i ESTUIDIO DE PROTOCOLOS EN REDES 1NDUSTRIALES

UNIVERSIDAD TECNTCA FEDERICO SANTA MALAr fa 5 SEDE TALCAHUANO "REY BALDUINO DE BE 1,G(&\ Z'

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ESTUIDIO DE PROTOCOLOS EN REDES 1NDUSTRIALES

Trabajo para optar al Titulo Profesional de Ingeniero de Ejecución en Control e Instrumentación Industrial

Alumno Sr. Francisco Alfredo Santibaflez Hérnandez Profesor GuIa Sr. Sergio Briceflo Mucker

Sr. Luis Quiroga Cea

2002

fndice:

item

Objetivo del trabajo

Introducción alas redes industriales Evolución de ]as Cornunicaciones

> Estandarización Categorlas IEEE 802 Modelo de referencia OSI

r J!'7 2 5

-14

Capitulo 1: CaracterIsticas y componentes principales de una red. 13 1.1 Clasificación de ]as redes. 13 1.2 Elementos de una red 14 1.2.1 Medios de transrnisión. 14 1.2.2 Protocolos de Cornunicación 15 1.2.3 Dispositivos interconectados 16 1.2.4 Dispositivos Auxiliares 16 1.2.5 TopologIas de redes. 17 1.2.6 Sisterna Operativo de Red 20 1.3 Control de acceso a] rnedio 20 1.3.1 Principles métodos de acceso 22 1.4 Métodos de transrnisión por methos guiados. 26 1 .4.1 TransrnisiOn en banda base 26 1.4.2 Transrnisión en banda ancha 27 1.5 Detección de errores. 28

Capitulo 2: Bus de campo (Fieldbus) 30 2.1 Introducción a! Fie!dbus. 30 2.2 Ventajas de Ia utilizaciónde un Fieldbus 33 2.3 Comunicación en un Fieldbus 35 2.4 Tecnologia sensor/ actuador. 38

Capitulo 3: Protocolos a] nive] de campo y proceso. 45 3.1 Protocolo Bitbus 45 3. 1 .2 Caracteristicas generaIe del protocolo Bitbus 50 3.2 ProtocoonteTbus 53 3.2.2 Cornparación con el modelo OS!. 54 3.2.3 lrnplernentación técnica del protocolo de transrniión 56 3.3 Protocolo Hart 56

3.3.1 Presentación 56

3.3.2 CaracterIsticas y datos técnicos 58

3. 3.3 Estructura del protocolo Hart 59

3.3.4 Resurnen de caracteristicas del protocolo Hart 62

3.4 Protocolo As-Interfaz 63


3.4.2 CaracterIsticas principales 65

3.5 Protocolo DeviceNet 66

.3.5.1 Presentacion 3.5.2 Caracteristicas principales / 67

3.5.3 Cornparación con el modelo OSI. :' 69

3.6 Profibus 3.6.1 Presentacion o

3.6.2 Comparacion con el modelo OSI 73

3.6.3 Profibus DP 74

3.6.4 Profibus PA 76

3.7 Fieldbus Fundation 77


3.7.2 Comparación con el modelo OSI

Capitulo 4: Protocolos al nivel de Control y GestiOn 84

4.1 Profibus FMS (Fieldbus Message Specification) 84

4.1.1 Funcionalidad de ]as capas 85

4.1.2 Atributos de la ConexiOn 87

4.1.3 Posibilidades de irnplementación 88

4.2 Protocoto Modbus. 90

4.2.1 Protocolo Modbus Plus 93

4.2.2 Atributos de la conexión 95

4.2.3 Verificación de error y reconocirniento 98

4.2.4. Transferencia de datos 99

4.2.5 Formato del mensaje 101

4.3 Protocolo Ethernet 105

4.3.1 Fast Ethernet 107

4.3.2 Ethernet Switching. 109 4.3.3 100 VG - ANYLAN Ill 4.3.4 Gigabits Ethernet 115

Capitulo 5: DeterrninaciOn de una alternativa. 119 5.1 Objetivo 119

5.2 DeterininaciOn de la mejor altematisra a imp! ernentar. 123 5,3 Costos involucrados 125

Conclusiones Finales 130 Bibliografia 133

Objetivo del trabajo

El desarrollo de este trabajo estará orientado a dar a conocer Las principales alternativas que se han desarrollado en la implementación de redes industriales.

En una primera etapa desarrollaremos este tema con el tin de entregar una herramienta que nos ayude a entender el funcionamiento sistemático de una red desde un punto de vista macro Para luego en una segunda etapa aplicar estos conocimientos Para ir analizando las diversas caracterIsticas técnicas de las principales implementaciones de redes que se desarrollan en La actualidad en el mundo de la industria.

Como es un tema que a ratos pareciera ser demasiado extenso o complejo y el acceso a esta información no es muy comUn, hemos tratado de sintetizar lo más posible de manera de dar a conocer este tema de una manera sencilla y practica, pensando que este material sea a futuro un material de consulta Para nuestra comunidad universitaria.

Se entregara una descripción de los principales de protocolos de comunicación insertos en una red industrial, se revisaran sus caracterIsticas principales tanto fisicas como de transmisión y finalmente se realizara una comparación entre las diferentes alternativas que nos presenta el mercado dentro de los distintos niveles de una red industrial de manera de concluir con la configuración de una herramienta de análisis y aplicación que nos permita definir cual de ellas utilizar. Como puntos principales de esta herramienta hemos considerado cuatro aspectos, los cales nos darán el marco evaluativo entre Las distintas alternativas de implementación de una red industrial. Estos aspectos son la funcionalidad el costo, el caudal de información manejable y la complejidad del sistema.

La funcionalidad de un sistema la entenderemos como la capacidad de este Para adaptarse a un cambio tanto en lo constructivo como en el ámbito de la administraciOn y gestión de un sistema de red.

La complejidad la entenderemos como el tamaflo que ira adquiriendo un sistema a medida que va alcanzando el objetivo Para el cual se ha ido desarrollando. El tamaflo va en relación con ci diseflo como también con ci desarrollo de la gestión (manejo de información) involucrada Para alcaiizar un nivel superior de desarrollo.

Con relación al costo y al caudal de información son aspectos técnicos que deben ser considerados ya que en gran medida el desarrollo de un sistema de control pasa por el mane o la capacidad del sistema Para gestionar y aplicar esta información, de lo cual se desprende un aspecto constructivo que acarrea una inversion.

Entre los protocolos de comunicaciOn que se incluirán en este trabajo podemos encontrar los siguientes:

• Bitbus • Interbus •Hart • Profibus FMS • AS-Interfa.z • DeviceNet • Ethernet • Modbus

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IntroducciOn a las redes industriales

En la empresa coexisten una serie de equipos y dispositivos, dedicados at control de maquinarias, equipos ó a alguna parte cerrada de un proceso. Entre estos dispositivos están los PLC, computadores de diseflo y de gestión, sensores, actuadores controladores, etc.. El desarrollo de las redes industriales ha establecido una forma de unir todos estos dispositivos, aumentando el rendimiento y proporcionando nuevas posibilidades de diseflo.

Las ventajas que se logra at implementar una red industrial son, entre otras, las siguientes:

+ Visualización y supervision del proceso productivo. + Adquisición de datos del proceso en forma más rápida y / o instantánea. + Mejor y mayor rendimiento de todo el proceso. • Posibilidad de intercambiar datos entre sectores del proceso y entre departamentos. + Programación a distancia, sin necesidad de estar fisicamente presente en la fábrica.

Las ventajas son evidentes, pero a cambio existe un cierto costo económico que debe ser estudiado para determinar si la inversion en una red del tipo industrial se justifica económicamente o en realidad resulta innecesaria.

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> Niveles de una red industrial

En las redes industriales coexisten equipos y dispositivos de todo tipo, los cuales suelen agruparse en forma jerárquica, para establecer las conexiones más adecuadas en cada area. De esta forma se definen cuatro niveles generates dentro de una red industrial:

Nivel de gestión

Nivel de control

Nivel de y proceso

Nivel de e/s /

Estaciones de trabajo, aplicaciones en red,

supervision del producto

PC's y PLC's

PLC's, PC's, bloques de els, controladores,

transmisores

tuaaores, s ens ores

Fig. 1: Niveles de una red industrial.

Nivel de Gestión

Es ci nivel más elevado dentro de una red industrial y se encarga de integrar a los niveles inferiores en una estructura de fábrica.

Las máquinas conectadas a este nivel suelen ser estaciones de trabajo, que hacen de puente entre el proceso productivo y el area de gestiOn, en el cual se supervisan las ventas, el stock, etc. Para implementar este fivel se emplea una red de tipo LAN (Local Area Network) 6 WAN (Wide Area Network).

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Nivel de Control

Se encarga de enlazar y dirigir las distintas zonas de trabajo. En este nivel se sitüan Los PLC de nivel superior y computadores dedicados al diseño, control de calidad, programación, etc. Se suele emplear una red de tipo LAN.

Nivel de Campo y Proceso

Se encarga de La integración de pequefios automatismos (autómatas compactos, multiplexores de E/S, controladores PID, etc.) dentro de sub-redes o islas. En el nivel alto de estas redes se suelen encontrar uno o varios autómatas modulares, actuando como maestros de la red o maestros flotantes. En este nivel se emplean Los buses de campo.

Nivel deE/S

Es el nivel •más prOximo al proceso. Aqul están los sensores y actuadores, encargados de manejar ci proceso productivo y obtener las medidas necesarias para la correcta automatización y supervision.

Esta estructura citada no es universal, ya que existen casos en los que se consta de un nümero mayor o menor de niveles, dependiendo del tamaflo del proceso y del tamaflo de la propia industria.

Resuita interesante destacar que los niveles de I/O y de campo en muchos procesos, se confunden o integran formando un solo nivel que recibe el nombre de nivel de campo.

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> Evolución de las Comunicaciones

Un factor importante dentro de una red industrial es sin duda el protocolo que ella utiliza, muchas redes de automatización industriales comenzaron con protocolos seriales sobre conexiones RS232 y RS485. Muchos diseflos fueron mejorados con el paso del tiempo cuando las empresas desarrollaron sus propios medios, hardware y protocolos para lograr sistemas de automatizaciOn sobre varias topologlas que fueran confiables y que cumplieran con requerimientos deterministicos. Esta mezcla de medios, hardware y protocolos juega un papel importante en las instalaciones actuates, pero su evolución ha creado problemas de interoperabilidad.

Afortunadamente la revolución de la inforrnãtica ha alcanzado el mercado de La autornatización. Grandes mejoras en la tecnologIa están acabando con Las limitaciones existentes que no permitIan su uso en La automatización. Velocidad, soLidez industrial, confiabilidad y mejoras deterministicas están ahora disponibles en soluciones económicäs, permitiendo incorporar las tecnologIas mas diseminadas en los ambientes dinámicos de Las aplicaciones.

Muchas compañIas tienen altIsimas inversiones en dispositivos y protocolos propietarios, el legado de viejas tecnoLogIas. Para mantenerse at dIa con el cambio permanente de la tecnologIa es necesario invertir en procedimientos, eficientes, flexibles que reduzcan costos. Hay una necesidad creciente de proveer información en tiempo real a individuos que no se encuentran localmente. La rnayorIa de dispositivos tienen uno o varios puertos seriales (frecuentemente en conjunto con varios puertos de autornatización especializados Fieldbus) que usaban exclusivamente para acceso Local. No solo puede integrarse to nuevo con to viejo, sino que además puede añadir funcionalidad at sistema.

La ventaja obvia de conectar dispositivos seriales es La mayor disponibilidad de su información y datos a través de la red. Esto permite a otros dispositivos, el uso de esta información en sus propias aplicaciones. Todo to que torna es una conexión de cable del dispositivo at servidor de dispositivos y una simple configuracion del puerto serial para conectar a la red casi cualquier dispositivo. Pero el acceso a los datos en La red es solo el principio.

La administración y el control de los dispositivos que solamente disponen de puertos seriales eran un verdadero desaflo en el pasado. Los usuarios se velan forzados a utilizar PCs locales, largas conexiones seriales o conexiones de modem lentas y poco confiables. Ahora at conectar estos dispositivos a La red, se convierten en unidades administrables en ambiente de red. Los servidores de dispositivos. traen un nuevo nivel de administraciOn remota, permitiendo la implantación de directivas, filtraciOn selectiva de datos y mucho más. Esto relega el poder en las manos de los usuarios, obteniendo máxirno desempeño en todos los dispositivos de la red.

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La comunicación digital, soportada por componentes de hardware y software, ha permitido implementar prestaciones de gran trascendencia en el diseflo de los sistemas de automatización de plantas, pudiéndose mencionar: economia de cableado, programación a distancia de los dispositivos de campo, recibir información de diagnostico, distribi.iir funciones de control entre los dispositivos (real control distribuido), facilidades de sustitución y modularidad, disponibilidad de información para mantenimiento predictivo. etc.. La distribución de funciones hace más confiable al sistema y disminuye el costo de Jos tradicionales dispositivos de control centralizados como PCs o PLCs, disminuyendo sus capacidades de procesarniento y memoria.

Toda la información generada en el proceso de fabricación puede ahora archivarse en una base de datos de planta, la que a su vez puede integrarse con el sistema administrativo. Esto da lugar a la implernentación de una estrategia dinámica de manejo integral de personas, procesos, inforrnación, estructura y tecnologia para proporcionar un método más eficaz de gestión y obtener ventajas competitivas para La empresa, tal cual se plantea en los sistemas CIM (Computer Integrated Manufacturing)

Una vez definida la conexión fisica para poder transferir información entre los dispositivos o sistemas debe existir un formato para los datos y una estrategia de sincronización de corno se envfa y recepcionan los mensajes, incluyendo La detección y corrección de los errores.

En un enlace de datos se presentan bloques que cumplen diferentes funciones

AMAL000IDIGITAL

DTE k .'l DCE 1Z1 REiJANAL k-11 DCE k p'l DTE

ENLACE DE DATOS

DTE: Equipo Terminal de Datos DCE: Equipo de Comunicación de Datos

La trasferencia ordenada de información en un enlace de cornunicación se logra por medio de:

Protocolo de comunicación

Servicio de comunicaciOn

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Protocolos de comunicación

El protocolo constituye el conj unto de reglas y convenciones entre entes cornunicantes. El objetivo es establecer una conexión entre un DTE, identificando el emisor y el receptor, asegurando que todos los mensajes se transfieran correctamente, controlando toda la transferencia de información.

Gerente-1 Telefonista Sistema Telefonista Gerente-2 requiere A telefónico B

Espera (Fisico) I

I

Discado Campanilla

I

I Escucha I

Atiende dentifica

"Hola" lRequiere I

Espera

1 Requiere

Espera "Hola"

Tiene 300 "listo Tiempo

Tn Cemento y Precio? - Solo Tengo

- 200Tna$

Los modos de operación, la estructura de Los mensajes, los tipos de solicitudes y respuestas, constituyen Las diferentes piezas constructivas de un protocolo. Los equipos (teléfono, en el ejemplo), las conexiones, los cables, repetidoras, etc, constituyen el soporte fisico que permite el enlace de datos.

Un protocolo define los detalles y especificaciones técnicas del lenguaje de comunicación entre los equipos.

Un elemento básico a considerar es la estructura del mensaje, constituyendo una unidad de información denominada Cuadro, Bloque o Datagrama.

Si todos Los productos de distintos proveedores se pueden comunicar con el mismo

'I

Delimilador Control lnformación Verificador de Delimftador

1, errores

protocolo, ello lieva a la interoperabilidad e integración de los dispositivos de adquisicion de datos y control.

Cada protocolo tiene un rango de apiicación, fuera del mismo disminuye el rendimiento y aumenta la reiación costo / prestación. En muchos casos no se trata de protocolos que compitan entre si, sino que se complementan, cuando se trata de una arquitectura de un sistema de comunicación de varios niveles.

> Estandarización

La aceptación mayoritaria de los diferentes estándares ha supuesto un crecimiento de la oferta de equipos compatibles de diversos fabricantes, proporcionando a los usuarios una mayor libertad de elección, favoreciendo La competencia entre fabricantes e incrementando la demanda de equipos compatibles.

Sin embargo los estándares ilevan también aparejados ciertos inconvenientes, como puede ser la introducción de retraso tecnológico, que dan paso a nuevos desarroilos y a La muitiplicidad de estándares no compatibles.

Los protocolos de comunicaciones digitales en ci ámbito de red por lo general siguen el modelo estándar de interconexión de sistemas abiertos con distintos niveles responsables. Sobre esta base de recomendaciones de La ISA (International Society for Measurement and Control) y La IEC (International Electrotechnic C'ommitees) se ha establecido normas al respecto , en particular La IEC 1158 en desarrollo aun.

Entre las organizaciones más importantes que han colaborado en el desarro!Lo de estándares en esta area tenemos:

• ISO (International Organization for Standarization): Agrupa a 89 paIses, se trata de una organización voluntaria, no gubernamental, cuyos miembros han desarrollado estándares para las naciones participantes. Uno de sus comités se ocupa de los sistemas de información. Han desarrollado el modelo de referencia Os! (Open Systems Interconnection) y protocolos estándar para varios niveles del modelo.

• CCITT (Comité Consuitatf International de Télégraphique et Téléphonique): Organización de la. Naciones Unidas constituida, en principio, por las autoridades de Correos, Telegrafos y Teléfonos (PTT) de Los palses miembros. Estados Unidos está representado por el departamento de Estado. Se encarga de realizar recomendaciones técnicas sobre teléfono, telégrafo e interfaces de comunicación de datos, que a menudo se reconocen como estándares. Trabaja en colaboración con ISO (que en la actualidad es miembro de CCITT)

• EIA (Electronic Industries Association): Asociación vinculada al ámbito de la electrónjca. Es miembro de ANSI. Sus estándares se encuadran dentro del nivel I del modelo de referencia OR

• ANSI(American National Standard Institute): Asociación con fines no lucrativos, formada por fabricantes, usuarios, compafilas que ofrecen servicios pUblicos de comunicaciones y otras organizaciones interesadas en temas de comunicación. Es el representante estadounidense en ISO. Que adopta con frecuencia los estándares ANSI como estándares internacionales.

• IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) Es el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos. Es una institución académica de Estados Unidos, pero su prestigio es tal que sus recomendaciones suelen ser adoptadas por ISO sin grandes cambios. Posee un grupo cuya misión es elaborar esthndares en todo lo referente a la ingenierla y computación. Además esta organización realiza multitud de conferencias y edita revistas especializadas.

Ante la necesidad de definir ciertos estándares de LAN la IEEE inició un proyecto conocido como 802 (Feb. 1980) Estuvo en desarrollo más o menos a la vez que el estándar ISO y ambos compartieron información que resultó en dos modelos compatibles.

El proyecto 802 definiO los estándares de red para los componentes fisicos de una red, la tarj eta de red y el cable, que son tenidos en cuenta por el nivel FIsico y el de Enlace del modelo OR

Esos estándares, ilamados especificaciones 802, tienen varias areas de responsabilidad incluyendo:

• Tarjetas de red • Componentes de WAN • Componentes usados para crear redes de par trenzado y coaxial.

Las especificaciones 802 definen la forma en que las tarjetas de red acceden y transmiten datos por ci medio fisico. Esto incluye conexión, mantenimiento y desconexión de dispositivos de red.

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> Categorlas IEEE 802

El estándar de red 802 define 12 categorIas que pueden ser identificadas por su numero 802 como sigue:

802.1 Internetworking 802.2 Logical Link Control (LLC) 802.3 CSMAICD (Ethernet) Multiple acceso de Detección de Portadora con Detección

de Colisión. 802.4 Token Bus LAN 802.5 Token Ring LAN 802.6 Metropolitan Area Network (MAN) 802.7 Broad band Technical Advisory Group. 802.8 Fiber-Optic Technical Advisory Group. 802.9 Redes con Voz y Datos integrados. 802.10 Seguridad de red. 802.11 Redes sin hilos 802.12 LAN con Acceso de Prioridad de Demanda, 100 Base VG-Any

> Modelo de referenda Os! (Open System Interconnections)

OSI (Interconexión de sistemas abiertos): fue creado a partir del afio 1978, con el fin de conseguir la definición de un conjunto de normas que permitieran interconectar diferentes equipos, posibilitando de esta forma la comunicación entre ellos. El modelo OSI the aprobado en 1983.

Un sistema abierto debe cumplir las normas que facilitan la interconexión tanto a nivel hardware como software con otros sisternas (arquitecturas distintas).

Este modelo define los servicios y los protocolos que posibilita la comunicación, dividiéndolos en 7 niveles diferentes, en el que cada nivel se encarga de problemas de distinta naturaleza interrelacionándose con los niveles contiguos, de forma que cada nivel se abstrae de los problemas que los niveles inferiores solucionan para dar soluciOn a un nuevo problema, del que se abstraerán a su vez los niveles superiores.

Nivel Nombre Función

7 Aplicación Datos normalizados

6 Presentación lnterpretaciOn de los datos

5 SesiOn Dialogos de control

4 Transporte Integridad de los mensajes

3 Red Enrutamiento de los mensajes 2 Enlace Detección de errores

Fisico Conexión de equipos

Se puede decir que la filosofia de este modelo se basa en La idea de dividir un problema grande (La comunicaciOn en sI), en varios problemas pequeflos, independizando cada problema del resto. Es un método parecido a las cadenas de montaje de las fábricas.; los niveles implementan a un grupo de operarios de una cadena, y cada nivel, al igual que en la cadena de montaje, supone que los niveles anteriores han solucionado unos problemas de los que él se abstraerá para dar solución a unos nuevos problemas, de los que se abstraerán los niveles superiores.

Las funciones de cada capa de este modelo son las siguientes:

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Nivel 0 o Medio FIsico: Su finalidad es transportar la seflal. Puede ser un par de cables, el aire...

Nivel 1 o Nivel FIsico: Su objetivo es garantizar el envIo de bits. Debe resolver problemas como decidir qué voltaje es un 'F y qué voltaje es un '0' o determinar cuántos microsegundos dura un bit. No está en los cables pero si formari parte de este nivel los conectores y la codificación.

Nivel 2 o Nivel de Enlace: Su objetivo es establecer una conexión fiable entre dos equipos directamente conectados. Para ello, implementará control de errores, control de acceso at medio, establecimiento de conexiones...

Nivel 3 o Nivel de Red: Su principal objetivo es lograr una comunicación extremo a extremo independiente de las subredes, es decir, de las tecnologIas que se encuentren entre ambos extremos. Para ello, entre otras funciones, debe administrar los recursos de la red. Se encarga, por tanto, de estabiecer la ruta que ha de seguir un paquete, realizar control de congestion...

Nivel 4 o Nivel de Transporte: Trata de garantizar una comunicación fiable extremo a extremo sin preocuparse de la red que los une.

Los niveles situados por encima de estos están siendo muy cuestionados, hasta el punto de que algunos opinan que estos niveles deberIan formar parte de las aplicaciones y no del sistema de comunicaciones.

Nivel 5 o Nivel de Sesión Coordina ci intercambio de información entre equipos, se llama asI por la sesión de comunicaciOn que establece y concluye.

Nivel 6 o Nivel de Presentación En este los protocolos son parte del sistema operativo y de la aplicación que ci usuario acciona en la red.

Nivel 7o Nivel de Aplicación En este ci sistema operativo de red y sus aplicaciones se hacen disponibles a los usuarios. Los usuarios emiten ordenes para requerir los servicios de la red.

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Capitulo 1: CaracterIsticas y componentes principales de una red.

Una red de ordenadores es un sistema de comunicación de datos que enlaza dos o rnas ordenadores, instrurnentos o dispositivos de control, en el caso de una industria. cuando se pretende unir entre sI un gran nümero de usuarios, resulta dificil por cuestiones fundamentalmente económicas la union de todos con todos de forma directa. Por tanto, para conseguir un nümero importante de usuarios se establece una red de comunicación que permita compartir los correspondientes recursos y asf, el coste y su utilización tendrán un mayor avance.

La arquitectura de una red viene definida por su topologla, medio de transmisión forma de acceso al medio y protocolos de comunicación que esta utiliza. Antes de que una estación de trabajo pueda acceder al cable, deberá establecer sesiones de comunicación con otros nodos que componen la red. En el método de acceso al cable de una especificaciOn de red se define La forma que una estación de trabajo consigue el acceso a los medios compartidos para transmitir información.

1.1 Clasificación de las redes.

• Red de area local (LAN): Interconecta sistemas (usualmente ordenadores) en un area restringida (0,1 Km a 10 Km). Una LAN es un segmento de red que tiene conectada estaciones de trabajo y servidores, o un conjunto de segmentos de red interconectados, generalmente dentro de La misma zona, por ejemplo un edificio, una industria, etc..

Red de area extendida (WAN): Interconecta varias redes LANs en un area usualmente nacional.

> Red de area global: Interconecta varias WANs (p. ej.: internet)

Las redes WAN y las redes globales se extienden sobrepasando las fronteras de las ciudades, provincias o naciones. Los enlaces se realizan con instalaciones de telecomunicaciones pubLicas y privadas, además de enlaces por microondas y satélites. En una industria generalmente este tipo de redes une las distintas fabricas o sucursales de empresas multinacionales.

> Redes de Empresa: Una red de empresa interconecta todos los sistemas de computadores dentro de una organización, independiente de su sisterna operativo, protocoLos de comunicaciOn, diferencias en las aplicaciones o emplazamientos geográficos.Pueden por lo tanto, ser una LAN o una WAN. La propia red puede verse como una plataforma a La que están conectados distintos tipos de dispositivos. Se utilizan varias tdcnicas para ocultar las diferencias entre Los sistemas, para que los usuarios puedan acceder a cualquier recurso de forma transparente.

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1.2 Elementos de una red.

