICMP)
Otro elemento del conjunto de protocolos TCP/IP es el Protocolo de Control de Mensaje Internet
(ICMP). Los paquetes ICMP contienen información sobre los errores originados en la red, tales
como: nodos y routers fuera de servicio, congestión de paquetes en un router. El software IP, y no
la aplicación, interpreta los mensajes ICMP y realiza la acción apropiada con cada mensaje. Dado
que estos mensajes pueden viajar a través de varias redes para alcanzar su destino, se encapsulan
en la sección de datos de un datagrama IP, por lo que podemos decir que requieren dos niveles de
encapsulación, es decir, el ICMP se encapsula en un datagrama IP, y este, en una trama Ethernet.
Aunque cada mensaje ICMP tiene su propio formato, todos comienzan con los mismos tres
campos como se muestra en la figura 1.7; un campo TIPO que se utiliza para identificar el tipo de
mensaje cuya longitud es de 8 bits, un campo CODIGO de 8 bits, que proporciona información
adicional sobre el tipo de mensaje; y un campo SUMA DE VERIFICACIÓN de 16 bits, que se utiliza
para asegurar la integridad de la información.
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Protocolo de control de transmisión (TCP)
Para las aplicaciones que deben enviar o recibir grandes volúmenes de datos, la entrega de
datagramas no fiables puede convertirse en una carga. Del mismo modo que los datagramas UDP,
los segmentos TCP se encapsulan en un datagrama IP. TCP guarda el flujo en el buffer y espera a
que un datagrama de tamaño grande se llene de datos antes de enviarlo, este flujo se caracteriza
por carecer de estructura, de ahí que tanto la aplicación emisora como la receptora Sistemas de
Comunicaciones – Redes II Curso 2005-1. M.C. Gabriel Gerónimo Castillo tengan que llegar a un
acuerdo sobre el contenido del mismo antes de iniciar la transmisión.
El protocolo TCP usa una transmisión dúplex integral (full-duplex), es decir, que pueden enviarse
dos flujos de datos simultáneamente en direcciones opuestas. En consecuencia, la aplicación de
destino puede enviar información de control o datos de vuelta a la aplicación emisora mientras
ésta continúa enviando datos. El protocolo TCP asigna un número secuencial a cada segmento. La
aplicación que se encuentra en el extremo receptor de la conexión, verifica los números de
secuencia para asegurar que todos los segmentos se reciban y procesen en orden. El receptor
envía un reconocimiento al emisor indicando los segmentos recibidos.
TCP permite que el emisor tenga varios segmentos pendientes antes de que el receptor envíe un
reconocimiento. Cuando el nodo emisor recibe el reconocimiento, indica a la aplicación que los
últimos datos se enviaron satisfactoriamente, si el nodo emisor no recibe el reconocimiento de un
segmento, en un período de tiempo determinado, volverá a retransmitir este segmento. Este
esquema, llamado retransmisión con acuse de recibo, asegura que la entrega de flujo sea fiable.
El formato del segmento TCP, el cual tiene un encabezado mínimo de 20 bytes. Este encabezado
está formado por los siguientes elementos: los campos PUERTO FUENTE y PUERTO DESTINO
contienen los números de puertos TCP que identifican a los programas de aplicación en los
extremos de la conexión. El campo NÚMERO DE SECUENCIA identifica la posición de los datos del
segmento en el flujo de datos de transmisión. El campo NÚMERO DE ACUSE DE RECIBO identifica
el número de bytes que la fuente espera recibir después. El campo HLEN contiene un número que
especifica la longitud del encabezado del segmento, medida en múltiplos de 32 bits. El campo
RESERVADO es de 6 bits que se reservan para ser usados en el futuro. El campo CODIGO de 6 bits
es utilizado para determinar el propósito y contenido del segmento. Los seis bits indican cómo
interpretar otros campos en el encabezado, de acuerdo con la tabla.