Una red consta tanto de hardware como de software. Dentro del hardware que conforma la red encontrarnos todo lo tangible, todos los distintos elernentos que son la parte constructiva de la red como por ejemplo los medios de transmisión, los dispositivos electrónicos y todo lo que rodea ci aspecto constructivo. Los componentes del software son La parte intangible de La red, aquellos elementos logIsticos que manejan o administran a los distintos elernentos de la red dentro de los cuales se incluyen Los sistemas operativos, protocolos de comunicación y controladores (drivers) para las tarjetas de red.

1.2.1 Medios de transmisión.

Para formar una red, Los dispositivos precisan algün tipo de enlace entre ellos capaz de transrnitir inforrnación. Como los instrurnentos o dispositivos de control están basados en microprocesadores de ültima generación los cuales manejan información a una frecuencia o velocidad que fácilmente supera los Kbps hasta unos tantos Mbps. Por lo cual es necesario considerar los aspectos constructivos de estos medios de comunicación para evitar errores en La comunicación debido a todos los factores fisicos que existen en un ambiente industrial. (Ruido eléctrico, hurnedad, temperatura, etc..)

Dentro de los medios de comunicación existen dos categorIas los medios guiados y los no guiados. En los primeros su caracterIstica principal es que tanto el emisor como el receptor están unidos en todo momento a través de un cable; en canibio, en los medios no guiados utilizan técnicas para transmitir seflales a través del aire y el espacio desde el transmisor al receptor. En ci anexo 1 se entrega una mayor información acerca de los medios de comunicaciOn.

La siguiente tabla muestra las caracterIsticas de los principales medios de transmisión:

MEDJO CAPACIDAD INTERFERENCIAS LONGJTUD COSTE FLEXIBILIDAD Y PERDIDAS TIPICA

Coaxial Alta Bajas 500 metros Medio Baja grueso

Coaxial fino Alta Bajas 200 metros Bajo Media Par trenzado Media / baja Muy altas 20-30 metros Muy bajo Alta (Sin

apantallar)

Par trenzado Media Altas 100 metros Bajo Alta (apantal fado)

Fibra óptica Muy alta Ninguna > 500 metros Muy alto Baja Radio Media / alta Medias 10 metros / 10 Alto Muy alta

Km

Infrarrojos Media Medias 20 metros Alto Muy alta

Laser Alta Medias /altas I-S Km Alto Medio

Tabla 1 .2.1. Medios de transmisión.

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1.2.2 Protocolos de Comunicación.

Los protocolos son reglas y procedirnientos para comunicarse. Por ejemplo, los dipiomáticos de un pals se adhieren al protocolo para que les gule en la relación con los diplomáticos de otros paises. El uso de Las reglas de comunicación se aplican de La misma manera en el entomb de los dispositivos en una red . Cuando varios dispositivos están en red, las reglas y procedimientos técnicos que gobiernan su comunicación e interacción se Raman protocolos.

Hay 3 puntos a tener en cuenta cuando se piensa en protocolos en un entorno de red:

Hay varios protocolos. Mientras cada protocolo permite comunicaciones básicas, tienen propósitos diferentes y realizan tareas diferentes. Cada protocolo tiene sus propias ventajas y restricciones.

Algunos protocolos trabajan en varios niveles OR EL nivel en ci que trabaja un protocolo describe su función.

Por ejemplo, un cierto protocolo trabaja en el nivel FIsico, significando que el protocolo en ese nivel asegura que ci paquete de datos pasa a través de la taijeta de red y sale a! cable.

Varios protocolos pueden trabajar juntos en los que es conocido corno un stack de protocolos, o suite.

IguaL que la red incorpora funciones en cada nivel del modelo OSI, diferentes protocolos también trabajan juntos a diferentes niveles en un ünico stack de protocolos. Los niveles en ci stack de protocolos corresponden con los niveles del modelo OR Tornados juntos, Los protocolos describen la totalidad de funciones . Existen diversos tipos y de diversas funciones como por ejemplo: de acceso al medio, de enlace con otros interfaces, de acceso a La red, de supervision de cornunicaciones, etc.

Los siguientes capItulos de este trabajo esta dirigido especlficamente al estudio de las diferentes caracterIsticas de Los principales y más difundidos protocolos de comunicaciOn que existen en los diferentes niveles de una red industrial

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1.2.3 Dispositivos interconectados: Son los dispositivos que están bajo el dominio de una red, (sensores, actuadores, ordenadores, circuitos integrados, autómatas, PLCs, etc) en el caso de una red industrial estos elementos trabajan dentro de un nivel de la estructura de una red industrial y dependerá de la funcionalidad que presten a la red para dividirlos en dos categorIas:

Dispositivos maestros

Es un dispositivo o sistema que tiene el control de la lInea de comunicaciOn estableciendo que sistemas deben responder. Permite controlar el acceso a un bus de cualquier nivel mediante un protocolo de comunicación del tipo pregunta-respuesta. En cada nivel solo existe un maestro, aunque es posible la existencia de varios maestros en un mismo cable, que en el fondo son solo redundantes del principal.

Dispositivos esciavos

Es un dispositivo o sistema a las órdenes de un maestro, solo puede enviar datos o recibirlos si el sistema maestro lo indica, entre estos dispositivos podemos encontrar a los sensores y actuadores que se encuentran presentes en un proceso industrial, por otro lado el esclavo puede estar conectado a su vez con un maestro o un bloque de I/O.

1.2.4 Dispositivos Auxiliares:

Son los elementos contructivos de una red, el funcionamiento y el rendimiento dependen en forma total de la implementación y la interacción de estos elementos, con ci medio en donde se quiera implementar una red de control. Entre estos dispositivos podemos mencionara los repetidores, multiplexores, pasarelas, ruteadores, ect., para una mayor información acerca del funcionamiento de estos elementos consultar el anexo 2. La figura 1.2.5 muestra el nivel de trabajo de estos dispositivos auxiliares en comparación con el nivel OSI.

Aplicación

Presentació Sesión

Transporte

Red

Enlace de Datos

Nivel fisico

Gateways

Rbuters

Puentes R epetidores

17

NIC

Figura 1. 2.5: Niveles OSI utilizados por los dispositivos de intereonexión de redes

1.2.6 TopolQgIas de redes.

La configuracion de una red suele conocerse como topologla de la misma. La topologla es la configuracion geométrica de las conexiones entre los elementos de la red. A la hora de establecer la topologIa de una red, se deben perseguir tres objetivos principales:

• Proporcionar la maxima fiabilidad posible, para garantizar la recepciOn correcta de todo el tráfico (encaminamiento alternativo)

• Encaminar el tráfico entre el dispositivo transmisor y el receptor a través del camino más económico dentro de la red (aunque, si se consideran más importante otros factores, como la fiabilidad, este camino de costo mInimo puede no ser el mäs conveniente)

• Proporcionar al usuario final un tiempo de respuesta óptimo y un caudal de información eficaz máximo.

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La topologla condiciona:

• Flexibilidad para afladir o quitar elementos a la red. • Repercusión de los fallos en el coinportamiento de La red. • Flujo de inlormaciOn que puede transitar sin interferencias y retardos que pueden

aparecer. Las topologlas mas tipicas o más usadas son: Estrella, Anillo, Bus y además de estas

aparecen una mezcla de las anteriores, en el anexo 3 se explica con mas profundidad este tema.

El cuadro 1.2.6 muestra un resurnen con las ventajas y desventajas de las distintas topologlas:

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I ITOPOLOGIA II VENTAJAS II DES VENTAJAS ii

s > Es muy económica pues solo se necesita un cable (bus)

> Los datos son compartidos por todas las terminales. Es fácil agregar o elirninar dispositivos de la red, ya que estos están secuencialmente encadenados.

> Por su topologla permite que la red se expanda.

> Asegura que nada mas exista una ruta de datos.

> Los DTE subordinados ejercen un control en los DIE inferiores.

distancias al regenerarse la seial.

> El manto. Es relativamente senci lb.

> El aislamiento y Ia recuperación de fallas es sencillo.

Anillo > Fácil de mantener. > Fácil de conectar los

componentes. > Fácil de agregar nuevos

repetidores.

> Si el cable se dana en cualquier punto, ninguna estación podrá transmitir datos.

> Presenta muchos cuellos de botella.

> Si el ordenador principal falla toda Ia red se incapacita.

> Permite Ia evolución gradual hacia una red mas compleja.

> Vulnerable al cable. Falla en los repetidores.

> Tiempo de respuesta de acuerdo al numero de nodos.

> No es muy fácil de instalar.

> La información se transmite en un solo sentido.

> Si alguna terminal falla, puede hacer que toda la red se caiga.

Cuadro 1.2.6 Resumen comparativo entre topologlas

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1.2.6 Sistema Operativo de Red

Es el sistema (Software) que se encarga de administrar y controlar en forma general la red. Para esto tiene que ser un Sistema Operativo Multiusuario, como por ejemplo: Unix, Netware de Novell, Windows NT, etc.

> CaracterIsticas de los sistemas operativos de red

Los primeros S. 0. de red ofrecIan algunas utilidades de gestión de archivos de seguridad simples. Pero la demanda de los usuarios se ha incrementado de forma que los modernos sistemas operativos de red ofrecen amplias variedad de servicios. Estos son algunos de ellos.

• Adaptadores y cables de red • Nornenclatura global • Servicios de archivos y directorios • Sistema tolerantes a fallos • Disk Caching (optimización de acceso al disco) • Sistema de control de transacciones (TTS, Transation Tracking System) • Seguridad en la conexión • Bridges (Puentes) y Routers • Gateways (Pasarelas) • Servidores Especiales • Herramientas software de administración

1.3 Control de acceso al medio

El conjunto de regias que definen como pone los datos un dispositivo en el cable de red y como los torna del mismo se llama un método de acceso.

Las técnicas utilizadas para recoger y depositar datos en la red, poseen gran influencia en:

Velocidad de transmisión.

• Tiempo real.

Caudal de datos transrnitidos.

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Las técnicas de control de acceso al medio definen a una red en deterministica o estocástica, en la primera se conoce el tiempo en que un dispositivo tendrá el acceso al medio para transrnitir información, en forma contraria en una red estocástica no se tiene certeza del tiempo de acceso dependerá solo de que el medio se encuentre desocupado en un momento de querer transmitir informaciOn.

Los protocolos de una red LAN suelen utilizar uno de dos métodos para acceder al medio fisico de la red CSMA/CD (Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection) y estafeta circulante (token passing).

En el esquema de acceso a medios CSMA/CD, los dispositivos de la red compiten por el uso del medio de transmisión fisico de la red. Por esta razón, al CSMA/CD a veces se le llama acceso por contención. Ejemplos de LANs que utilizan el esquema de acceso a medios CSMA/CD son las redes EthernetJIEEE802.3, incluyendo a lOOBaseT.

En el esquema de acceso a medios ilamado estafeta circulante, los dispositivos de La red acceden el medio de transmisión con base a la posesión de una estafeta. Ejemplos de redes LAN que utilizan el esquema de acceso a medios de estafeta circulante son Token Ring/IEEE 802.5 y FDDI.

La funciOn principal de los métodos de acceso es el control del trafico en la red. Multiples dispositivos deben compartir el acceso al cable. Sin embargo, si dos dispositivos pusieran datos al mismo tiempo, la información de uno de Los dispositivos podrIa colisionar con la del otro y ambos paquetes de datos serian destruidos. Si el dato está para ser enviado pot la red de un usuario a otro, o accedido desde un servidor, debe haber forma para que el dato: • Acceda al cable sin hacerlo junto con otro dato. • Sea accedido por el dispositivo receptor con seguridad razonable de que no haya sido

destruido por una colisión durante la transmisión.

Los métodos de acceso necesitan ser consistentes en la forma en que manejan los datos. Si diferentes dispositivos usan distintos métodos de acceso, La red puede fallar debido a que algunos métodos pueden doniinar el cable.

Los métodos de acceso proporcionan accesos simultáneos al cable. Para asegurar que solo un dispositivo a la vez puede poner datos en el cable de red, los métodos de acceso se atienen a un proceso ordenado, en el envIo y recepción de datos en la red.

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1.3.1 Principales métodos de acceso.

Hay tres formas de prevenir él uso simultáneo al cable.

Métodos de acceso multiple con detección de portadora. (Carrier-sense multiple access) CSMA: • Con detección de colisión. • Con evitación de colisión.

> Un método con paso de testigo que proporciona una ünica oportunidad de enviar dato. > Método de prioridad en demanda.

1.3.1.1 Método de acceso multiple con detección de colisión (Carrier-Sense Multiple Access with collision Detection)

Con este método (CSMA/CD), cada ordenador en la red incluyendo esclavos y maestros, chequean el cable para optar al tráfico de la red.

Un dispositivo "siente" que el cable está libre, no hay trafico en el cable. El dispositivo puede enviar dato. Si hay dato en el cable, ningilm otro dispositivo puede transmitir hasta que ci dato ha ilegado al destino y el cable está libre de nuevo.

Si dos o más dispositivos envIan datos a la vez exactamente, habrá una colisión. Cuando esto sucede, los dos dispositivos involucrados cesan de transmitir por un periodo de tiempo aleatorio y entonces intentan retransmitir.

Con estos puntos en mente, el nombre del método de acceso, acceso multiple con detección de portadora con detección de colisión (CSMA/CD), tiene sentido. Los dispositivos sienten o escuchan el cable (carrier-sense). Hay, normalmente, varios ordenadores en la red intentando transmitir datos (acceso multiple) mientras que a la vez escuchan para ver si ocurre alguna colisiOn que les obligue a esperar antes de retransmitir (detección de colisión).

La capacidad de detección de colisión es el parámetro que impone una limitación de distancia en CSMA/CD. Debido a la atenuación, el mecanismo de detección de colisión no es efectivo más allá de 2.500 metros. Los segmentos no pueden sentir seflales más allá de esta distancia y, por lo tanto, no pueden enterarse si un dispositivo lejano está transmitiendo. Si más de un dispositivo transmite datos en la red, tendrá lugar una colisión que corromperá ci dato.

CSMA/CD es conocido como un método de contienda porque los dispositivos en la red compiten por una oportunidad para enviar datos.

Esto puede parecer como una forma molesta para poner el dato en ci cable, pero las actuales i mplementaci ones de CSMA/CD son tan rápidas como para que los usuarios no sean reacios a usar el método de contienda.

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> Consideraciones CSMA/CD

• Cuantos rnás dispositivos haya en La red, rnás grande es el tráfico. Con rnas tráfico, la evitación de colisión y las colisiones tienden a incrernentar, Jo que hace más lenta la red, por Jo que CSMA/CD puede ser un método de acceso lento.

• Después de cada colisión, ambos dispositivos tienen que intentar retransmitir su dato. Si La red está muy ocupada hay posibilidades de que los intentos de ambos resulten en colisión con los paquetes de información de los otros dispositivos en la red. Si esto sucede, cuatro dispositivos (los dos originales y Los dos que eran el origen de los paquetes colisionantes con La retransmisión de los primeros) tendrán que intentar retransmitir. Esa proliferación de retransrnisiones puede conducir a la red a estar cercana a la parada.

• La ocurrencia de este problerna depende del numero de usuarios intentando usar la red y las aplicaciones que estén usando. Las aplicaciones de base de datos tienden a poner más tráfico en la red que las de tratamiento de textos.

• Dependiendo de los componentes hardware, el cableado y el software de networking, una red CSMA/CD con muchos usuarios ejecutando varias aplicaciones de base de datos puede ser muy frustrante debido al gran tráfico de red.

1.3.1.2 Acceso Multiple con detección de portadora con evitación de colisión. (Carrier-Sense Multiple Access ivit/z Collision Avoidance)

CSMA/CA no están popular como CSMA/CD o paso de testigo. En CSMA/CA, cada ordenador señaliza su intención de transmitir antes de hacerlo. De esta forma, los ordenadores sienten cuando podrIa ocurrir una colisión y pueden evitarla.

Sin embargo, al estar difundiendo (broadcasting) el intento de transmitir datos incrernenta el volumen de tráfico en el cable y lentifica las prestaciones de la red. Debido a que CSMA/CA es un método más lento, es menos popular que CSMA/CD.

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1.3.1.3 Paso de Testigo (token passing)

En paso de testigo, un tipo especial de paquete liamado testigo circula airededor del anillo logico de La red de dispositivo en dispositivo. Cuando algün dispositivo en La red quiere enviar datos a través de Ia red, debe esperar un testigo Libre. Cuando es detectado, el ordenador puede tomar control de él.

EL dispositivo puede transmitir su información ahora. El dato es transmitido en tramas (frames), e información adicional, como direccionamiento, es afladida a la trama en forma de cabeceras y colas (headers y trailers)

Mientras el testigo está en uso por un dispositivo, otros dispositivos no pueden transmitir datos. Debido a que solo un dispositivo a la vez puede usar el testigo, no hay contienda, no hay colisiOn y no se consume tiempo esperando por dispositivos que reenvIen testigos debido a tráfico de red por el cable.

1.3.1.4 Prioridad en Demanda

Es un método de acceso relativamente nuevo diseflado para el estándar Ethernet de 100 Mbps llamado 100 VG-Any LAN. Ha sido sancionado y estandarizado por La IEEE en 802.12.

Este método de acceso está basado en el hecho de que los repetidores y nodos finales son dos componentes que forman parte de todas las redes 100 VG-Any LAN. Los repetidores manejan el acceso a La red haciendo büsquedas en redondo (round-robin) para peticiones de envIo por todos los nodos en la red. El repetidor, o hub, es responsable de anotar todas las direcciones, enlaces y nodos finales y verificar que están funcionando todos.

De acuerdo a La definición de 100 VG-Any LAN un nodo final puede ser un dispositivo, un bridge, un router o un switch.

> Contienda por Prioridad en Demanda

Como en CSMAJCD, dos dispositivos pueden causar contienda por transmitir exactamente a la vez. Sin embargo, con prioridad en demanda, es posible impleinentar un esquerna donde ciertos tipos de datos tendrán prioridad si hay contienda.

Si dos peticiones se reciben por el hub o el repetidor, a Ia vez, la petición con prioridad inas alta es servida primero. Si las dos peticiones tienen la misma prioridad, ambas son atendidas alternando entre las dos. En una red con prioridad en demanda, los dispositivos pueden recibir y transmitir a la vez debido al esquerna de cableado definido para este método de acceso.

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Hay solo comunicación entre el dispositivo emisor, el hub y ci dispositivo destino. Esto es más eficiente que CSMA!CD, que hace transmisiones de difusión (broadcasts) a la red entera. En prioridad en demanda, cada hub conoce solo los nodos finales y repetidores directamente conectados a él, mientras que en un entorno CSMA!CD cada hub conoce la dirección de todos los nodos de la red.

Prioridad en demanda ofrece varias ventajas sobre CSMAICD:

• El uso de 4 pares trenzados. Cuatro pares trenzados permiten comunicación Full-Duplex.

• Transmisiones a través del hub. Las transmisiones no son difundidas a todos los dispositivos de la red. Los dispositivos no compiten por la prioridad para acceder al cable, pero están bajo ci control centralizado del hub.

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1.4 Métodos de transmisión por medios guiados.

Se pueden usar dos técnicas para transmitir Las seflaies codificadas por el cable, banda base (base-band) y banda ancha (broad-band).

1.4.1 Transmisión en banda base

Los sistemas de Banda Base usan seflales digitales sobre una frecuencia simple. Las senates fluyen en forma de discretos pulsos de electricidad o Luz. Con transmisión en banda base, la total capacidad de comunicación del canal se usa para transmitir una simple seflal de datos. La seflal digital utiliza el completo ancho de banda del cable, que constituye un ünico canal.

Un total ancho de banda en el cable es la diferencia entre las frecuencias más altas y más bajas que son transportadas por el cable.

Cada dispositivo en una red de banda base transmite bidireccionalmente y algunos pueden transmitir y recibir a la vez. Cuando la seflal viaja a to largo del cable de red, gradualmente decrece en fuerza y puede distorsionarse.

Si la longitud del cable es demasiada, el resultado es una seflal que está distorsionada. La seflal recibida puede ser irreconocible o mal interpretada.

Como una protección, los sistemas en banda base a veces usan repetidores para recibir una seflal y retransmitirla con su fuerza y definición originates para incrementar La longitud practica del cable.

Banda Base: Digital, transmite en los dos sentidos, se ocupa todo el ancho de banda, a veces se usan repetidores.

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1.4.2 Transmisión en banda ancha

Los sistemas en banda ancha usan seflales analógicas y un rango de frecuencias. Con transmisión analOgica, las sefiales son continuas y no discretas.

Las seflales fluyen a través del medio fisico en forma de ondas electromagnéticas. u ópticas. Con transmisión en banda ancha el flujo de la seflal es unidireccional.

Si hay suficiente ancho de banda total, multiples sistemas de transmisión analogica, como television por cable y transmisiones de red, pueden ser soportados simuitáneamente en el mismo cable.

Cada sistema de transmisión está alojado en una parte del total de ancho de banda. Todos los dispositivos asociados con un sistema de transmisión, como todos los dispositivos usando un cable o un bus en una red industrial, deben estar sintonizados para que usen solo las frecuencias que están dentro del rango alojado.

Mientras los sistemas de banda base usan repetidores, los sistemas de banda ancha usan amplificadores para regenerar las seflales analOgicas a su fuerza original.

Debido a que ci flujo de transmisión de la seflal en banda ancha es unidireccional, debe haber dos caminos para el flujo de datos para que una seflal alcance a todos los dispositivos. Hay dos formas comunes de hacer esto:

• Mid-Split (partir por la mitad) divide el ancho de banda en dos canales, cada uno usando una frecuencia diferente o un rango de frecuencias. Un canal se usa para transmitir seflales, el otro para recibir.

• En la configuracion de doble cable, cada dispositivo está enganchado a dos cables. Un cable se usa para enviar y el otro para recibir.

Banda Ancha: Analogica, transmite en un sentido, se puede multiplexar, se usan amplificadores.

1.5 Detección de errores.

Durante toda transmisión de información existe la posibilidad de que se produzcan errores en la transmisión y que la informaciOn enviada no se corresponda con La recibida. Por tanto es importante utilizar un sistema que pueda resolver los fallos. Para ello se suele dotar a los equipos de sistemas para la detección de errores y asI rechazarlos o incluso corregirlos. El que un equipo sea capaz de corregir los errores aumenta la calidad de la comunicación. Lo que se intenta es encontrar un sistema de detección y corrección de errores lo más eficaz posible sin que implique un gasto excesivo en la comunicación.

Las dos deformaciones más tIpicas de la seflal emitida son la atenuación y el desfase. En la atenuación La señal pierde amplitud. En el desfase lo que sucede es que el tiempo de fase se alarga y afecta a la transmisión por frecuencia.

Otro error que se suele producir en las transmisiones digitales es debido a los campos electromagnéticos generados por motores, sobre todo si 50fl de gran potencia. Este tipo de problemas se suele solucionar utilizando cable blindado o variando el trazado de la red (es decir, pasando el cable de red lejos de los emisores electromagndticos).

Cuanto mayor es el caudal de información que se transmite, mayor es la probabilidad de que contenga algün error. Para detectar errores, se afiade un cOdigo en función de los bits de la trama de forma que este codigo seflale si se ha cambiado algi'in bit en el camino. Este codigo debe de ser conocido e interpretado tanto por el emisor como por el receptor.

Comprobación de paridad (LRC)

Se aflade un bit de paridad al bloque de datos (por ejemplo, si hay un nUmero par de bits 1, se le afiade un bit 0 de paridad y si son impares, se le añade un bit 1 de paridad). Pero puede ocurrir que el propio bit de paridad sea cambiado por el ruido o incluso que rnás de un bit de datos sea cambiado, con lo que el sistema de detección fallará. Una mejora considerable puede lograrse haciendo que cada bloque se envIe como una matriz rectangular. Un bit de paridad se calcula separadamente para cada columna, y se incluye en la matriz como su iiltima ristra, para después retransmitir una ristra a la vez. A este método se le conoce como VRC (Codigo de redundancia vertical) y la paridad simple como LRC (Codigo de redundancia longitudinal)

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Comprobación de redundancia cIclica ( CRC)

En ciertas comunicaciones se necesita una protección más fuerte contra los errores, pero sin incrementar en demasla los recursos de la cómunicación. Uno de los métodos lineales que se utiliza es el de redundancia cIclica, que consiste en interpretar el carácter a enviar como un polinomio y sometiéndolo a un cálculo se obtiene un control directo sobre el dato enviado. Este tipo de control detecta incluso la variación de más de un bit.

Por ejemplo: para transmitir el nümero 216, to divido entre 13 y obtengo resto 8. EnvIo ahora 216 (11011000) y 8 (1000) pero hay un error ye! receptor recibe 202 (11010100) y 8 (1000). Entonces, como 202 = 12* 13+7 y no +8 sabemos que hubo un error. Este tipo de sistemas tienen el inconveniente de que no corrigen el error, to que implica que se tiene que volver a enviar la información. Este es un sistema de corrección hacia atrás, porque at detectar un error hay que volver hacia atrás para enviar de nuevo el dato, y asI corregir el error.

Método Hamming.

Es mejor un sistema de corrección hacia adelante que permita detectar el error y seguir enviando información una vez corregido. Corregir todos los bits erróneos es rnuy difIcil. Lo que se trata es de establecer un sistema que detecte todos los errores y que permita corregir algunos, y que además indique que existen mas errores para poder enviar de nuevo la información. Un sistema de este tipo es el método Hamming, que consiste en numerar los bits de izquierda a derecha y realizar la comprobación utilizando el equivalente en binario de la posición del dIgito. Si se necesitan tres dIgitos para indicar la posiciOn en binario se necesitan tres bits de control. El método Hamming permite corregir un error y detectar si hay alguno más. Este sistema normalmente se utiliza para saber si existe rnás de un error, y si solo hubiese uno, corregirlo

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Capitulo 2: Bus de campo (Fieldbus)

2.1 Introducción at Fietdbus.

El bus de campo constituye el nivel más simple y próximo al proceso dentro de la estructura de comunicaciones industriales. Su funcionamiento está basado en procesadores simples y utiliza un protocolo mInimo para gestionar el enlace entre ellos.