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El campo VENTANA es utilizado para informar sobre cuántos datos está dispuesto a aceptar cada
vez que se envía un segmento. El campo SUMA DE VERIFICACIÓN contiene una suma de
verificación para comprobar la integridad de los datos así como el encabezado. El campo
APUNTADOR DE URGENCIA solo es válido si la bandera URG está encendida, éste campo especifica
la posición en la que terminan los datos urgentes dentro del segmento. El campo OPCIONES se
utiliza comúnmente para especificar el tamaño máximo de segmento (MSS) que se está dispuesto
a recibir.
Protocolo de resolución de direcciones (ARP)
Los diferentes tipos de red utilizan formatos particulares para los paquetes que envían a través de
sus nodos. La estructura de estos paquetes incluye, entre otros elementos, la dirección física del
nodo destino. Todos los medios físicos tienen una dirección física asignada a los nodos del medio,
estas direcciones se denominan direcciones de control de acceso a medios (MAC). Las redes
Ethernet o Token Ring representan sus direcciones MAC con 6 bytes y ARCNET las representa con
1 byte, aquí surge un problema dado que el protocolo TCP/IP utiliza direcciones de longitud de 32
bits para especificar el destino del paquete que se envía. El protocolo de resolución de direcciones
(ARP) soluciona este problema al implementar un procedimiento de descubrimiento dinámico
para el mapeo de las direcciones IP en las direcciones del hardware (Ethernet, Token Ring, etc.). La
manera en que funciona este protocolo es la siguiente: supongamos que la red conectada a
nuestra máquina es una red Ethernet, antes de que el protocolo IP mande un paquete a través de
la red, el protocolo ARP consulta una tabla local para ver si existe un mapeo entre la dirección
Internet de 32 bits destino y la dirección Ethernet de 48 bits del destino, si no existe, ARP manda
un paquete de broadcast a todas las máquinas de la red, requiriendo la dirección Ethernet
correspondiente a la dirección Internet de 32 bits que se tiene, el host con la dirección IP
requerida contesta especificando su dirección Ethernet y la máquina origen recibe el mensaje y
añade la entrada en su tabla de mapeo que asocia la dirección IP con la dirección Ethernet y envía
el paquete a su destino. En la figura 1.10 se muestra el formato de un paquete de solicitud o
respuesta ARP usado para resolver una dirección IP en una red Ethernet. Los primeros dos campos
en el encabezado Ethernet son las direcciones destino y fuente. Existe una dirección especial de
Ethernet de destino llamada broadcast, la cual se reconoce porque en este campo aparecen todos
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los bits en uno, esta dirección se utiliza para que todas las interfaces Ethernet reciban el paquete
de envío. El campo tipo de frame específica el tipo de dato que se envía, para una solicitud o una
respuesta ARP este campo contiene el valor hexadecimal 0806. El campo hardware especifica el
tipo de dirección de hardware, este valor es 1 para una red Ethernet. El campo protocolo
especifica el tipo de dirección de protocolo de mapeo, el valor 080016 aparece cuando es una
dirección IP. Los siguientes dos campos, tamaño de hardware y tamaño de protocolo, especifican
el tamaño en bytes de las direcciones de hardware y las direcciones del protocolo. En una solicitud
o una respuesta ARP para una dirección IP o una Ethernet aparece un 6 y un 4 respectivamente. El
campo operación específica si la operación es una solicitud ARP (valor de 1), una respuesta ARP
(2), una solicitud RARP (3) o una respuesta RARP.
Los siguientes cuatro campos son las direcciones del hardware de envío (una dirección Ethernet en
este ejemplo), la dirección del protocolo de envío (una dirección IP), la dirección de hardware de la
tarjeta y la dirección del protocolo de la tarjeta.