Los buses de campo además permiten la cornunicación con otros buses jerárquicamente superiores y más potentes (Bus de control, Bus de Gestión).

El bus de campo o Fieldbus es una tecnologIa o protocolo de comunicaciOn utilizado en la automatización y en el control industrial, es un enlace de comunicación digital, bidireccional, multi-drop entre diferentes dispositivos de control que están presentes en una industria reemplazando la norma analogica de los 4 - 20 mA.

En primer lugar se tiene que el bus de campo es digital. Los computadores, controladores, PLCs y Unidades Terminales Remotas (RTU) se êomunican en forma digital, aunque la mayorIa de los dispositivos liarnados de extremo o nivel de E/S (por ejemplo válvulas, tranductores de presión, interruptores, etc.) todavIa utilizan seflales analogicas para su comunicación Por ejemplo una señal analogica de 4 mA, podrIa corresponder a un flujo de 0 PSI, mientras que una seflal de 20 mA, podrIa corresponder a un valor de 14 PSI. En dispositivos discretos, la presencia de seflal podrIa corresponder a una condición de "cerrado" o "alarma", mientras que la ausencia de la misma podrIa representar un "abierto" o "normal".

Los medios de cornunicación bidireccional, permiten que los valores no solarnente puedan ser leldos desde el dispositivo, sino que tarnbién se pueda escribir hacia el dispositivo. Por ejemplo, pueden guardarse en forma directa ]as constantes de calibración relacionadas con un sensor en particular, en el propio dispositivo y pueden cambiarse a voluntad si fuese necesario.

Quizás la caracterIstica más relevante del sistema multi-drop de un bus de campo, es el beneficio económico que producirá en los costos a futuro para los usuarios. Al utilizar dispositivos analógicos, una seflal debe recorrer todo el cable entre el dispositivo terminal y el sisterna de control. Esto por que solamente una sola senal puede ser representada en el circuito. Los modernos sisteinas distribuidos resuelven este problema en forma parcial at localizar dispositivos remotos fuera de su campo de aplicación a travds de un sistema multiplexado. La ventaja más significativa es poder conectar un nümero determinado de sensores o lazos de control en un mismo cable.

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Los buses de campo se clasifican en dos grandes areas generales:

- Fieldbus de propietario. - Fieldbus abierto.

Los primeros son propiedad intelectual de una compaflIa o proveedor en particular. El interesado no puede hacer mucho, con este tipo, a menos que cuente con La licencia que proporciona el diseflador del Fieldbus. No sorprende, descubrir que dicha licencia se concede con mucha discreción y limitaciones por parte del fabricante, con muchas conexiones de cables y a un precio no muy conveniente.

Los segundos representan todo lo contrario. Hasta donde se conoce para que un Fieldbus sea abierto debe cumplir Los siguientes criterios:

• Especificación completa del Fieldbus disponibilidad para todo piThlico a un precio, que no exceda lo razonabLe.

• Componentes crIticos, disponibles igual que el punto anterior.

EL proceso debe estar aprobado y bien definido, abierto a cualquiera.

En resumen, cualquiera puede usarLo o puede desarrollar productos que lo utilicen y a un costo y esfuerzo razonabLe.

Las caracteristicas que se esperan de un Fieldbus son tres:

• Interconectividad: Es decir que puedan conectarse dispositivos de diferentes fabricantes al mismo bus.

• Interoperabiidad: La habilidad de que operen con éxito elementos de diferentes proveedores.

• Intercambiabilidad: Que los dispositivos de una fuente puedan ser reemplazados con dispositivos funcionaLmente equivaLentes provenientes de otras fuentes.

La Interconectividad es el mInimo comün denominador de un Fieldbus, pero que no ofrece un beneficio significativo por si mismo. Si no puede lograrse La interoperabilidad, la utilización completa del Fieldbus no tiene valor y es particularmente inütil. La ñltima meta es la intercambiabilidad, que solo puede lograrse si las caracteristicas tëcnicas son completas y poseen un sistema apropiado de test y prueba. Los Fieldbus tienen a la interoperabilidad como su principal meta, por lo tanto para lograrla utilizan los denominados "Bloques de Funciones y Lenguaje de Descripción del Dispositivo (DDL)".

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Los Bloques de Funciones, a través de un módulo standard, proporcionan funciones normales como entrada analogica, entrada digital, control PID, salida analogica, salida digital, etc. que pueden ser incluidas en los distintos dispositivos de campo que componen el sistema. Existen mas de 30 de estos bloques de funciones que respaldan la mayorIa de las funciones normales encontradas en las industrias de proceso actuates.

Estas funciones en bloque fueron desarrolladas por un equipo de diferentes fabricantes que trabajaron juntos, para que no representaran los requisitos de un solo proveedor de sistemas de control ya que la tecnologIa en Fieldbus no debe ser controlada o manejada por una sola compafiIa o sea no se debe monopolizar. Aunque algunos opositores opinan que at utilizar esta norma no se tienen márgenes, para poder diferenciar suficientemente sus productos frente a los de otros competidores.

Con esto cualquier compafila que desarrolle un sistema de control puede asegurar que su dispositivo será capaz de interoperar con otros fabricantes con tal que su aplicación simplemente estd configurada segUn la norma para funciones en bloques. Para simplificar el proceso en las pequeflas compafilas, se ha definido un set de "Perfiles de Dispositivo", para dispositivos comunes como medidores de flujo, transmisores de temperatura, válvulas, etc. Estas compañias pueden incluir simplemente uno de estos Perfiles de Dispositivo, en vez de tener que definir todos los parámetros en forma individual para cada uno de sus dispositivos. Se esperaba que algunas compañIas tuvieran rasgos especiales en sus diferentes dispositivos, que los hicieran ünicos en su clase, estos pueden, hacer ahora disponible sus datos definiendo una "Descripción del Dispositivo" (DD) para diferentes dispositivos que utilicen el "Lenguaje de DescripciOn de Dispositivo" (DDL). El sistema central puede leer este dato especial desde el dispositivo, sin la utilización de algün programa en especial, solamente utilizando el liamado programa de Servicio de Descripción de Dispositivos (DDS), puede leer e interpretar el DD.

Por to tanto, podemos decir que la tecnologIa Fieldbus o bus de campo reemplazara la norma de los 4-20 mA. A nivel mundial hay millones de instrumentos trabajando bajo esta norma en estos mismos instantes y esto permite tener algunas ventajas.

Debido a que dispositivos de diferentes proveedores, que utilizan esta norma pueden operar fácilrnente juntos, es decir existe interoperabilidad entre los distintos dispositivos. Ultimamente sin embargo, una norma digital es necesaria para comprender los beneficios del bus de campo.

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2.2 Ventajas de la utilización de un Fieldbus

Un Fieldbus elegido conectamente, para satisfacer una aplicaciOn, ofrecerá muchas ventajas tangibles e intangibles al usuario. Los beneficios tangibles incluyen costos iniciales más bajos en lo que tiene relación con el mantenimiento, implementación y un rnej or funcionamiento.

• Reduce la complejidad del sistema de control en términos de economizar hardware. Esto no significa que se reducirá, el nümero o cantidad de PLC, DCS, I/O utilizables, sino que se reduce en gran medida el espacio fisico necesario para ubicar estos equipos

or ejemplo grandes paneles de control, etc) y también produce un aumento en el orden. Debido al hecho de que el cableado de campo queda drásticamente reducido, la necesidad de grandes uniones y paneles de control de gran envergadura se eliminan, también el empaquetamiento y canalización de cables se reduce. Todo esto va en estrecha relación con la disminución en Los costos de montaje y de mantención.

• El tiempo de instalación o de montaje del es mucho menor. Con el uso de los Fieldbus las nuevas instalaciones son realizadas con mayor rapidez, al iguaL que el diagnostico y detección de errores y fallas en Las conexiones son identificadas con mayor facilidad.

• La complejidad del sistema de control se reduce, la puesta en marcia de algün proyecto se hace mucho más fácil, más rápida y recIprocarnente más barata. La necesidad de diseflos complejos, instrumental, cabLeado, terminaciones fijas se torna más fácil y se reduce.

• Las futuras modificaciones y actualizaciones resultan más económicas y son realizadas con mayor rapidez y facilidad.

• Al seleccionar un sistema conocido, hard que los equipos de campo, de diferentes proveedores, interactüen en el proceso, sin la necesidad de que aparezcan problernas de interoconectividad.

• El tiempo fuera de servicio y la pérdida de producción son reducidas, debido a la exactitud del diagnostico que acompafla a los buses de campo y al procedimiento que utiLizan estos para detectar las fallas.

• Los Fieldbus permite manejar un gran caudal de inforniación debido a que los propios dispositivos e instrumentos conectados al bus pueden conservar y comunicar una mayor cantidad de datos sobre el propio dispositivo, como por ejemplo, constantes de calibraciOn, historial de mantenimiento, etc. Esto permite que sea más fácil el manejo de los registros de instalación, mantención, datos históricos del sistema, ect.

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La mantenciOn preventiva es más fácil de realizar, Esta capacidad que presentan los Fieldbus producen un gran ahorro de tiempo y dinero, at evitar que el equipo quede fuera de servicio.

• Otro beneficio que ofrecen los Fieldbus es que aumentan significativamente el rendimiento del sistema.

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2.3 Comunicación en un Fieldbus

Las comunicaciones sobre un Fieldbus son logradas instalando una interfaz propia del Fieldbus, en todos los dispositivos que se comunican a través de este. Un extremo de esta interfaz se conecta al Fieldbus y el otro a sensores electrónicos o a un sistema central de computadores. Finalmente, estos dispositivos están compuestos solo por un pequeflo circuito integrado que se podrá incluir dentro del propio dispositivo.

Podemos decir que las comunicaciones del Fieldbus son controladas por el software del Fieldbus. Este software se conoce con el nombre de "Software Fieldbus Stack", debido a su complacencia con la norma nümero siete que la ISO plantea para las comunicaciones.

En un bus de campo se engloban las.siguientes partes:

> Estándares de Comunicación: Cubren los niveles fisico, de enlace y de comunicación establecidos en el modelo OSI (Open Systems Interconnection)

• Conexiones FIsicas: En general, las especificaci ones de un determinado bus admiten más de un tipo de conexión fisica. Las más comunes son semi-duplex (comunicación en banda base tipo RS-485, RS-422) y conexiones en bucle de corriente.

• Protocolo de acceso at medio (MAC) y de enlace (LLC): Consiste en la definición de una serie de funciones y servicios de la red mediante códigos de operación estándar.

Nivel de aplicación: Es el dirigido al usuario, apoyándose en las funciones estándar antes mencionadas para crear programas de gestión y presentación. La aplicación suele ser propia de cada fabricante, permitiendo a lo sumo la programaciOn en un lenguaje estándar.

Muchos han sido los intentos de normalización de los buses de campo, hasta que éste the nonnalizado segün La norma IEC (comité TC65C-WG6), el cual define una serie de reglas genéricas que se resumen en lo siguiente:

• Nivel FIsico: Bus serial •controlado por un maestro, comunicación semi-duplex trabajando en banda base.

• Velocidad: 1 Mbps para distancias cortas, o velocidades inferiores, entre 250 Kbps a 64 Kbps para distancias largas.

. Longitud: 40 metros para la velocidad maxima y 350 metros a velocidades más bajas.

• Nümero de Periféricos: 30 nodos como máximo, con posibles ramificaciones hasta un rnáximo de 60 elementos.

• Tipo de Cable: Par trenzado apantallado.

e Conectores: Bornes tipo industrial o conectores tipo DB-9 o DB-25.

• Conexión / Desconexión "on line": La conexiOn y/o desconexión de algün nodo no debe interferir ci tráfico de datos.

• TopologIa: Bus con posibles derivaciones hacia Los nodos o periféricos.

Longitud de Ramificaciones: Maxima longitud de Las derivaciones 10 metros.

• Aislamientos: 500 V CA permanente entre los elementos de campo y el bus. Tension de prueba 1500 V CA/I minuto.

• Seguridad IntrInseca: Opción a conectar elementos de campo con tensiones reducidas para atmósferas explosivas.

• Alimentación: Opción de alimentar los elementos de campo a través del bus.

• Longitud del Mensaje: MInimo 16 bytes por mensaje.

• Transmisión del Mensaje: Posibilidad de diálogo entre cualquier par de nodos sin repetidor. Esto no excLuye, sin embargo, la posibilidad de que la comunicaciOn se haga a través de un maestro ni tampoco excluye el empleo de repetidores "transparentes" para incrementar las distancias de transmisiOn.

• Maestro Flotante: Posibilidad de maestro flotante entre diversos nodos.

• lmplementación del Protocolo: Los circuitos integrados que implernenten el protocolo deben estar disponibles comercialmente y ser de dominio püblico (no deben estar protegidos bajo patentes de exclusividad).

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Las especificaciones del IEC son bastante detallistas en lo que respecta al nivel fisico, pero dejan muy abiertos los niveles de enlace y de aplicación. Por lo tanto hay varios posibles candidatos a que se conviertan en buses de campo estándar, con la consiguiente falta de compatibilidad entre los productos a este nivel. Por lo tanto, hay que asegurarse que todos los componentes de la red sigan a un mismo bus de campo, para que la comunicación no presente problemas o haya que realizar puentes entre los buses.

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2.4 TecnologIa sensor / actuador.

2.4.1 Requisitos de un sistema bus sensor / actuador

Las demandas hechas por algün equipo de automatización en una red de comunicación cambia drásticamente segün los niveles jerárquicos funcionales de una planta o fábrica.

En particular, el area industrial de los sensores I actuadores forma un perfil de requisito muy especIfico e individual. Las areas donde los sistemas de control y Los computadores se conectan a una red y aquellos donde sensores y actuadores no pueden considerarse como un campo homogéneo, al igual que sus demandas en una red de comunicación, son completamente diferentes. PLCs, NICs, controladores y computadores etc., son conectados en red en cada nivel del proceso. El intercambio de datos y programas requiere de varios Kbytes a Mbytes por dispositivo. Estos datos representan una inforrnación ünica, por lo que su transmisión debe ser realizada por una via apropiada, segura, conocida y con mecanismos de repetición del protocolo de la red. Los datos normalmente se transfieren no solo a un sistema situado en el próximo nivel (computadora principal), Pero también entre Los dispositivos del mismo nivel. Esta es La clásica comunicación punto a punto encontrada en todas las jerarquIas de alto nivel. En el campo sensor / actuador, sin embargo, se requieren dos propiedades adicionales, que no son pertinentes en todas las otras areas de Los niveles de automatización.

Primero, la red debe ser capaz de ilevar a cabo todas sus tareas, exarninando el tiempo constante de los datos del proceso.

Segundo, los datos están tan drásticarnente reducidos por el dispositivo, que la eficacia del protocolo de red juega algunas veces un papel crucial.

El nivel sensor / actuador con sus dispositivos forman la interfaz directa entre el proceso fisico real con los sistemas de control o computadoras de control de proceso. Debido a esta definición, esta area comprende dispositivos muy simples como interruptores y contactores que son parte del nivel de I/O tradicional de los PLCs asI conio dispositivos complejos, controladores, drivers y dispositivos de operación. La implementacion de estos dispositivos inteligentes aumenta cada vez más la distribución de las funciones clásicas de Jos PLCs centrales. Una red Para sensores /actuadores no sOlo tiene dispositivos simples sino también algunos dispositivos complejos. Por lo tanto, al determinar las demandas hechas en la red, es completamente crucial tener en cuenta las demandas de toda la interoperabilidad de los componentes, con estos dispositivos y no sOlo con una sola clase de dispositivo, como componentes drivers o sensores. Solo un aprovechaniiento Integro previene la creación de redes heterogéneas i'inicas dentro del campo sensor / actuador y permiten un diseño de control global. Este concepto de red uniforme se orienta hacia las demandas de todos los dispositivos.

Un análisis de las caracterIsticas de comunicación de los dispositivos en el area sensor / actuador muestra que los datos al ser transmitidos pueden ser divididos en dos tipos básicos:

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- I/O o datos del proceso

- Mensajes o parámetros.

Ambos tipos de datos son fundamentalmente diferentes, aunque una comprensión de sus demandas difieren en un sistema de comunicación que es la base elemental para la realización de una red sensor / actuador sin restricción.

Datos del proceso (Datos de I/O)

Los datos del proceso se caracterizan por su efecto directo en el proceso fIsico. Estados de interrupción o manejo de seflales para contactores y válvulas, por ejemplo, son datos importantes del proceso, pero también lo son los set-points y los valores reales de manejo del sistema de control. El proceso de los datos de cada dispositivo terminal no es muy complejo y no comprende más que unos cuantos bits. Debido al concepto de descentralización, se han hecho esfuerzos para recoger datos y hacerlos accesibles a la red, desde el punto de origen. Esto produce un gran nümero de dispositivos de red, que pueden extenderse si bien de varios hasta un centenar, cada uno representado, solo por un diminuto set de información. Esta cantidad de informaciOn por dispositivo es continuamente reducida. Hace solo un tiempo atrás, era un promedio de 8 - 16 bits. Sin embargo, en estos dIas, la tecnologIa innovadora permite una gestión de red eficaz, de sensores con solo 1 o 2 bits de información, un hecho que debe tenerse en cuenta al seleccionar un sistema. Los datos del proceso tienen carácter de informaciOn cIclica por lo que deben actualizarse continuamente en la red. Además para realizar tareas de control automático, es necesario conocer las constantes y examinar los intervalos calculados para los set-points y los valores reales. En este contexto, esto también se refiere a la demanda determinIstica y a una transmisiOn de datos en tiempo -equidistante. Debido a La pequefia cantidad de información del dispositivo de red, no hay normalmente ningün pre-procesamiento de datos local en ci area de datos del proceso. Por lo tanto, los tiempos de transmisión deben orientarse directamente hacia las constantes de tiempo del proceso. Teniendo en cuenta la capacidad de los sistemas de control moderno y el tiempo de ciclo necesario de la máquina, La actualización de datos del proceso contenida en una red debe lievarse a cabo dentro de un perIodo de 1 - 5 mseg.

Los datos del proceso normalmente son identificados singularmente por su dirección o por el terminal del dispositivo al cual representan. Una descripción adicional de estos datos para los propósitos de transmisión no es por consiguiente necesaria. Un rnapeo de estos datos en el programa de aplicación, debe ser La forma de una imagen del proceso continuamente actualizada.

Parámetros (Mensajes)

Se usan parámetros para ajustar, supervisar y programar dispositivos inteligentes. En contraste con los datos del proceso, la información de los parámetros tiene un carácter acIclico. Es decir, la información solo se transmite por demanda y es por consiguiente no recurrente. La transmisión de La información de los parámetros requiere seguridad especial y mecanismos de reconocimiento. La complejidad de un bloque de parámetros en el area sensor / actuador tiene rangos de 10 a 100 bytes para la parametrización del dispositivo y hasta 100 Kbytes para informaciOn del programa. Comparado con datos de proceso muy dinámicos, pueden considerarse generalmente como requisitos de tiempo, para la transmisión de parámetros como no crIticos. Dependiendo del tipo del dispositivo y de la magnitud de la red, los requisitos van desde unos 100 mseg. a varios minutos. Porque las fuentes de los datos inteligentes pueden recibir y enviar una amplia gama de información, un bloque de parámetros no es identificado exciusivamente por la dirección del dispositivo. De hecho, su transmisión requiere información adicional, descriptiva que es incluida con la ayuda de Ilamados servicios de comunicación.

Pueden usarse datos de tipo fundamental, mencionados en todos los dispositivos sensores / actuadores. Los dispositivos simples generalmente son representados solo por datos del proceso; los dispositivos de campo inteligentes, por otro lado, por ejemplo drivers, fuentes de alimentación requieren ambos tipos de datos. De esta manera un driver sé inicializa y parametriza por medio de La información del parámetro, mientras que por ejemplo, ci set-point y Los valores reales para frecuencia y velocidad rotatoria son datos tIpicos del proceso que ponen demandas muy altas en las redes dinámicas para realizar control y funciones de control de Lazo cerrado. Sin embargo, incLuso en el area de los dispositivos simples, La tendencia hacia La parametrización puede verse cada vez con mayor frecuencia. Las redes seriaLes proporcionan La oportunidad incluso de parametrizar un simple sensor de La red y estas posibilidades se usarán cada vez más en el futuro. Adernás de Los requisitos para La comunicación de los diferentes datos del proceso y La información de los parametros mencionados, pueden formularse como requisitos generales de una red sensor / actuador. Un aspecto decisivo para el diseflo de un sistema tipo bus es que el funcionamiento del sistema, debe proporcionarse al nivel del conocimiento del personal disponibie en el ambiente de La aplicación. El personal que trabaja con redes en ci area de sensores / actuadores generalmente no es especialista, por consiguiente, la instaLaciOn de La red y el mantenimiento debe ser simple y fácil de entender. Los procedimientos de acceso por control de prioridad requieren ocupar tiempo para ci rendimiento y su utilización, para poder analizar la red y determinar Los tiempos de acceso para casos extremos y deben controlarse por lo tanto las salidas para una red sensor / actuador. Una estructura rnaestrd - esciavo, clara asegura los tiempos de acceso determinIstico asI como ci simple planeamiento y diseño de la red. También debe ser posible reparar la red sin la necesidad de herramientas especiales y en tiempo determinado.

El sistema debe equiparse con funciones de diagnóstico comprensivas que inciuso un técnico de servicio poco familiar con ci sistema pueda descubrir las partes del sistema que presenten desperfectos. Los componentes que presenten desperfectos deben ser fáciles de reemplazar sin la necesidad, de realizar ajustes extensos en el dispositivo. El ajuste manual de las direcciones del dispositivo, necesario en muchos conceptos de la red, representa un alto riesgo de error y deben evitarse.

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Esta area también exige una velocidad de transmisión de datos que debe ser tan baja corno sea posible. Solo de esta manera pueden usarse medios de transmisiOn simple, asegurando que estos medios sean de fácil instalaciOn y se logre una alta compatibilidad electromagnetica. Una primera mirada a este requisito parece contradecir la demanda durante tiempos cortos de transmisión. Para cumplir ambas demandas, el protocolo del bus sensor / actuador debe utilizar una impiementación Optima de transmisión por ejemplo, un despliegue con una alta proporción de eficacia. Por lo tanto no representa ninguna ventaja cuando una red tiene una velocidad de transmisión de datos de, por ejemplo de 12 Mbps, no es la velocidad de transmisión la que decide que el entramado de datos se realice durante la transmisión; esto también se llama eficacia protocolar.

Las demandas hacen que ci tamaño de una red vane y dependen enonnemente de La aplicaciOn. La distancia entre los dispositivos puede ser solo de algunos metros dentro de una máquina o de varios cientos de metros en las areas de instalación, materiales que manejan y almacenaje.

Cuando los dispositivos de diferentes fabricantes son operados en una red abierta, simple y, sobre todo, sin propiedades de diagnostico, herramientas en la forma de un computador auxiliar usando interfaz son de vital importancia.

Como ya quedo demostrado, las demandas hechas en ci sistema de comunicación por Las dos clases de dispositivos básicos o el tipo de datos de los sistemas sensor / actuador difiere completamente. Por un lado, en la transferencia de I/O, es indispensable ci orden para realizar las demandas en tiempo real, mientras que en el otro, un mecanismo de transmisión de mensaje habilita La parametnización de los dispositivos y también en los que se desee. Sin embargo, estos conflictos requeridos no deben lievar a una sola area de aplicación, siendo servido para dos redes diferentes, una para transferencia de datos de I/O en tiempo real y otra para la parametnización de dispositivos. Esto significa que estos dispositivos requieren ambos tipos de datos, corno drivers, tienen que ser equipados con dos interfaces de red, una situación compietamente inaceptable para ci usuario.

2.4.2 Comparación entre métodos de transmisiOn de datos

Qué clase de mecanismo de transmisión satisface óptimamente a una red sensor I actuador?

Para contestar esta pregunta, primero se deben comparar dos métodos básicos de transmisión de mensajes.

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42

NETODO DE TRAHSMISIÔN MENSAJE-ORIENTADO

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Fig.2.4.2. a: Método de Transmisión Mensaje - Orientado.

El método de transmisión clásico, es el mensaje orientado que está basado en una conexión logica punto a punto entre dos dispositivos. El orden para una transmisión cIclica de datos del proceso, cuenta con un maestro central que ordena a cada sensor en forma sucesiva mediante un mensaje, enviar sus datos de entrada. Si la sugerencia es reconocida el sensor enviará su respuesta. La transmisión de datos al actuador se ileva a cabo de la misma manera. En este caso, el sistema de control envia un mensaje con datos de salida a un actuador. El actuador, a su vez, reconoce este mensaje con una respuesta. En este procedimiento un protocolo de transmisión completo se ejecuta entre el maestro central y un esclavo, donde un mensaje con datos no usados siempre se transmite via red. Además de los datos de usuario reales, un protocolo de transmisión o una trama de mensaje con una cantidad grande de datos de nivel superior también debe transmitirse (dirección, comando, datos etc.).

El hecho tipico, es que se transmite informaciOn muy pequeña por cada dispositivo, en el area de sensores / actuadores y que el mecanismo protocolar consume mucho tiempo, esto significa que la transmisión de datos de procesos cIclicos es muy ineficaz. Sin embargo, éste no es el caso donde la transmisión acIclica de información de parámetros.

En principio, la transmisión acIclica corresponde a una estructura punto a punto del procedimiento de comunicación. Además, los bloques de parámetro tipicarnente largos significan que la eficacia protocolar aumenta considerablemente. El método de transmisión de mensajes orientados es ideal para una transmisión compleja, en bloques de parãrnetros no ciclicos, pero no satisface la transmisión ciclica de datos de proceso cortos.