Protocolo de asociación de direcciones por réplica (RARP)
Una máquina sin disco utiliza el protocolo de asociación de direcciones por réplica (RARP) a fin de
obtener su dirección IP de un servidor. Al igual que un mensaje ARP, un mensaje RARP se envía de
una máquina a otra, encapsulado en la porción de datos de una trama de red. Una trama Ethernet
que transporta una solicitud RARP
Tiene el preámbulo usual, las direcciones Ethernet tanto destino como fuente y el campo de tipo
de paquete al comienzo de la trama. El tipo de trama contiene el valor hexadecimal 8035 para
identificar que en el contenido de la trama se transporta un mensaje RARP. Para concluir este
capítulo podemos decir lo siguiente: para que un dato sea transportado por la red, este debe pasar
por varios protocolos, ellos colocan un encabezado en el dato con la finalidad de que se reciba
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correctamente. Cuando el dato se recibe se deben quitar y analizar estos encabezados, esto con el
fin de verificar si no ha ocurrido algún imprevisto en el envío.
Los encabezados que se colocan para enviar un dato son: encabezado de aplicación, encabezado
de transporte, encabezado IP y encabezado de enlace físico. Cuando se recibe el dato se lleva a
cabo la operación inversa, es decir, se quitan todos los encabezados comenzando con el
encabezado físico y finalizando con la aplicación que lo envío.
Protocolo TCP/IP
Las siglas TCP/IP se refieren a un conjunto de protocolos para comunicaciones de datos,
Encargado de manejar los errores en la transmisión, administrar el enrutamiento y entrega de
los datos Controlar la transmisión real mediante el uso de señales de estado predeterminadas.
Este conjunto toma su nombre de dos de sus protocolos más importantes, el protocolo TCP
(Transmission Control Protocol) y el protocolo IP (Internet Protocol).
En los años sucesivos y hasta nuestros días las redes troncales y los nodos de interconexión han
aumentado de forma imparable. La red Internet parece expandirse sin límite, aunque
manteniendo siempre una constante: el protocolo TCP/IP. En efecto, el gran crecimiento de
Internet ha logrado que el protocolo TCP/IP sea el estándar en todo tipo de aplicaciones
telemáticas, incluidas las redes locales y corporativas. Y es precisamente en este ámbito, conocido
como Intranet, donde TCP/IP adquiere cada día un mayor protagonismo. La popularidad del
protocolo TCP/IP no se debe tanto a Internet como a una serie de características que responden a
las necesidades actuales de transmisión de datos en todo el mundo, entre las cuales destacan las
siguientes:
Los estándares del protocolo TCP/IP son abiertos y ampliamente soportados por todo tipo
de sistemas, es decir, se puede disponer libremente de ellos y son desarrollados
independientemente del hardware de los ordenadores o de los sistemas operativos.
TCP/IP funciona prácticamente sobre cualquier tipo de medio, no importa si es una red
Ethernet, una conexión ADSL o una fibra óptica.
TCP/IP emplea un esquema de direccionamiento que asigna a cada equipo conectado una
dirección única en toda la red, aunque la red sea tan extensa como Internet.
La naturaleza abierta del conjunto de protocolos TCP/IP requiere de estándares de referencia
disponibles en documentos de acceso público. Actualmente todos los estándares descritos para
los protocolos TCP/IP son publicados como RFC (Requests for Comments) que detallan lo
relacionado con la tecnología de la que se sirve Internet: protocolos, recomendaciones,
comunicaciones, etcétera.
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Arquitectura del protocolo TCP/IP
El protocolo TCP/IP fue creado antes que el modelo de capas OSI, así que los niveles del protocolo
TCP/IP no coinciden exactamente con los siete que establece el OSI.
Existen descripciones del protocolo TCP/IP que definen de tres a cinco niveles. El siguiente
diagrama representa un modelo de cuatro capas TCP/IP y su correspondencia con el modelo de
referencia OSI.
Los datos que son enviados a la red recorren la pila del protocolo TCP/IP desde la capa más alta de
aplicación hasta la más baja de acceso a red. Cuando son recibidos, recorren la pila de protocolo
en el sentido contrario. Durante estos recorridos, cada capa añade o sustrae cierta información de
control a los datos para garantizar su correcta transmisión.