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Fig. 2.4.2 b: Protocolo Suma de Tramas.

El segundo método de transmisión básico es el protocolo ilamado "suma de tramas". Este método combina los datos de todos los sensores y actuadores de una red en un solo mensaje. Este mensaje se envIa simultáneamente a todos los dispositivos. La transmisión superior ocurre solo una vez. Combinando la información de todos los dispositivos conectados a la red en una trama de mensaje extendido al bloque de datos considerados ñtiles. La eficacia de este protocolo aumenta dinámicarnente con el nümero de dispositivos conectados a la red que, como nosotros sabemos, es tIpicamente muy alto en el area sensor I actuador. El protocolo de suma de tramas satisface óptimamente la transmisiOn de datos de proceso cIclicos. Sin embargo, agregando información de parámetros complejos a la trama del mensaje IlevarIan a alargar considerablemente La trama y reducirlan La velocidad del rendimiento para los datos de procesos cortos. Además, el carácter acIclico de los datos del parámetro es incompatible con el procedimiento cIclico del método de suma de tramas.

Por principio, el método de suma de tramas garantiza la demanda para determinar y fijar intervalos de examen y proporcionar una alta eficiencia y una combinaciOn de transmisiOn de datos baja y un entramado de datos altos.

El siguiente ejemplo demuestra las principales diferencias de eficacia entre el protocolo de comunicaciOn y el protocolo de suma de tramas con respecto a Ia transmisión de datos de proceso. Este ejemplo está basado en un sistema con 32 dispositivos conectados a la red cada uno de los cuales representan 8 bits de datos de proceso. Un método tipico de transmisiOn mensaje orientado requiere sobre 200 bits para actualizar 8 bits de datos de proceso. Esto significa que esa eficacia del sisterna es aproxirnadamente del 4%. En otras palabras, se utiliza solo un 4% de la transmisiOn total para los datos del usuario. En el caso

EEII

de CAN protocolo basado en DeviceNet, esta eficacia es del 8% y para el Fieldbus IEC del 5%. Comparando esto al protocolo de suma de tramas puede lograrse una eficacia de más del 60%. Esto quiere decir, que para asegurar ci mismo tiempo de examen, la proporción del método de transmisión mensaje orientado debe aumentar su poder en más de diez. Esto lieva finalmente a una situación donde, para que este método logre una respuesta desde cualquier parte cerca o lejos en el tiempo requerido, debe usarse una velocidad de transmisión de varios Mbps. Estas proporciones constituyen los ilmites con los cuales se puede realizar una impiementación con un gasto justificable, sin que éstos sean excedidos. Finalmente, el método mensaje orientado no tiene más soluciones que ofrecer, si los tiempos en las demandas de las respuestas de la red continüan aumentando y la tendencia hacia la descentralización continua, por ejemplo una red comprende mas y más dispositivos cada vez con cada menos información. Esto queda demostrado ciaramente al conectar a una red solo sensores.

Hoy, las tecnologIas modernas de los semiconductores habilitan una conexión rentable que incluya solo sensores y actuadores en los sistemas de bus. Sin embargo, debido a las caracterIsticas de su protocolo, no es posible hacer semej ante conexión y retener ci entramado de datos necesario con soluciones Fieldbus basadas en ci procedimiento mensaje orientado. Incluso un aumento en la proporción de baudios que a menudo ya es demasiado aita en varios Mbps no tiene un gran efecto.

Los sistemas de interfaz de sensores "puros" que se elevan como una alternativa, solo cubren pequeflas areas de solución de automatización debido a la distancia y a las limitaciones en la cantidad de datos. Hoy, en algunos casos un "matrimonio por conveniencia" entre el protocolo basado en mensaje y la interfaz del sensor al sisterna se promueve como una solución de compromiso. Sin embargo, ci resultado no es una solución que satisface las demandas del usuario, pero es otra variante en ci surtido de los Fieldbus. El método de suma de tramas, sin embargo, ofrece ci entramado de datos completos sin la interrupciOn del sistema, incluso para dispositivos discretos.

Esta comparaciOn de métodos de transmisión muestra que ninguno de los dos métodos realmente satisface la demanda central para una red universal para datos cIclicos de I/O y parãmetros de información acIclica.

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Capitulo 3: Protocolos al nivel de campo y proceso.

3.1 Protocolo Bitbus

Bitbus desarrollado por Intel en La década de Los '80, está aceptado internacionalmente como un estándar industrial: enlaza equipos de diferentes fabricantes, siendo el hardware y el software totalmente estandarizados y compatibles. En 1991 el Bitbus fue oficialmente estandarizado, el estándar IEEE- 1118 contiene la funcionalidad del clásico Bitbus de Intel como base, e incorpora nuevas funciones.

Una de las razones del éxito de Bitbus son los servicios "RAC". El RAC (Remote Access Control) es una serie de servicios destinados a proporcionar un acceso directo a recursos remotos, tareas, I/O, memoria, etc. En el modelo OSI, las funciones RAC cubren la capa de aplicación (capa 7).

A pesar de que Bitbus es un bus de campo algo antiguo, emplea un protocolo moderno: La comunicación está basada en el protocolo SDLC, inventado por IBM, que es empleado también en comunicaciones Ethernet e ISDN.

Las implernentaciones clásicas del protocolo Bitbus están basadas en el microcontrolador Intel 8044: Este microcontrolador contiene el soporte completo de Las especificaciones Bitbus, incluyendo el controlador RAC y un pequeflo nücleo operador en tiempo real. Las implementaciones modernas están basadas en diferentes procesadores y microcontroladores, que presentan un bajo consumo en potencia y un alto rendimiento de transferencia para Bitbus.

Bitbus es un sistema de comunicación que está basado en una lInea compartida RS - 485 (varias estaciones de comunicación unidas a un mismo par de cables) y está optirnizado para La transmisión de pequenos mensajes en tiempo real. En instalaciones más actuaLes se emplea también fibra óptica para su implementaciOn.

Una red de comunicación Bitbus siempre posee un maestro y uno o varios esclavos. Cada esciavo posee su propia dirección de red que le hace ünico e identificable dentro de La red. El maestro maneja la red seleccionando los esclavos con Los cuales se va a cornunicar. Los esclavos deben responder excLusivamente, cuando son requeridos por el maestro. Este simple método de control permite una alta seguridad en la comunicación, optimizada para la mayorIa de las aplicaciones de automatización.

La estructura de una red Bitbus también incluye repetidores. Los repetidores deben ser empleados si hay más de 28 estaciones de trabajo a lo largo del segmento de cable que se va a emplear.

Cuando se emplea en ambientes con ruido industrial, es recomendable una separación galvánica en la interfaz Bitbus: el RS - 485 está Optimamente aislado del controlador. La utilizaciOn de un cable de fibra óptica también es posible, pero no obligatoria.

La experiencia muestra que un buen cable blindado, con una referencia a tierra, combinado con La señal diferencial del RS - 485 es un excelente rnedio fisico, incluso en ambientes ruidosos. Y además es de bajo costo.

3.1.2 CaracterIsticas generates del protocolo Bitbus

> Existen dos modos de transmisión:

• Sincrónico: En este modo los datos se transmiten por medio de un cable de tipo par trenzado y el clock de sincronización mediante otro. par adicional. No se admiten repetidores y La estructura del bus es completamente lineal (solo hay un nivel).

• Auto reloj: En este modo cada nodo genera su propio clock, sincronizando con la linea de datos. Los datos se codifican en formato NRZI. Se permite el uso de repetidores (obligatorio para más de 28 nodos). Las derivaciones a partir del repetidor requieren una ilnea de control además de la lInea de datos, por lo que se emplean dos cables par trenzado.

> La estructura de la red Bitbus puede ser de varios tipos:

• Básica: Estructura logica del tipo maestro - esclavo.

• Arbol: Se emplean repetidores para largas distancias, se considera todo, como un ünico bus y se opera en modo auto reloj (debido a que los repetidores no transmiten la seflal de clock).

• Arbol inultinivel: Se emplean uniones maestro - esciavo para formar sub - buses en varios niveles. Cada nivel puede operar a una velocidad propia y posee sus propias direcciones.

> El cableado puede estar formado por uno o dos pares de cable trenzado y apantallado, siendo esta pantalla comün para todos los cables.

Normalmente se emplea un par de cables para la lInea de datos semi-duplex y el segundo par para una de las siguientes aplicaciones:

• TransmisiOn del clock en modo sincrónico. • ConmutaciOn de la Ilnea en repetidores en modo auto reloj.

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Codificación

Nivel de bits:

• Modo sincrónico: La codificación se realiza mediante el procedimiento NRZ (0 es nivel bajo y 1 es nivel alto).

• Modo auto reloj: La codificación se realiza mediante el procedimiento NRZI (0 es cambio de nivel y 1 es un "no" cambio de nivel).

Al nivel de bytes se emplea un set reducido del protocolo SDLC de IBM. Este protocolo inserta un después de cinco consecutivos. Este sistema, combinado con la codificación de bit por NRZI, permite sincronizar el clock en el receptor en modo auto reloj cada 6 bits como mInimo. El controlador de Intel 8044 proporciona la inserción y elirninación de ceros del protocolo SDLC de forma automática.

El siguiente cuadro describe en forma resumida las principales caracterIsticas de este protocolo:

Maestro - esclävo mediante tráinas de mensaje.( 248 bytes Procedimiento de max. de longitud por mensaje.) acceso

Bus, terminado en ambos extremos. Proiongación posible Topologia mediante el empieo de repetidores.

Medio de Cable par trenzadQ (Impedancia caracterIstica de 120 ) con Transmisión toma de tierra y apantallado.

Niveles Eléctricos Par diferencial 0/5 V segin defmición RS - 485.

SDLC con NRZI sincronizado de clock propio (auto reloj)con Protocolo flags de apertura y cierr, test de direccionaniiento y

comprQbación de error porCRC de 16 bits.

Velocidad de 375 Kbps. ó 62,5 Kbps (ver tabla 3.1.3) Transrnisión

28 por segmento con repétidore'sdespués de cadá segmento, Numero dc Esciavos 250máximo. Velocidad de transferencia con más de,un

repetidor 62,5 Kbits/sec. Exciusivamente (ver tabla 3.3)

Longitud 300 m. por segmento a 375 Kbits/seg. 1200 metros a 62,5 Kbits/seg.

Conector Conector DB-9.

labia 3.1.2: Caracteristicas Generales del Protocolo Bitbus

we

Tabla 3.1.3: relación entre numero de nodos, velocidad y repetidores Bitbus

Modo N° max de Nodos

N0 máxdc Repetidores

Velocidad (Kbits/sec)

Distancia maxima (metros)

Auto reloj 28 - 62,5 1200

Auto reloj 28 - 375,0 300

Auto reloj 250 10 62,5 1200 entre repetidores (4800 max.)

Auto reloj 250 2 375,0 300 entre repetidores (900 max.)

Sincrónico 28 - 62,5o37 5,0 1 300 o 1200 (segun velocidad)

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3.2 Protocolo Interbus

Interbus, es un sistema de bus que debido a sus caracteristicas técnicas, es particularmente conveniente para el uso en el campo de sensores y actuadores industriales, y con extension de salida para redes desde el nivel de control hasta el ñltimo dispositivo de La red. Interbus es apoyado por un proveedor de red independiente asI como actualmente más de 700 fabricantes de dispositivos con nuevos desarrolLos técnicos y productos.

En Alemania, siguiendo los deseos de los usuarios, las principales y más importantes funciones de Interbus fueron normalizadas por el DKE (Deutsche Elektrotechnische Kommission: Comisión Electrotecnica Alemana para DIN y VDE). En 1993, fue publicada la serie DIN E 19258. Esto estabilizó a los protocolos de transmisión y servicios necesarios para la comunicación de datos de proceso. Las caracterIsticas técnicas para los parámetros de comunicación de datos también están generalmente disponibLes y se pubLicaron en el informe DIN 46 (1995).

ESTRUCTURA DEL DOCLJUENTO INTERBUS

Fig. 3.2.1: Estructura de La norma Interbus

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Interbus no solo cumple con aceptar perfiles universales, sino que también satisface las demandas del cliente para una solución de usuario amistosa, abierta y con tecnologia aceptable para el futuro (protección de inversion existente).

El siguiente cuadro describe en forma resumida las principales caracterIsticas de este protocolo:

Maestro - esciavo (el bus maestro simultáneamentè actüa Procedimiento de como interfaz para control de alto nivel) acceso

,Anillo (full-duplex). V

Topologla

Medio de Cable par trenzado Transmisión

Niveles Eléctricos

Sumade tramas que se asigna ala claseVde procedimientos de Protocolo transmisiOn por colisión libre TDMA (TDMA: Time Division

MiMtiple Access).

Ve1ocidaddë 500 Kbps, park una distancia de 400 Transmisión

Numero de Esciavos

Longitud La función delrepetidor integradaen cadadispositivo habilita una extension global del sistema Interbus dè unOs 13 Km. Para una fácil operaciOn, el nuxmero de dispositivos Interbus Se 1irnitaaunmáximode 512

Conector RS-485 . V

Tabla 3.2.2: Caracteristicas Generales del Protocolo Interbus

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3.2.2 Comparación con el modelo OSI.

El protocolo Interbus está basado en tres capas del modelo OSI. Estas capas son las siguientes:

• Capa 1 (Capa FIsica). Aqul está el tiempo condicionado como velocidad de baudio, asI corno los formatos para ci cable codificado están determinados.

• Capa 2 (Capa de Enlace de Datos). La integridad de los datos está garantizada. La Capa de Enlace de Datos de Interbus toma en cuenta el apoyo de ambos tipos de datos ocurriendo en tecnologIa sensor / actuador Los datos de proceso cIclico y los parámetros no cIclicos.

• Capa 7 (Capa de Aplicación). La interfaz de aplicación es proporcionada a través de la capa 7. (RS- 485)

Un rasgo importante de la Capa de Enlace de Datos de Interbus es el determinismo. Por ejemplo garantizar ci tiempo con que los datos cIclicos son transportados entre los dispositivos remotos.

Interbus está basado en el procedimiento de suma de tramas que se asigna a la clase de procedimientos de transmisión por colisión libre TDMA (TDMA: Time Division Multiple Access). Esto significa que a cada dispositivo se Le asigna un intervalo de tiempo segün sea su funciOn, que hace simple ci cálculo del tiempo de la transmisión total como La suma de todos los intervalos de tiempo. Pueden definirse intervalos de tiempo adicionales para bloques de datos de modo de conexión "en demanda." De esta manera, un bloque de datos de gran tamaflo puede transmitirse con Interbus, sin alterar ci pequeflo examen de referencia cIclica para los tipos de datos de proceso. La independencia de estos dos tipos de datos entre si es decisiva para la capacidad de rendimiento del protocolo Interbus y La habilidad de comprender tareas de control de lazo cerrado por rnedio de este protocolo.

Combinándose entre si, estas caracterIsticas protocolares permiten reaLizar redes sin restricciones cubriendo sistemas de control, dispositivos dc campo inteligentes, y sensores y actuadores. Además, ci procedimiento de suma de tramas garantiza que La imagen del proceso sea consistente entre todos los dispositivos, desde Los datos de entrada contenidos en ci mismo tiempo de examen y todos los datos de salida de los distintos dispositivos sean recibidos al mismo tiempo. Una gran ventaja de Interbus es la alta velocidad de eficacia del protocolo, por ejemplo que La cantidad adicional de datos (superiores) necesaria para guardar y sincronizar datos es pequeflo comparado con la cantidad de datos de usuario. En contraste con otros protocolos de bus, la velocidad de transrnisión fIsica puede ser baja. Por otro lado, sin embargo, esto muestra tambidn ci ünico potencial que Interbus puede ofrecer cuando la velocidad de transmisión aumenta. No es necesario en este caso compensar el protocolo superior aumentando la velocidad de transmisión para obtener un entrarnado adecuado de datos.

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3.2.3 Imp1ementaci6n técnica del protocolo de transmisión

El procedimiento de suma de tramas explicada anteriormente es realizado en Interbus por medio de una estructura de registro. Cada dispositivo Interbus está unido al anillo por medio de un registro, La longitud de cada uno es determinado por La cantidad de puntos de datos de proceso del dispositivo. Acoplando todos los dispositivos juntos, un anillo es creado, la longitud y estructura de este corresponde exactamente a la configuraciOn del campo de datos de usuario en el mensaje de suma de tramas. Los datos de salida del proceso para los equipos periféricos son colocados en los buffer de salida del maestro segün el orden fIsico de los dispositivos de salida conectados. Un ciclo de transmisión empieza con una sucesión de datos. Esta sucesión de datos contiene las palabras que enlazan los lados de transmisión, seguido por Los datos de salida.

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IruGEiN: DATA

I OUTDAT& I0UTflAThII

—tiI 1 iJ II 2 I

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Fig. 3.2.1: Método de Acceso al Medio.

Mientras los datos salen, el flujo de retorno de la inforrnación del proceso es ingresada simultáneamente al buffer del maestro como datos de entrada. Luego todos los datos de las salidas son colocados correctamente en los dispositivbs individuales. La secuencia del chequeo de la trama de 32 bits (FCS) sirve para verificar que los datos fueron transferidos a los usuarios correspondientes. Estos datos guardados se Lievan fuera usando un procedimiento de verificación de error a través de CRC.

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Debido a La estructura punto a punto, el mecanismo de verificación de error debe colocarse entre dos dispositivos vecinos. Controlado por la secuencia de verificación de trama, el intercambio y comparación del CRC polinomial se Ileva a cabo entonces simultáneamente en todos los dispositivos, para que una sola transmisión superior sea generada por la verificación CRC, que es eficaz para ci sistema completo. El estado de verificación de suma sigue siendo de 16 bits del FCS y se transmite primero. Este estado de verificacjón de suma es usado por cada dispositivo para informar ambos errores de transmisiOn de su propio dispositivo como al próximo dispositivo reconocido y para reconocer enores del dispositivo anterior. Si ci estado de verificación de suma no muestra ningün error de transmisión reconocido, los datos en los registros son realizados en la aplicación. Los nuevos datos de entrada transmitidos continian siendo pedidos por la aplicación. Adernás de los ciclos de datos para la transmisión de datos de usuario como se describió anteriormente, un ciclo de identificación también se define en La "Capa de Enlace de Datos" de Interbus

Este ciclo act-6a como ci bus manejador. Cada dispositivo del bus tiene un codigo de identificación segün la Capa 2 que da información acerca del tipo de dispositivo y su rango de datos de usuario. La configuracion independiente del sistema de bus es ilevada a cabo por una sucesión de cicios de identificación que el maestro del bus inicia en orden para leer la identificación de los dispositivos remotos. Usando ci codigo de identificaciOn leldo en, la configuracion de suma de tramas ci ciclo de datos puede establecerse. La Capa 1 de Interbus funciona con un procedimiento asincrónico start / stop. Un código que contiene información adicional como identificación de término de la trama, código de función y tipo de mensaje, es agregado en 8 bits de información y se transmiten como un mensaje de datos. Durante los intervalos de transmisión en que no hay ninguna salida de datos de usuario del maestro, ci flujo de datos regular está lieno con mensajes de estado. Ellos no están contenidos en la Capa 2 de datos y principaimente sirven para garantizar la actividad permanente en ci medio de transmisión. Si esta actividad de datos se interrumpe por Ufl

perlodo de más de 20 mseg., es interpretado por todos Los dispositivos como una interrupción en el sistema. Como resultado, Los dispositivos se cambian a un estado definido como restablecimiento de seguridad, por ejemplo todos los dispositivos se cambian al estado seguro dentro de un corto tiempo en caso de una interrupción en ci sistema o faila en ci panel de control.

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3.3 Protocolo Hart (Highway -Addressable Remote Transducer).

3.3.1 Presentación

El protocolo de comunicaciones de campo Hart es aceptado ampliamente en la industria como el estándar para mejorar digitalmente la comunicación con la norma analogica de los 4 - 20 mA. con instrumentos de campo inteligentes. Una amplia gama de productos de un nümero creciente de proveedores está disponible y muchos más est.n en desarrollo. La capacidad de comunicación bidireccional de los instrumentos que usan el protocolo Hart pueden mejorar la información y dirección de la planta significativamente, proporcionando soluciones a los desafios comerciales de hoy y produciendo economIas de costo substanciales.

Durante muchos aflos, La comunicación de campo estándar para los equipos de automatización de proceso ha sido utilizando seflales de corriente analógica (mA). La seflal de corriente en miii - amperes varlan dentro de un rango de 4-20 mA en proporción a la variable del proceso que representa. En aplicaciones tIpicas una sefial de 4 mA corresponderIa al limite inferior (0%) del rango calibrado y los 20 mA corresponderlan al lImite superior (100%) del rango calibrado. Si el sistema es calibrado para 0-14 PSI, entonces una senal de corriente analogica de 12 mA (50% de rango) corresponderá a una presión de 7 PSI. Virtualmente todos los sistemas instalados usan esta norma internacional para comunicar las variables del proceso entre los equipos de automatización del proceso.

El protocolo de comunicación Hart extiende esta norma de Los 4-20 mA para mejorar La comunicaciOn de los instrumentos de campo. El protocolo Hart fue diseflado especIficamente para ser usado con medidores inteligentes e instrumentos de control que tradicionalmente se comunican utilizando seflales analogicas de 4-20 mA. Hart conserva las señales 4-20 mA y permite las comunicaciones digitales bidireccionales sin perturbar La integridad de las seflales 4-20 mA. A diferencia de otras tecnologIas de comunicación digital, además mantiene la compatibilidad con los sistemas existentes 4-20 mA, esto para, proporcionar a los usuarios una solución ünica y compatible.

La capacidad de comunicaciones mejoradas en los instrumentos de campo inteligente empleando ci protocolo Hart, ofrece una funcionalidad significativamente mejor y un mayor rendimiento sobre los dispositivos 4-20 mA anaiOgicos tradicionales. Hart permite que las variables protocolares del proceso continUen siendo transmitidas por las sefiales 4-20 mA analógicas y además La información perteneciente a otras variables, como parámetros, configuracion de dispositivos, caiibración, y diagnostico del dispositivo ser transmitidas digitaimente al mismo tiempo. AsI, una rica información adicional relacionada con el funcionamiento de la planta está disponible para ci control central o para los sistemas de supervision a través de las comunicaciones de Hart.

57

El protocolo de campo Hart ha demostrado ser, fácil de implementar, usar y mantener. Esta tecnologIa está comenzando ha ser utilizada en una amplia variedad de aplicaciones a nivel mundial para obtener mejoras significativas en el rendimiento de Las plantas, proporcionando soluciones a los problemas de diferentes normas de regulación

Hart utiliza la norma Bell 202 Frequency Shift Keying (FSK) para sobreponer señales de comunicación digital en un nivel bajo sobre los 4-20 mA como se muestra en las figuras 3.3.1ay 3.3.1b.

COMU NI CACI ON ANALOGA-DI GI TAL

..O.5rnA

FSKfreq: 1200 Hz 2200112

Logical: "1" "0"

Fig. 3.3.la: HART utiliza FSK para codificar la información digital sobre una señal analógica.

Esto facilita La comunicación bidireccional y hace posible tener información adicional más allá de las variables del proceso normal para ser comunicados desde y hacia los instrumentos de campo inteligente. HART se comunica a una velocidad de 1200 bps sin interrumpir las señales 4-20 mA y permite una aplicacion central (maestro) para conseguir dos o más actualizaciones digitales por segundo de un dispositivo de campo. Cuando la señal digital FSK es continua, esta no se interfiere con La seflal 4-20 mA.

2 m.

,.o.t

— I S •flo

Fig. 3.3.1b: La seflal digital Hart es sobrepuesta en una seflal análoga 4-20 mA.

58

3.3.2 CaracterIsticas y datos técnicos

• Tipo de Transmisión de Datos: Frequency Shift Keying (FSK) de acuerdo con la norma de Bell 202, relacionada con la velocidad de transferencia y con la frecuencia para los bits de informaciOn I y 0.

Veiocidad de Transferencia: 1200 bps.

Frecuencia para ci bit de información ' 0': 2200 Htz

• Frecuencia para ci bit de información' 1': 1200 Htz

• Estructura de la Seflai: 1 bit de inicio, 8 bits de datos, 1 bit para paridad impar, 1 bit de parada

• Velocidad de Transferencia para Variables Simples: 2 seg. aprox. para interrogación / respuesta, 3 seg. aprox. para modo broadcast opcional.

. Nümero máximo de Unidades en modo bus: Con una fuente de alimentación central, quince unidades

• Espccificación de Variables Multiples: Nümero máximo de variables por unidad de campo, 256. Nümero máximo de variables por mensaje, 4

• Niimero máximo de Sistemas Maestros: 2

• Integridad de los Datos:

Capa FIsica: La proporción del error del circuito de destino, 1/10* 5 bits.

Capa de Enlace: Reconoce, todos los grupos de hasta tres bits corruptos y prácticamente todos los grupos rnás largos y rniiltiples.

Capa de Aplicación: Transmisión Estado de Cornunicación en una respuesta de mensaje.

***En ci anexo 4 de este trabajo se enirega una mayor informacion

59

3.3.3 Estructura del protocolo Hart

El protocolo HART utiliza un modelo OSI reducido, implementando solamente las capas 1, 2 y 7 (ver figura 3.3.3 a).

La capa 1, Capa fisica, opera bajo el principio FSK, basado en la norma de comunicaciones Bell 202:

Velocidad de Transferencia de Datos: 1200 bps Frecuencia para 0 lógico : 2200 Hertz Frecuencia para 1 logico : 1200 Hertz

La vasta mayorIa de cables existentes es usada para este tipo de comunicación digital. Para cortas distancias, apantallado, 0.2 mm2, lIneas bifilares. Para largas distancias (hasta 1500 metros), un solo cable, apantallado de 0.2 mm2 par trenzado puede ser utilizado. Para distancias superiores hasta de 3000 metros pueden ser utilizados cables de cobre, apantallados, par trenzado de 0.5 mm2.

OSI reference model Open Systems Interconnection

Layer Function HART

7

8

S

4

2

1

Application provldesfomlatteddata 4HAflTIntriicflohs

Presentation converts data

Session 'handles tte dialogue,

ra securis the Tnsport tranconrioctiorj.

Network estabJi8Q$etwork

e rMkconnection

stablishes h e data Link tlARTproto cot eguiatiois t

H 2,9r Physical connects the equipment

Fig. 3.3.3 a: Modelo de referencia OSI.

We

La capa 2, Capa de Enlace, establece el formato de la trama para un mensaje Hart.. Todas las actividades de comunicación son originadas por un maestro, por ejemplo un terminal HMI. Este direcciona un dispositivo de campo (esciavo), cuando interpreta los comandos de mensaje y envIa una respuesta.

La estructura de este mensaje puede verse en la figura 3.3.3 b. En modo multi-drop este puede ser acomodar las direcciones de varios dispositivos de campo y terminales.

Structure of a HART message 'W

CD BC Status Data

L Field device and communication status (ONLY from field device to master) Byte count

Fig. 3.3.3. b: Estructura de la trama del mensaje HART.

La capa 2 mejora La seguridad de la transmisión para agregar los caracteres de paridad derivados de todos los caracteres precedentes; cada carácter también recibe un bit para paridad impar.

Los caracteres individuales son:

1 bit de inicio 8 bits de datos 1 bit para paridad impar 1 bit de parada

La capa 7, Capa de Aplicación, trae las instrucciones Hart para ser aplicadas. El maestro envIa mensajes con requerimientos para valores especIficos, valores actuales y cualquier otro dato o parámetro utilizable del dispositivo. El dispositivo de campo interpreta estas instrucciones como las definió el protocolo HART. El mensaje de respuesta proporciona al maestro informaciOn de estado y datos del esciavo.

HART instruction Display terminal and field device addresses Start character

61

Para realizar La interacción entre los dispositivos Hart compatibles tan eficiente como sea posible, clases de conformidad (ver figura 3.3.3 c) deben ser establecidas por Los maestros y Las clases de comandos por los esciavos.

Para los esciavos se proporciona una comunicación Logica, comiin por los siguientes sets de comandos:

Comandos Universal: Entendibles por todos los dispositivos de campo

Comandos de Práctica Comün: Proporcionan funciones que pueden salir por muchos, aunque no por todos, los dispositivos de campo. Juntos, estos comandos comprenden una biblioteca con funciones para los dispositivos de campo más comunes.

Comandos para Dispositivo — EspecIfico: Proporciona funciones que pueden restringir a un dispositivo individual, permitiendo caracterIsticas especiales para ser incorporados por los propios usuarios.

Clases de InstrucciOn y de Conformidad

Clases de Conformidad para Terminales

Clases de Instrucción — — - kt•

de PdmH.utrMM vañble I 1k. Ij ThI 1 WI

Dispositivos de Campo

Rada,v,rut fIJ 1A

•

- - . - - -- Wnt, standard

• -n,n.1.JI 'I• Read

- . 4pI 3 - - - - - - - - -- -- - - - - - - - -

• -.

-------------------

Flujo de Dabs

A,

Figura 3.3.3 c Las Seis Clases de Conformidad.

Ejemplos de los tres sets de comandos usualmente pueden encontrarse en un dispositivo de campo, incLuyendo comandos de tipo universal, algunos comandos de uso comñn y todos Los comandos especIficos del dispositivo.

62

3.3.4 Resumen de caracterIsticas del protocolo Hart

• Comunicación simultánea analógica y digital. La seflal análoga contiene la información del proceso y La digital es usada para comunicación dual para el proceso y para información del dispositivo.

• Acepta otras unidades análogas. Con comunicación simultánea analoga y digital, también pueden usarse indicadores analogos, registros y controladores para comunicarse con dispositivos de campo inteligente.

• Un sistema administrativo del proceso y un terminal hand - held pueden comunicar simultáneamente, como se muestra en la figura 2.38.

• Conexión Multi - drop está permitida. Dispositivos inteligentes variados pueden ser conectados a un solo cable tipo par trenzado, reduciendo los costos del cableado.

• Puede usarse con lIneas telefónicas arrendadas, con conexiones multi - drop para abarcar grandes distancias usando tecnologIas de interfaz baratas.

• Proporciona una estructura de mensaje abierta. Esto permite que dispositivos HART con nuevos perfiles sean afladidos a la red, de este modo se mantiene la compatibilidad con las unidades existentes.

• El protocolo permite hasta 256 variables en cada dispositivo de campo, de las cuales cuatro son transmitidas por cada mensaje. De este modo, Los dispositivos con variadas funciones de medición (por ejemplo medidor de flujo másico) pueden transmitir en cada mensaje.

63

3.4 Protocolo As-Interfaz (Actuador Sensor-interfase)

3.4.1 Presentación

Es un protocolo abierto y hay varios proveedores que suministran todos los elementos para la instalación. Constituye un bus de muy bajo costo para reemplazar el tradicional árbol de cables en paralelo

Ha demostrado ser la nueva norma industrial para conectar una red en el nivel de campo, por ejemplo en el rango de los sensores principalmente binarios, actuadores y otros elementos simples. Los beneficios para el usuario son obvios: económico, fácil manejo, estructuras flexibles, etc. AS-Interfaz considera tres aspectos generales que son de gran importancia para aplicaciones en tiempo-real: conectividad, tiempo de ciclo y eficacia.

Conectividad

AS-Interfaz tiene dos formas distintas de ser conectado al nivel de control. El primero y rnás importante es una conexión directa (Fig. 3.4.1.a lado izquierdo). En este caso, el maestro del sistema es parte de un PLC o PC y cone con su propio tiempo de ciclo. Como AS-Interfaz es un sistema abierto, se puede utilizar un maestro de cualquier fabricante de PLC o PC para su sistema. Ya existen maestros disponibles para muchos sistemas, con algunos más en desarrollo.

La segunda manera es conectar AS-Interfaz por medio de un acoplador a un Fieldbus superior y usarlo como sistema subalterno (Fig.3.4.l.a, lado derecho). En este otro caso, todos los datos de la red AS-Interfaz son manejados en un nodo del Fieldbus y se conectan al nivel superior junto con otros componentes del Fieldbus superior. El programa de aplicación tiene que manejar todos los datos como de costumbre para el Fieldbus particular. Para las aplicaciones en tiempo-real, un análisis del tiempo del ciclo y la disponibilidad de la combinación de los dos sistemas tiene que ser hecho.

AS-Interfaz es definitivamente abierto a tales soluciones y ofrece acopladores a la mayorIa de los Fieldbus más conocidos como Profibus, Interbus, FIP, DeviceNet, CAN etc. Al trabajar con una estructura en árbol AS-Interfaz ofrece una solución de gestión de redes más flexible para cualquier aplicación de automatización.

I control level:

Lfield level:

CAN DeviceNel FIP InterbusProfibus em

rsensorand actuator level:

Fig. 3.4.1 a: Dos maneras de control: AS-Interfaz Directo (izquierdo) ó Via Fieldbus (derecho)

Tiempo del ciclo

AS-Interfaz es un sistema con un maestro j'inico con interrogaciOn cIclica. AsI cualquier esciavo es direccionado en un tiempo definido. Para una red completa con 31 esclavos el tiempo del ciclo es 5 mseg. Puede ser más rápido al tener conectado rnenôs esclavos. (Con solo algunos esclavos trabajando el tiempo del ciclo puede acortarse a menos de 500 jiseg.)

El tiempo del ciclo incluye todos los pasos desde la Interfaz al sistema central de control y todos incluyen üna repetición. La transferencia de datos con el sistema central se ileva a cabo mediante ci proceso de las imágenes de las I/O al final de cada ciclo, guardándolas por ejemplo en una memoria puesta en La misma Interfaz. Por consiguiente ningUn otro paso debe ser tornado en cuenta para una conexión directa al dispositivo de control.

No obstante, éste es un acoplamiento asincrónico y para aplicaciones en tiempo-real ci tiempo del ciclo de la red y ci controlador, pueden presentar una restricción, pero para muchos sistemas y aplicaciones éste es bastante corto.

Eficacia

Eficacia significa que un sistema entregará datos fiables y valores de diagnostico en forma continua y en un corto tiempo. Adernás de transferirlas con bajo ruido electromagnético, ya que este puede afectar la fiabilidad de los datos.

65

3.4.2 CaracterIsticas principales

Tabla 3.4.2: CaracterIsticas Generales del Protocolo AS-Interfaz.

Topologiá Estructura en Bus, Arbol o Estrella.

Medio, Cable Bifilar sin pantalla para Datos y EnergIa (24 VDC/8 A para el Bus)

Longitud del Cable 100 metros máximo sin repetidor. 300 metros mximo conrepetidor.

Nümero de Esciavos - 1 esclávos máxinio

Nilmero de Participantes Hasta 4 Sensoresy 4 Actuadores por Esciavo (Máximo 124, Bi-direccional máxirno 248 participantes binarios)

Direccioñès Cada esciavo tiene una dirección definida. Asignada por el Maestro a por el programa de herramientas.

Bits 4 Bits por esciavo y por mensaje.

Tiempo de CiCló con 31 esclavos 5 milisegundos.

Deteccióñ de Error Identificación y repetición dë niensajes incorrectos.

Interfaces 4 puertos de datos configurables (como entradas o salidas o bi-direccional) 4 saiidas de parámetros y2 salidas de control (strobe)

Procesamieñto de datos en el maestro Interrogación Ciclica (Polling Cyclic) de todos los participantes, recepción cIclica desde el control central o host.

Servicios del Maestro Iniciación de la red, identifieacion de los participantes; ajuste aciclico de.valores paramétricos a los esclavos diagnostico del bus y de los esciavos AS-I, error de mensaje al organizador, ajuste.de las direcciones en esciavos reemplazados.

3.5 Protocolo DeviceNet

3.5.1 Presentación.

DeviceNet es Ufl enlace de comunicaciones de bajo costo utilizado para conectar dispositivos industriales, proporciona conectividad directa que permite una mejor comunicación entre los dispositivos, asI también como importantes diagnósticos at nivel de dispositivo.

DeviceNet es una red abierta normalizada. La especificación y protocolo son abiertos, permite La intercambiabilidad de dispositivos simples mientras hace la interconectividad de dispositivos más complejos.

El enlace de comunicación DeviceNet está basado en el protocolo CAN (Controlador del Area de Red) que fue desarrollado originalmente por la BOSCH para el mercado automotor europeo. Como resultado, el protocolo CAN tiene una respuesta rápida y una alta fiabilidad para aplicaciones relativamente delicadas. Los chips están disponibles en una variedad de paquetes con resistencia para altas temperaturas y una alta inmunidad at ruido. Es consumo y las altas demandas comerciales para CAN son la estrategia para manejar ci bajo precio y aumentar ci rendimiento de los chips CAN.

67

3.5.2 CaracterIsticas principales

Tabla 3.5.2: CaracterIsticas generales del protocolo DeviceNet.

Tamaflo de la red Hasta 64 nodos

Distancia de los terminales de la red Longitud de la red variable con respecto a La velocidad

Velocidad en Baudios Distancia

125 Kbps 500 metros 250 Kbps 250 metros 500 Kbps 100 metros

Paquetes de Datos 0 a 8 Bytes

Lineal (Trunkline / Dropline); Topologla alimentación y sefial en el mismo cable de

la red

Punto a punto con Multi-Cast; Direccionamiento Multi Maestro y MaestrofEsclavo;

Polled o cambio de estado Extracción y Reemplazo de dispositivos de

Perfil del Sistema la red

Los dispositivos pueden ser alimentados directamente del bus y pueden comunicarse entre si usarido el mismo cable. Pueden quitarse ó aliadirse nodos a la red sin disminuir la potencia de esta.

68

La Especificación de DeviceNet define un sistema de comunicación de red para el movimiento de los datos entre los elementos de un sistema de control industrial. La especificación está dividida en dos volümenes y define los siguientes elementos:

Volumen 1

- Protocolo de Comunicación DeviceNet y Aplicación (capa de Aplicación, Capa 7). - CAN y su uso en DeviceNet (Capa de Enlace de Datos, Capa 2). - Capa FIsica DeviceNet y Medio de comunicación (Capa FIsica, Capa 1).

VoIumen2

- Perfiles del dispositivo para obtener interoperabilidad e intercambiabilidad entre diferentes productos.

DeviceNet incorpora CAN (Control de Area de La Red). CAN define la sintaxis o forma del movimiento de Los datos. La capa de aplicación DeviceNet define la semántica o el movimiento de los datos.

We

3.5.3 Comparación con el modelo OSI y funcionalidad de las capas.

• Capa de Aplicación DeviceNet (Capa 7)

Protocolo DeviceNet - ISO Aplicación (Capa 7) Protocolo CAN - ISO Enlace de Datos (Capa 2) Capa FIsica - ISO FIsica (Capa 1) Medio de Transmisión - ISO Medio (Capa 0)

CaracterIsticas del protocolo de Comunicación

- Transferencia de datos punto a punto en que cualquier producto DeviceNet puede producir y consumir mensajes.

- FuncionamientoMaestro / esciavo definido como un subconj unto apropiado punto a P unto.

- Los productos DeviceNet pueden comportarse como Cliente, Servidor o ambas.

Una red DeviceNet puede tener hastà 64 identificadores de Control de Acceso al Medio o MAC IDs (nodo direccionado). Cada nodo puede apoyar un rn'imero infinito de I/O. La cuenta tIpicà de I/O para actuadores de válvulas neumáticas es 16632.

La Capa de Enlace de Datos de DeviceNet está completamente definida por La especificación de CAN y por la apLicación del chip Controlador CAN. La especificación de CAN define dos buses Liamados dominante (0 Lógico) y recesivo (I logico). Cualquier transrnisor puede manejar el bus a un estado dominante. El bus solo puede estar en estado recesivo, cuando ninguin transmisor este en estado dominante.

Algunos tipos de tramas definidos por CAN:

Trama de Datos • Trama Remota • Trama Overload • Trama Error

70

Los datos se mueven en DeviceNet usando la trama de datos. Los datos con prioridad más alta tienen el derecho de La via. Esto proporciona capacidad inherente punto a punto. Si dos o más nodos intentan acceder a la red simultáneamente, un mecanismo arbitrario resuelve el conflicto potencial sin la pérdida de datos o de ancho de banda. Por comparación, Ethernet utiliza detectores de colisión que producen pérdidas de datos y de ancho de banda como consecuencia los nodos tienen que volver y reenviar sus datos.

CAN utiliza un ünico, bit sabio no destructivo y con mecanismo arbitrario. Esta caracteristica especIfica de CAN permite resolución de colisiones (determinación de un "ganador") sin la pérdida de la continuidad o el reenvIo de datos por el nodo de prioridad más alto.

Todos los receptores en una red CAN sincronizan a la transición de recepción para representación dominante por un inicio de trama. El identificador y el bit RTR (Respuesta de Transmisión Remota) juntos forman el Campo Arbitrario. El Campo Arbitrario es usado para facilitar el acceso al medio. Puesto que DeviceNet no usa el bit RTR para cualquier propósito este no ingresa al acceso del bus prioridad consideración. Cuando un dispositivo transmite, también supervisa (recibe) lo que envIa asegurándose él mismo. Esto permite la detecciOn de una transmisión simultánea. Si un nodo transmite un bit recesivo recibe un bit dominante mientras envIa el campo arbitrario, deja de transmitir. El ganador de una arbitrariedad entre dos nodos que transmiten simultáneamente es el finico con él numero más bajo de 11 bit de identificación. CAN también especifica un formato para la trama de datos con 29 bit del campo de identificaciOn que no son utilizados por DeviceNet.

El Campo de Control contiene dos bits fijos y un campo de 4 bit de longitud. La longitud puede ser cualquier nUmero de 0 a 8 representando el nümero de bytes en el Campo de Datos. El tamaño del byte 0 a 8 es ideal para Los dispositivos de niveL bajo con pequeflas cantidades de datos de I/O que frecuentemente deben intercambiarse. Y, en ocho bytes, hay bastante flexibilidad en los dispositivos simples para enviar datos de diagnostico, o para enviar una velocidad de referencia y velocidad de aceleración a un drive.

El campo CRC es una palabra de chequeo de redundancia cIclica que es usado por los controladores CAN para descubrir errores de la trama. Esto se computa por los bits que están delante del. Un bit dominante en el slot de ACK significa que un receptor por lo menos además del transmisor oyó la transmisiOn.

CAN utiliza varios tipos de detección de errores y fallas, estos métodos incluyen CRC y reintentos automáticos. Estos métodos, que son principaLmente transparentes a la aplicación impiden a un nodo defectuoso romper la red.

- Componentes Activos

> Método Token Pass

Anillo Lógico

71

3.6 PROFIBUS

3.6.1 Presentación

Profibus es un estándar abierto originado en normas alemanas y europeas DIN 19245 / EN 50170. Cumple también con el modelo OSI de 7 niveles y las normas ISA/IEC. Utilizado en aplicaciones de alta velocidad de transmisión de datos entre controladores de I/O y complejas comunicaciones entre PLC.

Presenta un acceso deterministico al canal de comunicación. Para el uso del canal de comunicación distingue componentes activos y pasivos. Los componentes activos utilizan el método Token Passing, a su yes Los componentes pasivos tienen acceso al medio de comunicación a través de relaciones de comunicación, Las cuales se explican màs adelante.

- Componentes Pasivos Dirección de movimiento del Token

> Método maestro/ esciavo

Estructura de la solicitud

A Trai1er Datos de salida Encabezado ] E

Encabeza Datos de Trailer

Estructura de la respuesta

110. E S C

Respuest L Inmediat

A V

72

Fig. 3.6.1: Rango de Aplicación de Profibus

Los dispositivos Profibus son ofrecidos por una amplia gama de fabricantes calificados. Esto le permite al usuario, seleccionar el mejor dispositivo para el trabajo que desee ej ecutar.

Profibus está constituida por una variedad de productos compatibles y existen tres variantes principales acuerdo a sus caracterIsticas de ap!icación:

• PROFIBUS PA: Para uso en nivel de Campo • PROFIBUS DP: Para uso en nivel de Control • PROFIBUS FMS: Para uso en nivel de Gestión

EN 50170 Volume 2and DIN 19245 Past I to

3D

Q

o -I

MOn1ôi maflgnj

tBQS LP

cc ___

mmurkii,

3.6.2 Comparación con el modelo OSI y funcionalidad de las capas

73

PROFIBUS está basado en una variedad de normativas intemacionales existentes. La arquitectura del protocolo está basada en el modelo de referencia del Sistema de Interconexión Abiertos "OSF' de acuerdo a la norma internacional ISO 7498. En este modelo cada capa de la transmisión, maneja tareas precisamente definidas. La capa 1 (Capa fIsica) define las caracterIsticas de transmisión fisica. La capa 2 (Capa de enlace de datos) define el protocolo de acceso al bus. La capa 7 (Capa de aplicación) define la aplicación de las funciones. La arquitectura del protocolo es mostrada en la figura 3.6.2

En Profibus DP, las capas utilizadas son I y 2 solamente. La capa de aplicación (7) es omitida de manera de lograr el desempeflo necesario. El Mapeador de Enlace Directo de Datos (DDLM "Direct Data Link Mapper") suministra un mapeo conveniente de las funciones de la capa 2 en la interfaz del usuario. Además, la interfaz del usuario especifica el comportamiento del sistema y de los variados tipos de dispositivos PROFIBUS DP.

74

3.6.3 Profibus DP

PROFIBUS DP está diseflado, para trabajar con altas velocidades de transferencia de datos en el nivel de sensores y actuadores. En este nivel, los controladores tales como Los PLC's y PC's intercambian datos a través de un enlace serial rápido con sus dispositivos periféricos. El intercambio de datos con estos periféricos es principalmente cIclico. El controlador central (maestro) lee la información de Las entradas de los esciavos y devuelve a Los mismos la información de salida. Es importante que La duración del ciclo del bus sea menor que la duración del ciclo del programa del controlador, el cual es de aproximadamente 10 mseg. Un sumario de las caracterIsticas técnicas de Profibus DP está en la tabla 3.6.3

75

Tabla 3.6.3: CaracterIsticas Técnicas de Profibus - DP.

TECNOLOGIA DE TRANSMISION • RS-485, par trenzado, cable par bifilar o fibra óptica. • 9600 bps. Hasta 12 Mbps BUS DE ACCESO • Procedimiento Token passing entre maestros y procedimiento maestro-esclavo para

eselavos. • Soporta sistemas mono-maestro o multi—maestro. • Dispositivos maestros y esciavos, máximo 126 estaciones en un solo bus. COMUNICACIONES • Punto a punto (Transmisión de datos) o Multicast (Sincronización). • Transferencia de datos de usuario maestro-esclavo cIclico o transferencia de datos

maestro-maestro acIclico. MODOS DE OPERACION • Operate: Transferencia cIclica de datos de entrada y salida. • Clear: Borrado de datos de entrada y salida. • Stop: Solo es posible en la transmisión de datos entre maestro-maestro SINCRONIZACION • Sincronización de las entradas y las salidas de todos los esciavos DP. • Sync-mode: Las salidas son sincronizadas. • Freeze-mode: Las entradas son sincronizadas. FUNCIONALIDAD • Transferencia cIclica de datos entre maestros DP y esciavos DP. •. Activación dinámica o desactivación individual de esciavos DP. • Chequeo de La conflguración de los esciavos DP. • Poderosos mecanismos de autodiagnostico. • Sincronización de entradas y salidas. • Asignación de direcciones a través del bus para los esclavos DP. • Configuración del maestro DP (DPM1) a través del bus.

246 bytes mxinios de entrada y salida de datos por esciavo DP. SEGURIDAD Y PROTECCION • Todos los mensajes son transmitidos con distancia Hamming RD 4. • Watchdog en los esciavos DP. • Protección de acceso en las entradas y salidas de los esciavos DP. • Supervision de la transferencia de datos con intervalo de tiempo configurable en el

maestro. TIPOS DE DISPOSITIVOS • Dispositivo maestro DP clase 2 (DPM2) por ejemplo dispositivos de configuración y

programaciOn. • Dispositivo maestro DP clase I (DPM1) por ejemplo controladores centrales tales

como PLC, PC, etc. • Esclávos DP por ejemplo dispositivos con entradas y salidas binarias o análogas tales

como válvulas, etc.

76

3.6.4 Profibus PA

Es la solución de Profibus para La automatización de procesos. El PA conecta los sistemas de automatización y los sistemas de control de proceso con los dispositivos de campo, como presión, temperatura y transmisores de nivel. PA puede usarse como un suplente para la tecnologIa analogica de los 4-20 mA. Profibus PA Logra economIas en los costos de más de un 40% en planeamiento, cableado, mantenimiento y ofrece un aumento significativo en La funcionalidad y La seguridad. La figura 3.6.4 muestra las diferencias entre el cableado de un sistema de 4-20 mA convencional y un sistema basado en el uso de Profibus PA.

Conventional method PROflBUS-PA

pQ*ø Cts1 Stuir Pt,a CcrvI sylftm.

iic•u6r' .ffi ....uIrigEitJ

I TwniaIbkck I

11111.1 T44mInI bock I

Mold hit8d0oisr .I F4 r r. r.qid r.ld r..ld

LL

k4d1r GPM 1 P

flcI

Li

Fig. 3.6.4: Comparación de tdcnicas de transmisión

El cableado y La multiplexión del campo permanecen casi igual. Sin embargo, si medimos los puntoS distribuidos extensamente, PROFIBUS PA requiere menos cableado. Cuando se utiliza el método de instalación eléctrica convencional, cada linea de seflal debe conectarse individualmente al móduLo I/O del sistema de control de proceso.

Una fuente de poder separada (una fuente de poder para las zonas potenciaLmente explosivas, incLuso puede ser necesario) se requiere para cada dispositivo. En contraste, cuando se utiliza Profibus PA, se usa 6nicamente una lInea bifilar, para transmitir toda la información y la alimentación a Los dispositivos de campo. Esto no solo ahorra costos de cableado, sino también disminuye el niimero de módulos de I/O requeridos en un sistema decontrol de proceso.

Ya no se requiere aislar y bloquear, porque el bus se proporciona con un módulo de seguridad intrInseca que proporciona alimentaciOn a travéS de un solo dispositivo o fuente. Profibus PA permite medir, controlar y regular mediante una imnea compuesta por dos hilos.

17

También permite alimentar en forma igualitaria Los dispositivos de campo ubicados en areas intrInsecamente seguras.

Profibus PA permite el mantenimiento y la conexión / desconexión de los dispositivos en pleno funcionamiento, sin que esto afecte a otras estaciones incluso en areas potencialmente explosivas.

Razones para. utilizar Profibus PA:

• La inica función principal para. La automatización de procesos es la intercambiabilidad de los dispositivos de campo de diferentes proveedores.

• Aumentar y disminuir el nümero de estaciones conectadas al bus, de igual manera en areas intrInsecamente seguras sin que afecte a otras estaciones.

• Comunicación transparente via segmentos acoplados, entre el bus de segmentos de automatización de procesos Profibus PA y el bus de segmentos de automatización le fábrica Profibus DP.

• Impulsar la transmisión remota de datos por sobre la de dos alambres iguales basada en tecnologIa IEC 1158-2.

• Usar en areas potencialmente explosivas protección de tipo "seguridad intrInseca" o "sin seguridad intrInseca".

La primera planta de producción usando tecnologia Profibus PA fue comisionada con éxito a fines de 1996.

78

3.7 Fieldbus Fundation.

3.7.1 Presentación

Fieldbus Foundation es un sistema de comunicación digital, serial y bidireccional que intérconecta diferentes dispositivos de campo como sensores, actuadores, y controladores. Fieldbus Foundation es una Red de Area Local (LAN) para instrumentos, con la capacidad de construir y distribuir aplicaciones de control a través de una red.