Como esta información de control se sitúa antes de los datos que se transmiten, se llama cabecera
(header). En la siguiente figura se puede ver cómo cada capa añade una cabecera a los datos que
se envían a la red. Este proceso se conoce como encapsulado. Si en vez de transmitir datos se trata
de recibirlos, el proceso sucede al revés.
Cada capa elimina su cabecera correspondiente hasta que quedan sólo los datos. En teoría cada
capa maneja una estructura de datos propia, independiente de las demás, aunque en la práctica
estas estructuras de datos se diseñan para que sean compatibles con las de las capas adyacentes.
Se mejora así la eficiencia global en la transmisión de datos.
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Principales características de la arquitectura TCP/IP
Protocolos tipo no-conexión en el nivel red
Nodos como computadoras de switcheo de paquetes
Protocolos de transporte con funciones de confiabilidad
Conjunto común de programas de aplicación
Ruteo dinámico
Principales características de IP
Protocolo orientado no conexión
División, en caso necesario, de paquetes
Direccionamiento con direcciones internet de 32 bits
Direcciones protocolos de ocho bits
Tamaño máximo del paquete: 65535 bytes
Contiene solo un encabezado de checksum, no datos de checksum
Configuración de protocolos TCP/IP
Cuando un equipo tiene instalada y configurada una tarjeta de red está en disposición de acceder
a la red de comunicaciones LAN. Sin embargo, necesita de la adecuada configuración de sus
protocolos de comunicación y que se le indique a través de qué dispositivo puede acceder a
Internet. En las redes LAN pueden existir equipos servidores que ofrezcan de forma dinámica estos
datos. Se les denomina servidores DHCP. Cuando no existen estos servidores debemos introducir
los datos manualmente. Vamos a exponer este proceso.
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Paso 1: Vamos a proceder a configurar los protocolos de comunicación. Para ello, seleccionamos
Mis sitios de red y hacemos clic con el botón derecho del ratón. En el menú contextual que se
despliega, seleccionamos Propiedades
Paso 2: Observamos cómo, por cualquiera de las dos procedimientos, se abre la ventana
Conexiones de red y acceso telefónico a redes. En esta ventana se nos ofrecen las conexiones que
tenemos creadas en un mismo equipo. En esta ventana podemos observar todas las conexiones
que tenemos creadas y crear otras nuevas.
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Paso 3: En esta ventana seleccionamos la conexión que deseamos configurar. Para ello la
seleccionamos con el botón izquierdo y hacemos clic con el derecho, con el fin de acceder a sus
propiedades.
Paso 4: Al no disponer de ningún componente procedemos a la instalación completa. Para ello
hacemos clic en el botón INSTALAR. Los elementos que vamos a proceder a instalar son el Cliente
para redes Microsoft, Compartir archivos y carpetas Microsoft y el protocolo TCP/IP
Paso 5: El primer componente que vamos a instalar es el Cliente para redes Microsoft por lo tanto,
hacemos clic en Cliente y a continuación pulsamos el botón AGREGAR. Evidentemente, estamos
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trabajando en una red con Sistema operativo de Microsoft Windows, pues si estuviéramos en otro
tipo de red necesitaríamos emplear otro componente.
Paso 6: Seleccionamos Cliente para redes Microsoft y hacemos clic en ACEPTAR.
Paso 7: El sistema solicita reiniciar el equipo, sin embargo, como vamos a continuar instalando
componentes seleccionamos la opción NO para proseguir con el proceso iniciado. Si optamos por
la opción SÍ, deberemos esperar a que se reinicie el equipo para proseguir con la instalación.
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Paso 8: En la ventana Propiedades de Conexión de área local comprobamos que ya tenemos
instalado el primer componente y continuamos con el proceso. Vamos a instalar el servicio
Compartir archivos e impresoras en redes Microsoft, para ello, hacemos clic en el botón INSTALAR.