Es la habilidad de distribuir control entre dispositivos de campo inteligente de una planta y comunicar digitalmente esa información con alta velocidad que hace que Fieldbus Foundation sea una hábil tecnologIa.

L=J Plant-Wide

- Network

Process Automation System and

LANs

HI Fleldbus Networf<

Fig. 3.6.1: Arquitectura de Fieldbus

La tecnologIa de Fieldbus Foundation está basada en una arquitectura de campo ilamada PlantWeb. La arquitectura PlantWeb permite que Fieldbus Foundation entregue soluciones en el manejo de procesos abiertos en redes con dispositivos de campo inteligente, plataformas escalables y softwares.

El uso de campos inteligentes, no significa que el manejo del proceso se convierta en Un control de proceso más largo. Esto también maneja recursos: recogiendo y utilizando Ia nueva información proveniente de los nuevos recursos como transmisores inteligentes, válvulas, analizadores, y muchos más. Esto incluye configuración y calibración, supervision, realizaciOn de diagnósticos y mantención de archivos en cualquier parte de la planta mientras se realiza el proceso.

3.7.2 Comparación con ci modelo OSI y funcionalidad de las capas

La tecnologIa de Fieldbus Foundation está constituida por tres partes:

• Capa FIsica

• Puntero de Comunicación

• Aplicación de Usuario

OG iCOEL F1WflU &øtL

k PPUOAON i

OEM

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2

•1 P11YICAL!LVEB I PI-1VS%JL*JI'EF

* fl USe e0plW n I9A dUnedL7rth3 QSIMd1et.

Fig. 3.7.2.a: Comparación modelo OSI

79

LE j

PL

80

Capa FIsica (Capa OSI 1). • Capa Enlace de Datos (DLL, Capa OSI 2). • Mensaje de Especificación del Fieldbus (FMS, Capa OSI 7). • El puntero de comunicación está compuesto por las capas 2 y 7 del modelo OS!.

El protocolo Fieldbus no usa las capas OSI 3, 4, 5, y 6. El acceso a las Subcapas de Fieldbus (FAS) orientan el FMS dentro de la DLL.

La Aplicación de Usuario no está definida por el modelo OSI. Fieldbus Foundation ha especificado un Modelo de Aplicación de Usuario propio, para que los fabricantes lo utilicen en el desarroilo de dispositivos Fieldbus y en ci desarroilo de softwares de aplicación AMS para ci uso con dispositivos Fieldbus.

Cada capa en el sistema de comunicación es responsable de una porción del mensaje que se transmite por el Fieldbus.

Los nñmeros mostrados en la figura 3.7.2.b indican el nümero aproximado de ocho bits (octetos) usados por cada capa para transferir datos de Usuario.

I.LSFit , rp L rc AT I iJ N USER D.it-i

F IL-LI)LJ -'-.3AE 4-[-(IFICAT4('1FJ

S. •I*$

ru

DATA UrJK LAEfl

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Praocot Oonuol IrmUofl N!oocci Dnb€i Unit

' w bo wripm 1t- r mpsatiars 4wre ueE.d.

Fig. 3.7.2.b: El nümero de octetos usados por cada capa para transferir datos de usuario.

81

> Capa FIsica

La Capa FIsica está definida por los estándares de la Comisión Electrotecnia Internacional (IEC) y La Sociedad Internacional de Medidas y Control (ISA).

La Capa FIsica recibe mensajes del puntero de comunicación y convierte los mensajes en seflales fisicas en el medio de transmisión del Fieldbus y viceversa. Las tareas de conversion incluyen agregar y quitar preámbulos, limitadores de inicio y de término.

Las seflales Fieldbus son codificadas usando la técnica Manchester Biphase-L. La seflal es liamada "sincronismo serial" porque La información del clock está incluido en el flujo de datos seriales. Los datos son combinados con la seflal del clock para crear La seffal Fieldbus. El receptor de Las seflales Fieldbus interpreta una transición positiva en La mitad del tiempo de duración del bit por un 0 Logico y una transición negativa representada por un 1 logico.

1Bflrne I $

H H H W CLOCK

DATA I

7, 7, 0 _____________

T J

MANCHESTER

t1fILENOODING ru1Lf1

Fig. 3.7.2.c Las seflales Fieldbus son codificadas usando La técnica Manchester Biphase-L.

El preárnbulo es usado por el receptor para sincronizar su clock interno con la señal entrante del Fieldbus. El receptor utiliza el limitador de inicio para encontrar el cornienzo de un mensaje fieldbus. Después de que el limitador lo encuentra, el receptor acepta los datos hasta que se recibe el limitador de término.

82

> Puntero de Comunicación

A continuación se describe el funcionamiento de las tres capas que componen el puntero o stack de comunicación:

• Capa de Enlace de Datos. • Acceso a las sub-capas Fieldbus. • Mensaje de Especificación del Fieldbus.

IA3 MR188 Mrig8- UgfjUSE R E -,-.J

APPLICATIONr

COMMUNICATION "STACK"

PHYSICAL PHYSICAL LAYER

Capa de Enlace de Datos

La Capa de Enlace de Datos (DLL) controla la transmisión de los mensajes hacia el fieldbus. El DLL maneja el acceso al fieldbus, a través de un determinado bus centralizado Ilamado Enlace de Programación Activa (LAS). El DLL es un subconjunto de normas IEC/ISA de la DLL.

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Subcapa de Acceso at Fieldbus (FAS)

Los FAS utilizan los rasgos programados y no programados de la Capa de Enlace de Datos para mantener un servicio para el Mensaje de Especificación del Fieldbus (FMS). Los tipos de servicios de los FAS son descritos por Relaciones de Comunicación Virtual (VCR).

El VCR es como la caracterIstica de velocidad que tiene el dial en la memoria de su teléfono. Hay muchos dIgitos que marcar en una ilamada internacional--un codigo de acceso internacional, código rural, código de la ciudad, codigo de intercambio, y el nümero de teléfono especIfico. Esta información solo necesita ser ingresada en un "nümero de velocidad del dial" una vez y entonces es asignada. Después del ajuste, sOlo el nümero de velocidad del dial necesita ser ingresado al marcar.

En un modo similar, después de la configuración, sOlo el námero de VCR es necesario para poder comunicarse con otros dispositivos del fieldbus. AsI como hay diferentes tipos de ilamadas telefónicas, por ejemplo de persona a persona, llamadas de conferencia, hay diferentes tipos de VCR:

• Mensaje de Especificación del Fieldbus (FMS)

Estos servicios permiten que la aplicación de usuario pueda enviar mensajes a otros fieldbus que usen un set normalizado de formatos de mensaje.

FMS describe los servicios de comunicaciOn, formatos de mensaje, y la conducta protocolar necesaria para construir mensajes para La AplicaciOn de Usuario.

Los datos que se comunican sobre el fieldbus están descritos por una "descripciOn de objetos." Las descripciones de objetos son reunidas en una estructura ilamada "diccionario de objetos" (OD).

La descripción del objeto es identificada por su mndice en el OD. El Indice 0, ilamado encabezado del diccionario de objetos, proporciona una descripción del propio diccionario y define ci primer Indice, para las descripciones del objeto de AplicaciOn de Usuario. Los objetos de La AplicaciOn de Usuario pueden empezar con cualquier Indice sobre 255.

Los Indices inferiores a 255 definen los tipos de datos normalizados como booleanos, enteros, float, bitstring, y estructuras de datos que se usan para construir todas las otras descripciones del objeto.

84

CapItulo 4 Protocolos at nivel de Control y Gestión en una Red Industrial

4.1 Profibus FMS (Fieldbus Message Specification)

Profibus FMS está diseñado para la comunicación entre dispositivos de campo inteligentes, controladores y para el intercambio de información entre controladores. Por lo tanto, es más importante su funcionalidad, que su tiempo de reacción. Normalmente, la necesidad de intercambio de información es acIclica de parte de la aplicación del proceso.

La interfase FMS segün la norma EN 50 170, permite La interconexión de Pcs compatibles AT y autómatas y dispositivos de campo con capacidad FMS de distintos fabricantes. La utilización del protocolo FMS garantiza una comunicación segura y abierta.

La interfase SAPI- FMS ofrece los siguientes servicios:

> Establecer y desconectar conexiones lógicas (context Management)

> Lectura y escritura de variables (variable Access)

> Carga y lectura de areas de memorias (domain Management)

> Enlaces, comienzo y detención de programas (program invocation Management)

> TransmisiOn de mensajes eventuales con alta o baja prioridad (event Management)

> Solicitud de estado e identificación de dispositivo (support)

Servicio para administración del diccionario objeto (Management)

El anexo 5 describe las principales caracterIsticas de la funcionalidad de los servicios FMS.

El protocolo FMS está disponible bajo los siguientes sistemas operativos:

> MS-DOS, Windows 3.11 > Windows 95 > Windows NT 4.0

85

4.1.1 Funcionalidad de las capas

-

Interfase de la capa de

( aplicación. (ALl)

Perfil PNO

DIN 1245 Capa de aplicación ( 7 )

Parte 2 Especific. del mensaje Fieldbus (FMS) Interfase de capa inferior

DIN 1245 Capa de vInculos de datos ( 2 ) Parte 1 Vinculo de datos Fieldbus (FDL)

Capa fIsica (1)

Medio de transmisión Profibus

> Capa de Aplicación.

La capa (7), del modelo de referencia OSI provee los servicios de aplicaciOn al usuario. Estos servicios hacen posible La transferencia de datos entre las aplicaciones de los procesos en forma eficiente y abierta. La capa de aplicacion de PROFIBUS FMS está especificada en la norma DIN 19245 parte 2 y está constituida por las siguientes partes:

• La especificación del mensaje de campo (FMS, Field Message Specification). • La interfaz de capa inferior (LL, Lower Layer Interface)

FMS describe como objetos de comunicación, a los servicios de aplicación y los modelos resultantes desde el punto de vista del patron de comunicaciOn. LLI sirve para adaptar las funciones de aplicación a las variadas caracterIsticas de la capa 2.

> Interfaz de la Capa Inferior (LLI).

El mapeo de la capa (7) en los servicios de La capa (2) es efectuado por el LU. El cual conduce el control del flujo de los datos, monitorea la conexión y el mapeo de los servicios FMS en la capa (2) con consideraciones a los distintos tipos de dispositivos (maestro / esciavo)

El usuario se comunica con la aplicación del proceso, mediante canales lOgicos, los cuales son llamados "relaciones de comunicación". Para la ejecución de los servicios FMS, el LLI provee varios tipos de relaciones de comunicación. Ellas difieren entre si por la relación en las cualidades de conexión (mecanismos de monitoreo, posibilidades de transferencia de data y requerimiento en estaciones remotas). La selección se realiza de acuerdo a los requerimientos de las aplicaciones de los procesos. La figura 4.1.1, muestra un sumario de varias relaciones de comunicación.

L,T [.ISJ

Tipos de relaciones de comtmicación

• Conexión maestro / maestro

• Conexiones maestro / esciavo para transrnisión de datos cIclica o acIclicas

• Conexiones maestro / esciavo para transmisión de datos cIclica o aciclicas con iniciativa del esciavo

• Comunicaciones relacionadas sin conexión

• Atributos de La conexión (abierta, definida, iniciador)

87

La transferencia de datos cIclica significa que exactamente una variable es permanentemente escrita o leIda en una conexión. Esto es permitido por los servicios Leer (Read) y escribir (Write). El LLI ofrece un eficiente modo de transmisión cIclico el cual reduce el tiempo de transmisión en comparación con la transferencia de datos en forma aciclica.

La transferencia de datos en forma acIclica significa que una aplicación acceda esporádicamente a varios objetos de comunicación en una conexión.

La relación de comunicación orientada a la conexión representa una conexión logica punto a punto entre dos aplicaciones de proceso. Antes de que la conexión pueda ser utilizada para transmisión de datos esta tiene que ser establecida mediante un "Servicio de Inicialización". Despuds de que la conexión se establezca exitosamente, la conexión queda protegida contra acceso de terceros y puede ser utilizada para transmitir data mediante los demás servicios FMS. Si no se requiere mantener mas la comunicación para transmisión de data, esta puede ser liberada con el "Servicio de Aborto". LLI permite supervisar la conexión controlando el tiempo de establecimiento de la comunicación orientada a la conexión.

La relación de comunicación sin conexión permite la comunicación simultánea entre un dispositivo con varias estaciones. Solo pueden ser utilizados servicios sin confirmación. Mediante una relación de comunicación Broadcast es transmitido un servicio sin confirmación en forma simultánea a todas las demás estaciones. Mediante una relación de comunicación Multicast es transmitido un servicio sin confirmación en forma sirnultánea a un grupo de estaciones (dispositivos maestros o esciavos). La aplicación tIpica para este tipo de funciones es la sincronización de procesos o la transmisión de alarmas globales.

4.1.2 Atributos de la Conexión

Otra propiedad caracterIstica de la relación de comunicación orientada a comunicación son los atributos de conexión. PROFIBUS FMS distingue entre conexiones abiertas y definidas. Para conexiones definidas, los patrones de comunicación se fijan en el momento de la configuracion y no pueden ser cambiados en ninguna fase de la conexión. Esto previene los accesos no autorizados. En las conexiones abiertas, los patrones de comunicación son definidos dinámicamente durante la fase del establecimiento de la conexión. La conexión abierta ofrece ventajas especiales para los dispositivos PROFIBUS FMS más sencillos, en donde todas las relaciones de comunicación son fijadas por el fabricante. Si estas conexiones predefinidas son definidas como conexiones abiertas, el dispositivo se puede comunicar con todas las demás estaciones sin configuración adicional.

Se le permite al esciavo enviar servicios FMS sin confirmación al maestro al cual está asignado solo si es marcada una relación de comunicación maestro esclavo con el atributo de "Iniciativa de Esciavo (Slave Initiative)". El LLI permite esta funcionalidad sin proveer a la capa (2) del esciavo el derecho de acceso al bus. El puede iniciar el servicio sin confirmación con prioridades alta o baja. La aplicación tIpica son dispositivos sencillos que desean transmitir un mensaje de alarma no solicitado por el procesador maestro.

4.1.3 Posibilidades de implementación

En general, hay varias maneras de implementar el protocolo Prifibus fundamentalmente, el protocolo Profibus puede ser implementado en cualquier microprocesador que posea, intemamente o externamente, una interfaz serial asincrónica (UART). En general, no se requieren componentes especiales de hardware para implementar el protocolo Profibus con una velocidad de transmisión menor a 1.5 Mbits/seg. Los componentes necesarios de hardware / software están actualmente disponibles por varios fabricantes. Esto hace innecesario la costosa implementación individual de hardware / software del protocolo y ayuda a su expansion en el mercado a corto piazo. La decision sobre el uso de un cierto método de impiementación depende esencialmente de la complejidad del dispositivo de campo, el rendimiento y la funcionalidad requerida.

89

labia 4.1.3: Sumario de componentes de Hardware I software para Profibus.

PROVEEDOR CHIP TWO CARACTERISTICAS FMS DP PA PBS ESCLAVO Microprocesador con chip 1/0 independiente, -

lAM sobre 3 Mbit/seg. , implementacion con capa 2 X X completa

PBM MAESTRO Microprocesador con chip 110 independiente, -

lAM sobre 3 Mbit/seg.., implementación con capa 2 X X completa

68302 MAESTRO Microcontrolador de 16 bit con función central MOTOROLA /ESCLAVO PROFIBUS, sobre 500 Kbitlseg. , iinplementación X X

con capa 2 parcial. 68360 MAESTRO Microcontrolador de 32 bit con función central -

MOTOROLA IESCLAVO PROFIBUS, sobre 1.5 Mbit/seg. , implementación X X con capa 2 parcial.

SIM I MODEM Chip modem con conexión para tecnologia de SIEMENS transmisidn IEC con seguridad intrinseca X

SPC4 ESCLAVO Microprocesador con chip 110 independiente, SIEMENS sobre 12 Mbit/seg. , implementación DP y capa 2 X X X

SPC3 ESCLAVO Microprocesador con chip 110 independiente, -

SIEMENS sobre 12 Mbit/seg. , implementacion DP y capa 2 X•

SPM2 ESCLAVO Chip individual, implementación DP completa, 110 SIEMENS de 64 bits de dirección conectables a! chip X

ASPC2 MAESTRO Microprocesador con chip 110 independiente, SIEMENS sobre 12 Mbit/seg. , implementacion con capa 2 X X X

completa LSPM2 ESCLAVO Chip individual de bajo costo, implementacioiiDP

SIEMENS completa, 110 de 32 bits de dirección conectables X al chip

- -

lxi MAESTRO Chip individual, microprocesador con chip 110 DELTA T / independiente, sobre 1,5 Mbits/seg. , protocolo X X X

ESCLAVO cargable PA- MODEM Chip modem con conexidn para tecnologia de

SMAR ASIC transmisión PROFIBUS PA con seguridad X - intrinseca

Como se observa en la tabia anterior distintos fabricantes proveen una misma solución, para ilegar a este nivel los distintos proveedores han certificado sus productos segim la norma que corresponda, para nuestro caso esta norma es Profibus 5017. El anexo 6 describe el método de certiflcaciOn para este tipo de dispositivos.

EE

4.2 Protocolo Modbus.

El protocolo Modbus fue desarrollado para conectar PLCs fabricados por La empresa Modicon. Modicon es una empresa que nació a fines de 1960. El nombre de la empresa derivó del dispositivo que crearon al que ilamaron Modular Digital Controller (MODICON), que quiere decir Controlador Digital Modular.

Durante los años 80's se trato de estandarizar las comunicaciones de los PLCs usando un protocolo desarrollado por la industria automotriz, que se liamo ci MAP (Manufacturing Automation Protocol) Durante los años 90's se inicio un movimiento mundial para estandarizar los protocolos. Estos esfuerzos derivaron en la creación de un estándar aprobado por la Comisión Electrotécnica Internacional, Ilamado IEC 1131-3. Como el protocolo Modbus fue el primero, se convirtió en estándar de facto para las comunicaciones y hoy, es un protocolo venerable que sigue prestando un buen servicio en la industria en general.

Este protocolo define un mensaje con estructura que los controladores reconocen y utilizan, sin importar el tipo de red sobre la cuaL se están comunicando. Este describe el proceso que un controlador utiliza para tener acceso a otro dispositivo, como este responderá a las demandas de los otros dispositivos, y como detectará e informará los errores. Establece un formato comiin para la estructura y el contenido de los campos del mensaje.

Durante La comunicación en una red Modbus, el protocolo determina cómo cada controlador sabrá a que dirección de cada dispositivo dirigirse y como reconocer una dirección de un mensaje, determinar si este mensaje es bueno y extraer los datos que contenga o alguna otra información que contenga el mensaje. Si se requiere una respuesta, el controlador construirá el mensaje de respuesta y lo enviará usando el protocolo Modbus.

En otras redes, Los mensajes que contienen ci protocolo Modbus son ingresados en la estructura de la trama o en la estructura que utilice la red. Por ejempLo una red de controladores Modicon para Modbus Plus o MAP, con ayuda de los programas de apLicación y drivers, proporciona conversion entre el protocolo Modbus ingresado y la trama del protocolo especIfico, usado por La red, para comunicarse entre los dispositivos de Los nodos.

Esta conversion también extiende un direccionamiento para los nodos, routers y métodos de verificación de error especIficos para cada tipo de red. Por ejemplo, direccionamientos de dispositivos Modbus contenidos en ci protocolo Modbus serán convertidos en direccionamientos prioritarios dentro del nodo para la transmisión de mensaj es. Los campos de verificación de error aplicados en Los paquetes de mensajes, están contenidos en los protocolos de cada red. La figura 4.2, muestra cómo los dispositivos se pueden interconectar en una jerarquIa de redes que emplean diferentes técnicas de comunicación. En las transacciones de los mensajes, el protocolo Modbus, introducido en cada estructura de los paquetes de cada red, proporciona un lenguaje comün para que los dispositivos puedan intercambiar datos.

HOST

PROCESSOR

MAP

I

984-685 P2O ff0 MB PLUS)

MOOBUS PROGRAMMER .AJ40 ___________

S9O ff0 MAP)

MOOBUS PWS

IAT IMC-"4

I I

I AND AND BM85

f HOST 1MMI

I 9$IAB

IS985

_________________

MODBUS MOOBUS

UPTO FOUR I I MOOBUS DENACES PZ3O OR NETWORKS PROGRAMMER

Fig. 4.2: Descripción de la aplicación del protocolo Modbus

La transferencia de datos en una red Modbus es a travds de una interfaz compatible propia de los controladores Modicon, RS-232C que define los pines del conector, el cableado, los niveles de seflal, las velocidades de transmisiOn y la verificación de paridad.

Los controladores se comunican ütilizando la técnica maestro-esclavo, en la cual solamente un dispositivo (el maestro), puede iniciar las transferencias (interrogaciones). Los otros dispositivos (esciavos) responden proveyendo los datos de respuesta solicitados al maestro, o tomando la acción solicitada en la interrogación. Los maestros tIpicos incluyen procesadores y paneles de programación. Los esc!avos tIpicos incluyen controladores programables.

El maestro puede trabajar con un solo esclavo, o puede iniciar un mensaje broadcast que incluye a todos los esclavos. Los esciavos pueden devolver un mensaje (respuesta) a las preguntas que se le realizan individual mente. Las respuestas no pueden ser devueltas en forma broadcast a las interrogaciones del maestro.

91

92

El protocolo Modbus establece el formato para las preguntas del maestro, para colocar dentro de la direcciOn del dispositivo (o broadcast), un código de función que define la acción de la demanda o requerimiento, ci dato ha ser enviado y una verificación de error. El mensaje de respuesta de un esciavo también se construye usando el protocolo Modbus. Este contiene campos que confirman la acción tomada, por cualquier dato que Se devuelva, y un campo de verificación de error. Si un error ocurre al recibir un mensaje, o si un esciavo no puede realizar la acción requerida el esclavo construirá un mensaje de error y enviara este como su respuesta. El ciclo de pregunta y respuesta se describe en el anexo 3.

El una red Modbus estándar los controladores pueden comunicarse utilizando dos modos de transmisión: ASCII o RTU, la descripción de estos modos de transmisión se presenta en el anexo 7.

La selección de ASCII o modo RTU solo pertenece a las redes Modbus estándar. Esta define los bits contenidos en los campos de mensaje transmitidos en forma serial en esas redes.

En cualquiera de los dos modos de transmisión serial (ASCII o RTU), un mensaje Modbus es puesto por el dispositivo que transmite en una trama que tiene un punto de inicio y un punto de acabado. Esto permite a los dispositivos receptores comenzar por el inicio del mensaje, leer la dirección y determinar a qué dispositivo está dirigido (o a todos los dispositivos, si el mensaje es broadcast), y para saber cuando el mensaje está completo. Pueden detectarse mensajes parciales •y pueden setearse errores como resultado. En las redes MAP o Modbus Plus, el protocolo de la red maneja la trama de los mensajes con delimitadores de inicio y de término que son especificados para la red. Estos protocolos también manejan la entrega a los dispositivos de destino, haciendo que el campo de dirección de Modbus encriptado en el mensaje sea innecesario para la transmisiOn actual.

El modo de transmisión determina cómo se forman los paquetes de inforrnación en los campos de mensaje y como se decodifica, el contenido de los campos del mensaje, los métodos de detección de error y el manejo de la información. Una mayor descripción de estos elementos se presenta en el anexo 8.

93

4.2.1 Protocolo Modbus Plus

Modbus Plus es un sistema de red de area local disefiado para ser aplicado en sistemas de control industrial. Cada red soporta 64 nodos de direcciones de dispositivos, con una velocidad de transferencia de datos de IMbits/seg. Las aplicaciones incluyen transferencia de control del proceso y mensajes de supervision.

Modbus Plus provee comunicación Peer to Peer, de alto nivel para los dispositivos de la red. Los productos Modicon incluyen una gran variedad de controladores programables y adaptadores de red. La red también proporciona I/O para comunicación distribuida (DIO), en la que los controladores Modicon se comunican directamente con I/O de subsistemas.

Cada controlador Modicon soporta una conexión directa a la red a través del puerto Modbus Plus. Agregando MOdulos de Opcion de Red, se pueden configurar las I/O para poder comunicarse con dos o más redes a través de la aplicación del usuario. El bus de la red usa un cable bifilar. El cable bifilar ofrece un aumentó en la protección contra fallas propias del cableado o del ruido presente en cualquier lugar del cable, para realizar el proceso con mensajes libre de errores.

Más de 32 nodos de dispositivos se pueden conectar directamente al cable del bus de la red con una longitud sobre los 450 metros. Se usan repetidores para extender al máximo la distancia del cable, 1800 metros, y la cantidad de nodos aumenta a un máxirno de 64.

Redes de alto nivel pueden unirse a través del Puente Plus de los dispositivos. Los mensajes originados en un nodo de una red pueden ser encaminados a través de uno o más puentes a un nodo de destino de otra red. Esto facilita el diseño de aplicaciones con tiempo crItico en las que cada red emplea solo los dispositivos requeridos para cronometrar el proceso local. Si es necesario se pueden enviar mensajes a otras redes a través de estos puentes.

Modbus y los dispositivos seriales comunes pueden unirse con Modbus Plus a través de Multiplexores del Puente. El Multiplexor del Puente proporciona cuatro puertas seriales que son configurables independientemente una de otra para soportar a Modbus o a los dispositivos más comunes RS-232/RS-485. Los dispositivos seriales pueden comunicarse con una red Modbus Plus, asI como con puertos seriales de otros dispositivos.

La figura 4.2.1 muestra un diagrama en bloques de cuatro redes Modbus Plus.

Las Redes A y B son redes de alto nivel unidas por el Puente Plus del dispositivo. Las Redes C y D son redes DIO usando Módulos de Opción de Red (NOMs). Cada punto DIO está conectado a esta red a través de un Adaptador DIO Modbus Plus.