Paso 9: Elegimos Servicio ya que es el componente que nos va a permitir compartir elementos de
nuestro PC y hacemos clic en el botón INSTALAR. Si hacemos doble clic en Servicio también
accedemos a la opción Agregar
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Paso 10: Seleccionamos la opción Compartir impresoras y archivos para redes Microsoft y
hacemos clic en ACEPTAR. Una vez finalizada la instalación de este servicio el equipo volverá a
solicitar su reinicio; le volvemos a indicar que NO y continuamos con el proceso.
Paso 11: Comprobamos que ya disponemos de dos componentes instalados y volvemos a hacer
clic en INSTALAR para añadir los protocolos de red. En función del tipo de red en la que nos
encontremos podemos instalar uno o más protocolos. Las redes Windows tienen desde la versión
98, como protocolo predeterminado TCP/IP
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Paso 12: Seleccionamos Protocolo y hacemos clic en AGREGAR. También podemos agregar un
protocolo haciendo doble clic sobre el texto Protocolo.
13: Seleccionamos Protocolo Internet (TCP/IP) y hacemos clic en ACEPTAR. NetBEUI es un
protocolo de Windows que se emplea en este tipo de redes cuando no es necesario el acceso a
Internet
Paso14: Comprobamos que se ha instalado el Protocolo TCP/IP: lo seleccionamos y hacemos clic
en el botón PROPIEDADES. De este modo vamos a configurar este protocolo para que el equipo se
conecte perfectamente a nuestra red.
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Paso 15: Como vamos a configurar los parámetros TCP/IP manualmente hacemos clic en la opción
Usar la siguiente dirección IP. Automáticamente se activa Usar las siguientes direcciones del
servidor DNS. Procedemos a cumplimentar correctamente los parámetros solicitados.
Paso 16: Cumplimentamos los datos siguiendo la configuración de la red. Hacemos clic en el botón
ACEPTAR e inmediatamente se nos pide que reiniciemos el equipo, le decimos que sí.
Los parámetros son: ƒ
Dirección IP: dirección IP que asignamos al equipo. ƒ
Máscara de subred: Identificador que permite determinar que parte de la dirección IP
pertenece a la red y cuál al equipo. ƒ
Puerta de enlace predeterminada: dirección IP del equipo (router, servidor proxy, etc.)
que proporciona el acceso a Internet. ƒ
Servidor DNS: Direcciones IP de los servidores que traducen los nombres de dominio a
direcciones IP cuando se solicita una conexión mediante el sistema
de nombres de dominio.
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Paso 17: Al reiniciarse el equipo debes indicar el su nombre y en qué grupo de trabajo lo vas a
incorporar. Para ello hacemos clic con el botón derecho del ratón sobre el icono de Mi PC y
elegimos Propiedades.
Paso 18: Seleccionamos la pestaña Identificación de red. Si el equipo no dispone de identificación
haríamos clic en el botón Id. de red, para emplear el asistente para identificación de red. Si ya
posee estos atributos deberíamos modificarlos, para lo cual hacemos clic en el botón Propiedades.
En el proceso de instalación del sistema operativo debemos indicar el nombre del equipo y el
grupo o dominio al que pertenece, por lo que hemos optado por explicar cómo se modifican estas
características.
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Paso 19: Indicamos un nombre de equipo y el nombre de dominio o grupo de trabajo. Hacemos
clic en el botón ACEPTAR.
Paso 20: Nos da la bienvenida al nuevo grupo y al hacer clic en el botón ACEPTAR nos pide que
reiniciemos el equipo. Volvemos a hacer clic en el botón ACEPTAR. Para comprobar que
accedemos correctamente a la red hacemos doble clic en el icono Mis sitios de red del escritorio y
comprobamos que “vemos” al resto de los equipos del grupo de trabajo. Por último, abrimos un
navegador y comprobamos que salimos a Internet.