[NODE 10

PLC

—j

UPTO 64 NODES

TOTPL. NODE 4

BMOS BRIDGE

MULTIPLEXER

NODE 5

PLC

NETWORK A

I NODE 23

BPOS BRIDGE

PLUS

PROS REPEATER

NODE 2

HOST DEVICE NETWORK ADAPTER

PIOOBUS OR CUSTOM I HOST SERIPL. DE\10ES I CoMPJrER

NETWORK 6 UPTO Opp 64

NODES DIO DIO TOTAL MOMS ADAPTER

/ \

DISTR

J I 10

11

NETWORK D I UP TO 64

NETWORK C 010 NODES ___

ADAPTER TOTAL

D DISTR I 10 0

UPTO 64 NODES TOTAL

Fig. 4.2.1: Apreciación global de una Red Modbus Plus.

P P 0 0 LOCAL S L I I 10

C 0 0

wi

4.2.2 Atributos de la conexión

Los nodos de la red son identificados por las direcciones asignadas por el usuario. La direcciOn de cada nodo es independiente de su ubicación fisica. Las direcciones están dentro de un rango de 1 a 64 (en decimal), y no tienen que ser secuenciales. No se permiten direcciones duplicadas.

Los nodos de la red funcionan como miembros de un anillo logico y ganan el acceso a la red al recibir la trama de un "token". El token es un grupo de bits que se pasan en una sucesión de direcciones, rotando de un nodo a otro. Cada red mantiene su propia sucesión de rotación de token independientemente de otras redes. En Los casos en que redes multiples son unidas por puentes, el token no se traspasa a través del puente a las otras redes.

Cuando se tiene el token, el nodo cornienza la transferencia del mensaje con otros nodos. Cada mensaje contiene rutas del campo que definen su fuente y destino e incluyen su camino de ruta a través de puentes a un nodo en una red remota.

Al pasar el token, un nodo puede escribir en un banco de datos globales que es transmitido a todos los nodos de la red: Los datos globales se transmiten como un campo dentro de la trama del token. Otros nodos supervisan el paso del token y pueden extraer los datos globales si ellos se han programado para hacerlo. El uso del banco de datos global permite la actualización rápida de alarmas, set-points, y otros datos. Cada red mantiene su propio banco de datos global, ya que el token no es pasado a través de los puentes hacia otras redes.

La figura 4.2.2 muestra Las sucesiones del token en dos redes unidas por un Puente Plus

Fig. 4.2.2: Sucesión de la Rotación del Token.

96

> Cómo ci Esquema de Aplicación Afecta ci Acceso del Nodo

Cuando La red se inicializa, cada nodo se da cuenta de los otros nodos activos. Cada nodo construye una tabla que identifica a los otros nodos. La propiedad inicial del token se establece, y una sucesión de rotación del token comienza. La opción entre poner su aplicación como una red grande, a como varias redes más pequeflas, afecta el cronometrado de La rotación del token completo.

Par ejemplo, no se traspasa el token a través del Puente Plus de nodos, aunque pueden dirigirse mensajes a través del Puente Plus de nodos a los nodos de destino. Se puede construir una aplicación de Red como varias redes más pequefias, unidas por un Puente Plus de nodos. El tiempo de rotación del token es más rápido en cada red pequefla y permite la transferencia rápida de datos prioritarios, con datos de baja prioridad que atraviesan los puentes hacia otras redes. Esto facilita el intercambio de mensajes con tiempo crItico a nodos que están unidos herméticamente en una aplicación.

> Sucesión de Rotación del Token

La sucesión del token está determinada por Las direcciones de los nodos. La rotación del token empieza en el nodo activado, desde la menor dirección de La red y procede consecutivamente a través de cada uno hasta el nodo de mayor dirección. Una vez que el token a liegado al nodo de mayor direcciOn este pasa el token, al nodo con direcciOn más baja para comenzar una nueva rotación.

Si un nodo deja La red, una nueva sucesión de paso del token se establecerá desviando al nodo que dejo la red, con un tiempo tIpico dentro de Los 100 rnseg. Si un nuevo nodo se une, será incluido en La sucesión de direcciones, tIpicamente dentro de 5 seg. (El tiempo para el pear de los casos es de 15 seg.). El proceso de anular y agregar nodos es transparente a la aplicación del usuario.

Donde las redes multiples son unidas par puentes, no se pasa el token de una red a otra. Cada red realiza su token del proceso independientemente del paso a otras redes.

97

> Transferencia Punto a punto del Mensaje

Mientras un nodo sostiene el token, este envIa sus mensajes de aplicación, si es que tiene para transmitir. Cada mensaje puede contener más de 100 registros de control (Palabras del6 bits) de datos. Los otros nodos supervisan la red para la entrada de mensajes.

Cuando un nodo recibe un mensaje, este envIa un reconocimiento de inmediato al nodo que lo origino. Si el mensaje es un requerimiento de datos, el nodo receptor comenzara a reunir los datos pedidos en el mensaje de respuesta. Cuando el mensaje este listo, se transmitirá al nodo solicitante, cuando se reciba un token que concederá el acceso para la transmisión.

Los nodos también pueden transferir mensajes que contengan operaciones estadIsticas locales y remotas. Estos incluyen información como identificación de nodos activos, versiones para actualizar sofiwares, actividad de la red, e informaciOn de errores. Si un nodo trarismite una orden para leer estadIsticas de otro nodo, la transacción entera se completa mientras el nodo que origino la orden contiene el token. Las estadIsticas del nodo remoto son encajadas en su reconocimiento. No es necesario que el nodo remoto reciba el token para transmitir la estadIstica.

Después de que un nodo envIa todos sus mensajes, este pasa el token hacia ci próximo nodo. Los protocolos para el traspaso del token y de los mensajes son transparentes a la aplicación del usuario.

> Transferencia del Banco de datos

Cuando un nodo pasa el token, puede transmitir más de 32 palabras (16 bits pot cada una) de información global a todos los otros nodos de la red. La información está contenida en la trama del token. El proceso envIa datos globales cuando transmite, el token es controlado independientemente por el programa de aplicación de cada nodo.

La data global es accesible a los programas de aplicación en los otros nodos en la misma red. Cada nodo mantiene una tabla de datos globales enviada por cada uno de los otros nodos de la red. Aunque solo un nodo acepta el paso del token, todos los nodos supervisan la trarismisión del token y leen su contenido. Todos los nodos reciben y guardan los datos globales en la tabla.

La tabla tiene areas separadas para el almacenamiento de los datos globales de cada nodo. El programa de aplicación de cada nodo puede seleccionar ci uso de los datos globales de nodos especIficos, mientras otras aplicaciones pueden ignorar la data. La aplicación de cada nodo determina cuando y cómo usar los datos globales.

Las aplicaciones del banco de datos globales incluyen sincronización de tiempo, notificación rápida de condiciones de alarma, y multi-casting de valores de set-point y constantes a todos los dispositivos de un proceso comutn. Esto permite una transmisión uniforme y rápida de datos globales sin tener que reunir y transmitir mensajes en forma separada a dispositivos individuales.

El acceso al banco de datos global de una red solo está disponible a los nodos que componen esa red. La aplicación de usuario puede determinar que Items de datos son ütiles a los nodos en una red remota y puede remitirlos como sea necesario.

4.2.3 Verificación de error y reconocimiento

Cuando un nodo envIa un mensaje de datos, espera un reconocimiento inmediato del destinatario para comprobar si se llevó a cabo la recepción. Si ninguno se recibe, el nodo, hard otros dos reintentos de envIo del mensaje. Si el reintento final es infructuoso, el nodo pone un aviso de error que es tornado en cuenta por el programa de aplicación.

Si un nodo descubre una transmisión válida de otro nodo, que usa la misma dirección, el nodo se calla y pone un aviso de error que es tornado en cuenta por la aplicación. El nodo permanecerá callado con tal de que el nodo duplicado continue participando en la rotación del token. Si se han asignado dos dispositivos inadvertidamente con la misma dirección, el programa de aplicaciOn puede descubrir esta duplicación y manejarla mientras el resto de la aplicaciOn continua.

Cuando un nodo transmite el token, este supervisa la red para una nueva actividad de su sucesor. Si el nodo no descubre ninguna actividad válida, hace un reintento de pasar el token. Si ninguna actividad es detectada, después del reintento, el nodo permanece callado. Esto causa que la red sea inicializada y que una nueva sucesión del token sea creada.

4.2.4. Transferencia de datos

Puede transferirse data punto a punto cuando un nodo tiene el token y si Los nodos se están manejando con una transferencia de datos denominada terminal Par . Mas de 500 palabras (16 bits por cada una) pueden enviarse a las referencias de datos especificadas con mayor prioridad para soltar el token, y más de 32 palabras pueden ser transmitidas a todos los nodos como parte de la trama del token

Todos los nodos supervisan la red, cada nodo puede extraer los datos que se dirigen especIficamente a él. Todos los nodos detectan el paso del token y pueden extraer los datos del mensaje global de La trama del token.

Definidas las referencias de los datos (como control discreto o registros) esta es usada como fuente y destino. Por ejemplo, un bloque de registros puede ser la fuente de datos que está transmitiendo el nodo y el mismo bloque u otro bloque distinto puede ser el destino de los datos en el nodo receptor.

La entrega de los datos a través del terminal par a los nodos de destino es independiente de la próxima dirección usada en el paso del token. El token siempre se pasa al próximo nodo dependiendo de La sucesión de la dirección de la red. La trama del token, sin embargo, puede .contener un mensaje general que no esta relacionado con la próxima dirección y que es transmitido hacia todos los nodos.

Cada nodo es configurado a través de su software para manejar La transferencia de data terminal Par. Deben configurarse todos los nodos especIficos que enviarán y recibirán La data con terminal Par. Los nodos que no se configuren para terminal par ignorarán la transferencia de La data.

EnvIo de Datos

Pueden configurarse nodos para enviar dos tipos de data con terminal Par:

• Salida Global: Más de 32 palabras de datos pueden ser globalmente transmitidas desde cada nodo a todos los nodos. Se especifican las fuentes de datos en la configuracion del nodo.

• Salida ispecifica: Mas de 32 palabras de datos pueden transmitirse a cualquier nodo especificado. Pueden especificarse destinos de mUltiples nodos, con un máximo de 500 palabras de datos. Puede especificarse la dirección de cualquier nodo de la red como destino. Un Unico bloque de referencias puede especificarse como fuente de datos para cada nodo indicado.

100

> Recepción de Datos

Pueden configurarse nodos para recibir dos tipos de datos con terminal Par:

• Entrada Global: Mas de 32 palabras de datos globales pueden ser recibidos por cada nodo desde cualquier nodo de la red. Se especifican los destinos en la configuración del nodo receptor. Mas de ocho bloques de referencia pueden especificarse y pueden tenerse mas de ocho destinos separados para recibir los datos de cada nodo de la fuente. Los datos entrantes pueden ser indicados para establecer el punto de partida y la longitud de cada bloque de datos de donde se extraen el mensaje y pueden entregarse a cada destino.

• Entrada EspecIfica: Mas de 32 palabras de datos pueden recibirse desde cualquier nodo especIfico. Cada nodo en la red puede definirse especIficamente como una fuente de datos, con un máximo de 500 palabras de datos.

El efecto de usar terminación Par para la transferencia de datos es que cada nodo que envIa, puede especificar una mica referencia como fuente de datos y cada nodo receptor puede especificar las mismas o diferentes referencias como destino para los datos. Al recibir datos globales, cada nodo puede poner en un indice las situaciones ëspecIficas de los datos entrantes y obtener las longitudes especIficas de los datos de esos puntos. El dato es transferido rápidamente como parte de cada paso del token, y puede trazarse directamente entre las referencias de datos de los nodos de envIo y de los nodos receptores.

Pueden disefiarse aplicaciones en que se transmiten alarmas y setpoints (globales), con acciones requeridas por nodos especificos también definidos (especIficamente) ya que todos los nodos detectan ci paso del token. Los datos de terminal Par pueden conocerse rápidamente en todos los nodos y los datos especIficos de cada nodo también requieren conocer rápidamente justo ese nodo.

101

4.2.5 Formato del mensaje

> Formato del Mensaje - Nivel HDLC

Los mensajes que aparecen en La red contienen tres niveles de protocolo para manejar los procesos de sincronizaciOn, rotación, transferencia de datos y verificación de los errores. El formato del mensaje satisface a La red HDLC, MAC, y Los protocolos de nivel LLC.

La figura 4.2.5 muestra ci Control de Enlace de Datos de alto nivel (HDLC) el nivel del formato de un mensaje tIpico transmitido par un controlador de red. El formato de otros niveles se muestra en Las paginas siguientes.

HOW LEVEL

PREAMBLE I OPENING I BOCST FCS CLOSING FLAG ADDRESS MC I 11.0 FIELD CRC-16 FLAG

PA 7E FF 7E

LENGTII:1 1 1 2 1

Fig. 4.2.5: Formato del Mensaje TIpico.

> Campo HDLC

En el nivel HDLC, el protocolo de la red define el comienzo y el final de la tTama del mensaje y afiade una secuencia para verificaciOn de error. El mensaje contiene los siguientes niveles de campo HDLC:

• Preámbulo • Indicador de Abertura • Dirección de Transmisión Estos contienen especificaciones de todos los

nodos que reciben la trama. Cada nodo pasa ci contenido de la trama del nivel MAC para reconocer su dirección coma destino intencional.

• Datos MAC I LLC: Este campo especifica el control del nivel MAC para las funciones de token, y contiene a ambos niveles MAC y LLC Los paquetes de datos del mensaje y los funcionamientos reLacionados. Si ci mensaje relaciona a La función del paso del token de la red, el campo contendrá solo la informaciOn del nivel MAC necesaria para identificar a un sucesor. Si el mensaje contiene datos, el campo contendrá informaciOn de ambos niveles MAC y LLC.

• Verificación de la Trama: Dos bytes contienen el verificador de error de .la trarna CRC- I 6.

102

Indicador de Cerrado

> Formato del Mensaje - Nivel MAC

En el nivel de Control de Acceso a! Medio (MAC), el protocolo de red define ci destino del mensaje, los nodos de fuente y los controladores de paso del token.

La figura 4.2.5 b ilustra el formato del nivel MAC de un mensaje que contiene uña orden Modbus. La orden Modbus es encriptada en la trama del campo LLC.

HDLC LEVEL

PREAMBLE I OPENING BDCST FCS CLOSING G ADDRESS MAC 1LLC FIELD CRC-16 FLAG

PA IE Fr

LENGTH: 1 1 1 Z 1

MAC LEVEL

DEST SOURCE MAC BYTE

-T ADDRESS I ADDRESS FUNCTION COUNT LLC FIELD ONCWDES MODBUS COMMAND)

LENGTH:1 1 1

Fig. 4.2.5.b : Formato del Mensaje Nivel MAC.

> Campo MAC

El mensaje contiene los siguientes niveles de campo MAC: • Dirección de destino: La dirección del nodo que recibe el mensaje, en un rango de

1 a 64. Se contiene información adicional que identifica la transferencia del mensaje en la aplicación del nodo contenida en el paquete del nivel LLC.

• Dirección de la fuente: La dirección del nodo que origina ci mensaje, en un rango de 1 a 64.

• Código de Función MAC: Este campo define la acción a ser realizada en ci nivel MAC por el destinatario.

• Cuenta del byte: Este campo define la cantidad de bytes de los datos que siguen en ci mensaje.

• Datos LLC: Este campo contiene ci paquete de nivel LLC que incluye la orden Modbus.

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> Formato del Mensaje - Nivel LLC

En el five! del Control de Enlace Lógico (LLC), el mensaje contiene los datos de campo a ser transferidos, como también la orden Modbus. Tambiën contiene asignaciOn de ruta adicional y mensaje para control de campo.

La figura 4.2.5.c ilustra el formato de un mensaje del nivel LLC que contiene una orden Modbus.

HOLC LEVEL

PREAMBLE OPENING BOCST FCS CLOSING FLAG ADDRESS MAC 1 IIC FIELD

I I CRC-16 FLAG

MAC LE'V'E'Ls

DEBT SOURCE MAC BYTE ADDRESS ADDRESS FUNCTION COUNT LLC FIELD

LENGTH: I

tIC LEVEL:

MASTER ROISTER TRANS OUTPUT COUNTER SEQUENCE ROUTING PATH MODSUS FRAME OODIFIED) PATH NUMBER

LENGTH: 1 1 1 5

Fig. 4.2.5.c : Formato del Mensaje de Nivel LLC.

> Campo LLC

El mensaje contiene los siguientes niveles de campo LLC:

Salida del Maestro: Un byte identifica la via de salida del nodo que originó la transmisión del mensaje. Aunque cada controlador tiene un puerto fisico para acceso a la red, mantiene vIas lógicas mñltiples intemamente para enviar y recibir mensajes. Esto permite transferencias mñltiples para permanecer en situaciOn de espera dentro del controlador mientras se completan las comunicaciones con otros controladores. El controlador reservará la via especificada hasta que la transferencia por esa via esté completa.

Contador de Ruta: Este campo cuenta el nümero de Puentes Plus cruzados, controla el destino del mensaje.

104

Sucesión de la Transferencia: Un byte identifica la transferencia entre la fuente y el destino. Los mensajes multiples asociados con una sola transferencia contienen un valor que permanece constante mientras la transferencia es activada.

Si una fuente comienza un mensaje que pide datos de un destino, el mensaje de datos vuelto incLuirá el mismo valor de sucesión de transferencia. Si La fuente comienza un mensaje que pide datos de un destino, y entonces aborta La transferencia antes de recibir los datos, la fuente puede comenzar un nuevo mensaje con el mismo destino sin esperar los datos vueltos de la transacciOn abortada. Los dos mensajes tendrán valores de sucesión de transferencia diferentes. Cuando vuelve el dato y se recibe del destino, el valor de sucesión de transferencia en el mensaje recibido identificará si los datos son de La transferencia abortada o de Los recientemente comenzados.

Via de Ruta: Este campo es implementado como sigue:

Para Los mensajes a Los nodos del controLador programable en Modbus Plus: Cada byte no-cero excepto el ultimo especifica la ruta a través de un Puente Plus a otra red. EL ültimo byte no-cero especifica la dirección del nodo del controlador de destino (1 a 64).

Para los mensajes a un nodo Adaptador de red SA85: cada byte no-cero excepto los dos ültimos especifican la ruta a través de un Puente Plus a otra red. Los ültimos dos bytes no ceros especifican la dirección del nodo adaptador de destino (1 a 64) y La tarea de aplicación (1 a 8), respectivamente.

Para los mensajes a un solo esclavo Modbus conectado a un puerto de Puente Multiplexor: Cada byte no-cero excepto Los dos ültimos especifican La ruta a través de un Puente Plus a otra red. Los uLtimos dos bytes no ceros especifican la dirección del nodo del Puente Multiplexor (1 a 64) y el puerto Modbus (1 a 4), respectivamente.

Para los mensajes a un esclavo de la red Modbus conectado a un puerto de Puente Multiplexor: Cada byte no-cero excepto Los ültimos tres especifican La ruta a través de un Puente Plus a otra red. Los ñltimos tres bytes no ceros especifican la dirección del nodo del Puente Multiplexor (1 a 64), y el puerto Modbus (1 a 4) y la dirección del esclavo (1 a 247), respectivamente.

4.3 Protocolo Ethernet

El protocolo de red Ethernet fue diseflado originaimente por Digital, Intel y Xerox por to cual, la especificación original se conoce como Ethernet DIX. Posteriormente, IEEE ha definido ci estándar Ethernet 802.3. La forma de codificación difiere ligeramente en ambas definiciones. Es el método de conexión más extendido a escala mundial, ofrece unas propiedades muy importantes que brindan unas ventajas considerables en su aplicación:

> Rápida puesta en marcha gracias a sisternas de conexiones muy simples. Gran flexibilidad ya que es posibie ampliar las instalaciones sin que esto tenga efecto sobre los elementos ya montados.

> Alta disponibilidad gracias a topologlas de red redundantes. > Prestaciones de comunicación prácticamente ilimitadas ya que ci rendimiento es

escalable si se aplica tecnologIa switching. > Posibilidad de interconectar por red diferentes areas como oficina y fabricación. > Comunicación corporativa gracias a la posibiiidad de conexión via WAN (Wide

Area Network) como RDSI 0 Internet. > Seguridad para las inversiones gracias a desarrollos y perfeccionamiento siempre

compatibles.

En ci caso de Ethernet/IEEE 802.3, ci protocolo de comunicación es ci TCP/IP. Transmisión Control Protocol / Internet Protocol (TCP/IP) es una suite de protocolos estándar de La industria proporcionando comunicaciones en un entorno heterogéneo. TCP/IP es un protocolo rutabLe, para interconectar redes entre empresas y acceder a Internet y sus recursos.

Ha ilegado a ser ci protocolo estandar usado para interoperabilidad entre distintos tipos de ordenadores o dispositivos. Esta interoperabilidad es una de las principales ventaj as de TCP/IP. La mayorIa de las redes soportan TCP/IP como protocolo. También soporta enrutamiento y es usado comünmente como protocolo de Internet working.

Otros protocolos escritos especIficamente para la suite TCP/IP son: • SMTP (simple mail transfer protocol) e-mail. • FTP (file transfer protocol) para intercambiar ficheros entre ordenadores ejecutando

TCP/IP. • SNMP (simple networks management protocol). Administración de redes.

El acceso at medio se controla a través de CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, Detección de Portadora con Acceso Máltiple y Detección de Colisiones)

105

106

Existen diversos medios para implementar una red de Ethernet:

> Redes triaxiales

La red eléctrica o de cobre con estructura bus o lineal utiliza un cable triaxial como soporte de transmisión.

La red eléctrica está formada por distintos segmentos de bus con una longitud maxima de 500 metros cada uno. A un segmento de bus se conectan hasta 100 acopladores de bUs (transceptores). Si la longitud del segmento es insuficiente, pueden afiadirse otros segmentos mediante repetidores.

> Redes ITP (par trenzado industrial)

Una nueva tecnologIa de conectores impulsada por distintos fabricantes permite una gran versatibilidad en las instalaciones. Los Electrical Link Modules (OLM) e Industrial Twisted Pair (ITP) ofrecen un complemento y una alternativa al cableado del bus convencional para el cableado de equipos terminales. Ello permite instalar redes con topologIas de estrella seguin lEE 802.3 de precio favorable.

> Red óptica.

La red óptica industrial Ethernet se configura con topologla lineal anular o radial (en estrella). Como soporte de transmisión se utilizan cables de fibra que permiten configuraciones de red de hasta 4,5 Km. La topologia redundante de un anillo óptico aumenta la seguridad ante fallos de una red,

ya que en caso de rotura de un cable de fibra óptica puede mantenerse la comunicación

> Red mixta Optica / eléctrica

Estas redes trabajan a 10/100 Mbit/s, la ventaja de esta combinación permite aprovechar las ventajas y posibilidades de configuracion que ofrecen ambos tipos de redes. La segmentación permite además aumentar sensiblemente el rendimiento.

107

4.3.1 Fast Ethernet

Fast Ethernet es el resultado Iógico de La fiable y probada tecnologIa Ethernet, el estándar de Fast Ethernet es el lEE 802.3u (100 base T) se basa fundamentalmente en el estándar Ethernet clásico para cable de par trenzado, pero utilizando una velocidad de transferencia 10 veces mayor, o sea, 100 Mbps.

Las ventajas que ofrece al usuario son Las siguientes:

> Los conocimientos tecnologicos actuales siguen siendo validos. El usuario no tiene que esforzarse en aprender una tecnologIa completamente nueva.

> La tecnologIa Fast puede utilizarse inmediatamente de manera efectiva. > Industrial Ethernet ofrece La opción de evolucionar paso a paso desde La tecnologIa

de lo Mbps alade 100 Mbps. > Las redes actuales pueden ser ampliadas e integradas paso a paso.

Al igual que Ethernet comparte las mismas caracteristicas en relación con el formato de datos, el método de acceso CSMAICD, el tipo de cable (par trenzado de categorIa 5 y cable de fibra Optica de vidrio) y las redes de 100 Mbps se configuran preferentemente con Switches.

Como a diferencia con la red Ethernet no existen especificaciones en Fast Ethernet para cables coaxiales y triaxiales, La extension de La red es distinta al igual que Las reglas de configuración.

Para asegurar el funcionamiento correcto de acceso con detección de colisiones en Ethernet, La extensiOn de una red Ethernet esta limitada por el tiempo máxirno de transmisión permitido para un paquete de datos.

El lLamado dominio de colisiones tiene una extension de 4520 metros para la red Ethernet clásica de 10 Mbps, mientras que esta se reduce a 412 metros para la red Fast Ethernet. Para configurar un dominio de colisión se utiLizan componentes con tecnologIas de repetidores por lo que deben tenerse en cuenta las respectivas normas de configuraciOn.

A pesar de la menor extension del dominio de detección de colisiones de Fast Ethernet pueden construirse redes de mayor extension utilizando switches con función Full Duplex.

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La auto negociación es el protocolo de configuración en Fast Ethernet. Este protocolo permite a los nodos participantes en la comunicación negociar y aceptar La velocidad de transferencia que se va a utilizar, antes de que se transmita el primer paquete de datos:

> lOMbpsol00Mbps > Full duplex o Hall duplex

Para asegurar una velocidad de transferencia de datos cualquiera, es posible desactivar la función de auto negociación.

El auto-reconocimiento representa la caracterIstica especial de los nodos de red (equipos terminales de datos y componentes de red), la cual consiste en reconocer automáticamente la velocidad de transferencia de la señal transmitida (10 Mbps o 100 Mbps) y en gestionar la auto negociación. La gran ventaja del auto-reconocimiento es que permite la interoperabilidad sin problemas de todos los componentes por Ethernet.

Los componentes de la red Ethernet clásica que no tienen la función de auto-reconocimiento, funcionan sin ningün tipo de problemas con los nuevos componentes de Fast Ethernet que si funcionan con auto-reconocimiento.

109

4.3.2 Ethernet Switching.

El switch, una evolución del puente o Bridge, presenta la funcionalidad siguiente:

> Los switches permiten conectar temporalmente varias parejas de subredes de

manera simultanea, dependiendo del numero de interfase disponibles.

) El trafico de datos local permanece local, al ser filtrado a través de la dirección

MAC de Ethernet de las estaciones de red individuales. Los switches solo

transfieren datos a las estaciones de otra subred. > Aumenta el numero de componentes conectados a la red respecto a red Ethernet

clásica. > La propagación defectuosa de datos se restringe a la subred afectada.

La tecnologIa conmutada o switching es ligeramente más compleja que la

tecnologIa de repetidores, pero presenta una serie de ventajas definitivas:

> Permite crear subredes y segmentos de red. > Aumenta la capacidad de datos y en consecuencia el rendimiento de la red, gracias a

La estructuración del trafico de datos. > Las reglas de configuraciOn de la red son muy sencillas. > Admite sin problemas topologias de red con 50 equipos y extensiones de hasta 150

km, sin tomar en consideraciOn los tiempos de propagación. > Permite un rango ilimitado de extension de red conectando dominios de colisiónl

subredes individuales. A partir de una extension de 150 km es preciso considerar el

tiempo de propagación. La ampliaciOn de La red se realiza de manera muy simple.

EL modo de operación Full Duplex (FDX) es un regimen de funcionamiento de la red

que permite, frente al modo Hall Duplex, La transmisión y la recepción simuLtanea de datos

en cada estación. Cuando se utiLiza el modo FDX se desactiva automáticamente la detección de colisiones

en Las estaciones implicadas. El modo FDX requiere soporte de transmisiOn de datos que tengan canales

independientes de transmisión y de recepción, como por ejemplo fibra óptica y par

trenzado, y que tengan capacidad para almacenar paquetes de datos. Como en una conexiôn FDX no existen colisiones, los componentes que soportan FDX

pueden transmitir y recibir simultáneamente a La velocidad nominal de transferencia. De esta manera se duplica La capacidad de transmisión de datos al doble de La velocidad

nominal de transmisión, es decir 20 Mbps en la red Ethernet clásica y 200 Mbps para La red

Fast Ethernet. Otra ventaja del modo FDX es el aumento de la extension de la red. Al suprimir el

principio de colisiones, el modo FDX permite sobrepasar la distancia entre dos

componentes de red en el dominio de colisiones. Las distancias pueden ampLiarse hasta los limites permitidos para los componentes

emisores y receptores de La red. Esto se aplica sobre todo a las conexiones a través de fibra

óptica.

110

El estándar 100BASEFX define que la distancia maxima para cable de fibra óptica de vidrio de 62,5/125 jim es de 2000 metros.

La selección de elementos emisores y receptores extraordinariamente potentes permite con los OSM (Optical Switch Module) salvar distancias de hasta 3000 metros cuando se utiliza fibra óptica de vidrio de.62,5/125 jim; si se usa fibra óptica de vidrio 10/125 jim la distancia aumenta hasta 26 Km.

La figura siguiente muestra la diferencia que existe entre el tamafio del caudal de datos efectivo transmisibles entre las diversas implementaciones de Ethernet que hemos mencionado hasta ahora.

100 Mbps 200 Mbps switched I

Full 100 Mbps 100 Mbps

100 Mbps shared r 40 Mbps

10 Mbps switched 20 Mbps Full Duplex - I

10 Mbps switched 10 Mbps *) Caudal de datos efectivo debido a colisiones

10 Mbps [11 4Mbps *)

III

4.3.3 100 VG - ANY LAN

100 VG-AnyLAN the desarrollado por Hewlett-Packard (HP) como una alternativa de CSMAJCD para nuevas aplicaciones de tiempo sensible, como multimedia. El método de acceso está basado en la demanda de la estación y se disefló como un camino de version actualizada de Ethernet y un Token Ring de 16 Mbps. 100 VG-AnyLAN apoya los siguientes tipos de cable:

. Par Trenzado de 4 pares Categorfa 3 sin pantalla (UTP)

2 par CategorIa 4 o 5 UTP

Par Trenzado apantallado (STP)

Fibra óptica

La norma IEEE 802.12 100VG-AnyLAN especifica los lImites de distancia de los enlaces, ilmite de hubs configurados, y lImites de distancia maxima de la red. Las distancias de enlace entre el nodo y el hub es de 100 metros (CategorIa 3 UTP) o 150 metros (CategorIa 5 UTP). La figura 4.3.3.a ilustra los lImites de distancia de los enlaces 100 VG-AnyLAN.

CiEegor1a 5 UTP 150 metros

100 metros Categorla 3 UTP

Fig.4.3.3.a: Limites de enlaces

112

Los lImites de las distancias de los enlaces 100 VG-AnyLAN difieren para la los enlaces de categorIa 3 y 5 UTP.

Se instalan hubs 100 VG-Any LAN en una moda jerárquica. Cada hub tiene por lo menos un puerto de enlace superior, y otro puerto que puede ser un puerto de enlace inferior. Los hubs pueden ser conectados de a tres en forma de cascada si el enlace superior a otros hub, y en forma de cascada los hubs pueden ser apartados hasta 100 metros (CategorIa 3 UTP) o 150 metros (CategorIa 5 UTP). La figura 4.3.3.b muestra la configuracion de los hubs 100 VG-AnyLAN.

Las distancias lImites de la red de extremo a extremo es de 600 metros (CategorIa 3 UTP) o 900 metros (CategorIa 5 UTP). Si se localizan hubs en ci mismo rack de la instalación eléctrica, ci acortamiento de las distancias de extremo a extremo es de 200 metros (CategorIa 3 UTP) y 300 metros (CategorIa 5 UTP).

113

La figura 4.3.3.c muestra Las distancias lImites máximas de una red 100 VO-AnyLA.N. Las distancias lImites de la red de extremo a extremo es de 600 metros (CategorIa 3 UTP) o 900 metros (CategorIa 5 UTP). Si se localizan hubs en el mismo rack de la instalación eléctrica, el acortamiento de las distancias de extremo a extremo es de 200 metros (CategorIa 3 UTP) y 300 metros (CategorIa 5 UTP).

La figura 4.3.3.c muestra las distancias limites máximas de una red 100 VG-AnyLAN.

Fig. 4.3.3.b: Los hubs 100 VG-AnyLAN son colocadosjerárquicamente.

1 50 mtro 100 metrc ctqw-r 5 UIP Ctjcrf 3 LJTP

900 mtic 600 metros S cm*!:gc)rfzm 3

Fig. 4.3.3.c: Las limitaciones de distancia de extrerno a extremo difieren de las impLementaciones de 100 VG-AnyLAN.

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Funcionamiento 100 VG-AnyLAN

100 VG-AnyLAN utiliza un método de acceso de prioridad de demanda que elimina las colisiones y puede cargarse más pesadamente que 1 00BaseT. El método de acceso con prioridad de demanda es más deterministico que CSMAICD porque el hub controla el acceso a La red.

Las normas 100VG-AnyLAN Liamadas para un nivel de un hub, o repetidor, que actüa como la raIz. Este repetidor de raIz controla el funcionamiento del dominio de prioridad. Los hubs pueden ser conectados de a tres en forma de cascada en una topologia de estrella. Los hubs interconectados actüan como un solo repetidor grande, con ci repetidor de raIz que interroga cada puerto por orden de puerto.

En general, bajo el funcionamiento de prioridad de demanda de 100 VG-AnyLAN, cuando un nodo que quiera transmitir senaies, que requiera el hub (o interruptor), si la red está ociosa, el hub reconocerá La demanda inmediatamente y ci nodo comenzará a transmitir un paquete al hub. Si más de una demanda se recibe al mismo tiempo, ci hub usa una técnica ilamada round-robin para reconocer cada demanda de una por vez. Las demandas prioritarias, como aplicaciones de video conferencias con tiempo sensible, son servicios que están delante de las demandas de prioridad normal. Para asegurar la igualdad a todas las estaciones, un hub no concederá prioridad de acceso más de dos veces seguidas a un mismo puerto.

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4.3.4 Gigabits Ethernet

Como las estaciones de trabajo y los servidores migran a velocidades de 10 Mbps Ethernet a 100 Mbps, ha quedado muy claro que cada dIa se necesitan mayores velocidades. Gigabit Ethernet se desarrollO para un estándar Ethernet ai'in mayor para manejar el tráfico generado por los servidores y al nivel de backbone por la Fast Ethernet.

Gigabit Ethernet proporciona un ancho de banda increIble de 1000 Mbps o 1 Gbps, capaz de manejar incluso el tráfico generado por los backbones de una red en un campus.

Gigabit Ethernet actüa de igual forma con 10 y 100 Mbps porque emplea la mayorIa de los mismos formatos. Las redes reconocen Gigabit Ethernet y actüa de forma transparente, sin embargo, otras tecnologIas de alta velocidad (por ejemplo ATM) presenta problemas de compatibilidad, tales como diferentes formatos de tramas o diferentes necesidades de hardware.

Una caracterIstica significativa de Gigabit Ethernet es la mejora del CSMA / CD (Carrier Sense Mitltiple Access with Collision Detection). En modo Half-Duplex, todas las velocidades de Ethernet utilizan el método de acceso CSMA / CD para resolver la contención para la compartición del medio. Para Gigabit Ethernet, CSMA / CD ha sido mejorado para mantener el diimetro de colisión de 200 metros.

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Para incorporar Gigabit Ethernet en una red estándar Ethernet a un coste razonable, sin tener que invertir nuevamente en entrenamiento, cableado, herramientas de gestión o estaciones terminales. Debido a que combina muy bien con otras aplicaciones Ethernet, tendrá la flexibilidad de dar a cada segmento Ethernet exactamente la velocidad que necesite. Además si necesita cambiar, Ethernet es muy fácil de adaptar y siempre es totalmente compatible consigo misma.

Ethernet ha sobrevivido como una tecnologfa esencial de los medios de comunicación debido a su tremenda flexibilidad y simplicidad de entender e implementar. Aunque otras tecnologIas han tratado de reemplazarla, los gestionadores de red prefieren a Ethernet y a sus derivados como soluciones eficaces para una gran posibilidad de aplicación en terreno. Para resolver las limitaciones de Ethernet, se han creado redes de Ethernet progresivamente más grandes. Los crIticos podrIan decir que Ethernet es una tecnologIa que no puede desarrollarse, pero su esquema de transmisión subyacente continua siendo uno de los principales medios de transporte para los datos en aplicaciones de terreno contemporáneo.

. Especificación Gigabits Ethernet

Los esfuerzos de las normas actuales están basados en el Canal de Fibra y otros componentes de redes de alta velocidad. Las implementaciones de Gigabit Ethernet inicialmente usarán altas velocidades, componentes de canales de fibra Optica de 780 runt (longitud de onda corta) para la sefialización sobre fibra óptica. Codificación 81311013 y esquemas de decodificación se usaran para la seflalización y descerialización. La tecnologIa de Canales de fibra corre actualmente a 1.063 Gbps pero se están reforzando para que puedan coner a 1.250 Gbps para proporcionar una velocidad de transferencia completa 1000 Mbps. Para distancias de enlace más largas, 1300 nmt (longitud de onda larga) se especificarán componentes ópticos. Para acomodar adelantos futuros con tecnologIa en silicon y proceso de seflales digitales, una interfaz Iogica media independiente se especificará entre el MAC y las capas de PHY que permitirán que Gigabits Ethernet opere sobre cables par trenzados sin pantalla (UTP). Esta interfase lOgica habilitará esquemas de codificación mucho mej ores para el uso con cables UTP para ser implementados independiente de códigos de canales de fibra. La figura 4.3.4.a ilustra los elementos funcionales de Gigabit Ethernet.

MAC (Control de Acceso a! Medio)

Full y Half Duplex

I lnterfaz Logica Independiente del Medio

8BI10B CapaFisica

CodificaciOn! DecodificaciOn CodificaciOn F DecodificaciOn

I

Modo Unico Canal Transceiver

Fibra Optica I Fibra Optica Par Trenz ado

Modo Unico I I Multimodo \ Cable

Fibra Cable Fibra Cable \ Par Trerado

Enlace Full - Duplex Hepetidor Half - Duplex

Fig. 4.3.4.a: Elementos funcionales de Gigabits Ethernet.

> Emigrando a Gigabits Ethernet

La migración a Gigabits Ethernet ocurrirá gradualmente, y La aplicación inicial estará en la columna de Ethernet LAN. Luego, se actualizarán las conexiones de servidor, y en el futuro las versiones se actuaLizarán. Algunas de las nuevas implementaciones incluyen:

• Actualización de Enlaces Interruptor a Interruptor: Pueden reemplazarse enlaces de100 Mbps entre interruptores de Ethernet Rápidos o repetidores por enlaces de 1000 Mbps, pueden acelerarse las comunicaciones entre los interruptores de la columna y permitir que los interruptores apoyen un nümero más grande de interruptores y compartir segmentos de Ethernet Rápido.

• Actualización de Enlaces Interruptor a Servidor: Pueden lievarse a cabo conexiones 1000 Mbps entre los interruptores y Los servidores de alto rendimiento. Esta actualización exigirá equipar los servidores con Gigabit Ethernet NICs.

117

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• Actualización de Colunma de Ethernet Rápido: Un interruptor de. columna Ethernet Rápido con uniones de 10/100 interruptores puede ser actualizada con un interruptor Gigabit Ethernet multiple soportando 100/1000 interruptores, asI como las ruteadores y hubs con Interfaz Gigabit Ethernet y repetidores Gigabit.

Esta acción permitirá conectar los servidores directamente a la columna con Gigabit Ethernet NICs, La canalización creciente de los servidores para los usuarios con aplicaciones con un alto ancho de banda. Una red Gigabit Ethernet podrIa apoyar un nümero mayor de segmentos, más ancho de banda por cada segmento, y un mayor nimero de nodos por segmento.

• Actualización una Colunma de FDDI Compartida: Una columna de FDDI puede ser actualizada reemplazando el concentrador de FDDI, hub, 0 Ufl ruteador Ethernet a FDDI con un interruptor Gigabit Ethernet o repetidor. La ünica actualización requerida es la instalación para nuevas interfaz Gigabit Ethernet en los ruteadores, interruptores, o repetidores.

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Capitulo 5: Determinación de una alternativa.

5.1 Objetivo

El objetivo de este capitulo es crear una herramienta que nos oriente a encontrar una forma practica de dar solución a un problema real de implementación de una red industrial. Como los capItulos anteriores presentamos una descripción de los principales, o los mas

implementados, protocolos utilizados en los distintos niveles de una red industrial, se presentara un resumen con las principales caracterIsticas técnicas de varias tecnologIas de buses de campo para compararlas con las vistas en este trabajo.

El paradigma de red actual es una red "heterogenia" en Lugar de sistemas abiertos previsto desde largo tiempo en el que todos Los vendedores disponen de equipos compatibles. Las redes heterogenias se construyen al nivel de empresa y conectan un amplio abanico de sistemas incluyendo LAN de departamentos y de grupos de trabajo. En este entorno Los administradores de red se enfrentan a La tarea de conseguir que distintos sistemas funcionen conjuntamente. La forma de lograrLo es admitir varios protocolos de comunicaciones o utiLizar productos "middware" que ocultan los protocolos a los usuarios y a Las aplicaciones.

Para la implementación de una red industrial, como punto de referencia existe preguntas básicas que nos den la vision general de red:

• Por que y para que una red industrial?.

Como se describe en La introducción de este trabajo, las ventajas que ofrece la implementación de una red industrial son evidentes, pero a cambio existe un cierto costo que debe ser estudiado para determinar si La inversion es rentable o innecesaria.

Dentro de los principales objetivos que se deben conseguir con la implementación de una red industrial son: la moduLaridad del sistema, sistemas simplificados de conexión, inter cambiabilidad de dispositivos, interoperabilidad de los dispositivos especIficos (manejo de información)

AquI mismo se puede tener La idea de que cLase de hardware se debe adquirir como mInimo (esperando respuesta del presupuesto para saber si se pude comprar equipo mas sofisticado o de mayor calidad)

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• 4A que nivel se pretende liegar con La red?

Se debe considerar o pedir la aproximación en tiempo del tipo de crecimiento de La empresa o solicitante. (En caso que el solicitante opinara que su red no crecerá, siempre se debe considerar La minima opción de expansion de la red sin avisar al solicitante)

La segunda pregunta despeja la duda de cuanto se debe disponer para la instalaciOn de la red, si el presupuesto es muy bueno lo mas seguro es que no se necesite emplear un estudio costo-beneficio. Pero Si el presupuesto es corto o algo limitado se debe de realizar tal estudio para tratar respaldar una ampliación de este presupuesto.

Despejada La duda de que tanto se va a crecer con la red y una aproximación en ci tiempo y en el tipo de equipo en el sentido que no se vueLva obsoleto y anticuado y en caso de que no se piense crecer por parte del solicitante uno debe de dejar esa posibilidad abierta.

Que tipo de topologla?

La configuracion de una red suele conocerse como topologia de La misma. La topoLogia es la forma (la conectividad fIsica) de la red. A la hora de establecer la topologIa de una red, se deben perseguir tres objetivos principales:

> Proporcionar la maxima fiabilidad posible, para garantizar La recepción correcta de todo el tráfico (encaminamiento altemativo)

> Encaminar el tráfico entre ci dispositivo transmisor y el receptor a través del camino más económico dentro de la red (aunque, Si se consideran más importante otroS factores, como La fiabilidad, este camino de coSto minimo puede no ser el mas conveniente)

> Proporcionar al usuario final un tiempo de respuesta óptimo y un caudal de información eficaz máximo.

Cuando hablamos de fiabilidad de una red nos estamos refiriendo a la capacidad que tiene la misma para transportar datos correctamente (sin errores) de un dispositivo a otro. Ello incluye también la capacidad de recuperación de errores o datos perdidos en la red, ya bien con el mantenimiento del sistema, en la que se inciuyen las comprobaciones diarias; el mantenimiento preventivo, que se ocupa de reLevar de SUS tareas a los componentes averiados o de funcionamiento incorrecto; y en su caso, ci aislamiento de los focos de averia.

El segundo objetivo a cumplir a La hora de estabLecer una topologIa para la red consiste en proporcionar a los procesos de apLicaciOn que residen en los dispositivos el camino más económico posible. Para ello es preciso:

121

> Minimizar la longitud real del canal que une los componentes, lo cual suele implicar el

encaminamiento del tráfico a través del menor nümero posible de componentes

intermedios. > Proporcionar el canal más económico para cada actividad concreta; por ejemplo,

transmitir los datos de baja prioridad a través de un enlace de baja velocidad por ilnea

telefónica normal, lo cual es mas barato que transmitir esos mismos datos a través de tin

canal via satélite de alta velocidad.

Cuales son los requisitos de velocidad y datos?

En una red industrial inserta en un sistema productivo, los requerimientos de tiempo o

velocidad de respuesta cambian con respecto al nivel que nos encontramos dentro de la

estructura de la red. No será lo mismo el requerimiento de tiempo de respuesta en un bus

situado al nivel de campo que ha de ser distinto del requerimiento de tiempo de respuesta

usado por el nivel próximo superior, claramente siempre el nivel superior mane] a tiempos

relativamente mayor, ya que al nivel de campo este requerimiento es vital para la respuesta

en tiempo real que se espera del proceso. La cantidad de información o de datos que se debe manejar dependerá del tipo de

dispositivos que hallamos escogido, mas bien de lo complejo que hallamos definido la

implementación del sistema. La capacidad de manejar datos en un dispositivo hace que este se definan como un

dispositivo simple, capaz de manejar a lo menos un byte de información. 0 un dispositivo

complejo, capaz de manejar una cantidad mucho mayor de bytes (por ejemplo 100 bytes)

de información. En este aspecto siempre se debe considerar el peor de los casos para

establecer el limite del sistema, no es recomendable tener una mezcla de dispositivos

simples con complejos.

Ha esta altura se podrIa forzar una decision ya que los requisitos básicos de

velocidad, datos y dispositivos especIficos debieran estar definidos lo que nos lievaria a

tomar una decisiOn considerando los tipos de redes que están disponibles en el mercado,

existen otros aspectos que también se deben considerar, como aspectos fisicos

constructivos y de soporte. Como lo es la distribuciOn de la alimentación por ejemplo, esta

puede ser a través de lazos de corrientes para algunas tarjetas o simplemente con

alimentaciOn continua. Otro ejemplo, el tipo de anclaje de la tarjeta.

También se debe tener en cuenta que en la implementación de una red industrial en

distintos niveles se puede trabajar con redes multiples por lo que los equipos deben tener la

capacidad fisica de montar la red seleccionada. A su vez el trabajo con redes multiples en

una misma estructura involucra que deben existir sistemas operativos, que pueden ser

distintos o compatibles, métodos de control de errores compatibles, herramientas de

configuraciOn distintas y por ultimo el uso del cableado o los conectores puede o no ser

compatible entre distintas redes.

122

En resumen las caracterIsticas básicas para la implementación de una red industrial son las siguientes:

/ Debe de funcionar para ci fin establecido / Debe de ser lo más estable posibie. v' Contener la posibilidad de crecer (ampliarse). / El costo debe de ser costiable por ci solicitante. V' Contener velocidad de transmisión. v' Métodos de detección de errores en las tarjetas (en el caso de usar tarjetas con

tecnologIa actual).

123

5.2 Determinación de la mejor alternativa a implementar.

Considerando la inforrnación presentada en él capitulo anterior se ha desarrollado un resurnen con las principales caracterIsticas de los tipos de red en estudio

Tabla 5.2.a: Resurnen de Caracteristicas Fisicas de algunos Fieldbus.

CaracterIsticas FIsicas

Topologia de la Medio de transmisión n ° max. de distancia max. FIELD! US red puntos

PROFIBUS Bus, Anillo, Par Trenzado, Fibra 32, 127 nodos 24000 metros Estrella, Arbol Optica con repetidor (fibra)

Anillo con Par Trenzado, Fibra 400 m/segmento 1NTERBUS segmentos con Optica 256 nodos 12,8 Km. total

uniones UT Trunkline/ Par Trenzado, para

DEVICENET Dropline con seflal y alimentaciOn 64 nodos 500 metros derivaciones

Bus, Par Trenzado, Fibra ARCNET Estrella Optica, 255 nodos 8000 metros

Coaxial

Bus, Anillo, Cable de dos Hilos, 100 metros, AS-1 Estrella, Arbol Par Trenzado 31 esclavos 300 metros

con repetidor

Multidrop con 240 / segmento, FIELDBUS bus de Par Trenzado 65000

FOUNDATION alimentación segmentos en 1900 metros total

SERIPLEX Arbol, Anillo, Cable de 4 hilos H 500 Dispositivos 160 metros Estrella apantallado

WORLDFIP Bus Par Trenzado, Fibra 256 nodos - Sobre Optica 40000 metros.

Par Trenzado, Fibra LONWORKS Bus, Anillo, Optica, Linea de 32000/ 2000 metros

• Estrella AlimentaciOn Dominio SDS Trunkline/ Par Trenzado, Fibra 64 nodos, 126 500 metros

• Dropline Optica direcciones Par Trenzado, para 30nodos -

CAN Bus Senal y AlimentaciOn 200 con. 6000inetros repetidor

Bus, Multidrop, Par Trenzado IS unidades con 1500 metros HART Punto a punto apantallado, una unidad de

• a

• Frecuencia alimentación 3000 metros Bus, Par Trenzado, 28 nodos,

BITBUS Arbol Fibra Optica 250'con 1200 metros repetidor

IEC/ISA SPSO Bus, Par Trenzado, FSK IS 3-7 1700 metros Estr'ella

It Non IS 128

Fabla 5.2.b Resumen de las caracterIsticas técnicas.

124

CARACTERISTICAS DE TRANSMISION

COMUNICACION VELOCIDAD TRANSM. MODO DETECCION FIELDBUS TRANSMLSLON DATOS ARBITRARIO ERROR

PROFIBUS Maestro/Esclavo, DI' sobre 12 Mbps Ilimitado, Token Passing HD4CRC Punto a Punto PA 31,25 Kbps 244 bytes Maestro/Esclavo

Maestro/Esclavo, 500 Kbps 512 bytes, Suma CRC INTERBUS Punto a Punto fuilduplex Bloque Dc 16 Bit

Ilimitado Tramas

Maestro/Esclavo, 500 Kbps, 8 byte Acceso Chequeo DEVICENET Multi-Maestro 250 Kbps, Mensaje Multiple CRC

125 Kbps Variable

ARCNET Punto a Punto 31,25 Kbps a 508 bytes Token CAC Multidrop 10 Mbps Passing 16 Bit

Datos 31esclavos con Maestro/Esclavo Cédigo AS-1 Maestro/Esclavo y 4 entradas y Con Manchester,

AlimentaciOn 4 salidas Cyclic Polling Hamming-2

FIELDBUS Cliente/ 31,25 Kbps, 16,6 M Determinist CRC OUNDAT1ON Servidor I Mbps, objets/device centralized, 16 Bit

2,5 Mbps Scheduler Maestro/Esclavo, Fin de trama

SERIPLEX Punto a Punto 200 Mbps 7680/transfer Sonal V Multidrop Multiplexing Chequeo de

error

31,25 Kbps, Sin limites, CRC WORLDFIP Punto a Punto I Mbps, 128 bytes Central 16 Bit,

2,5 Mbps, Variables Arbitration Indicador 6 Mbps con fibra Dc datos

Maestro/Esclavo, 1,25 Mbps 288 bytes Carrier Sense CRC LONWORKS Punto a Punto full duplex Multiple Access 16 Bit

(CSMA)

Maestro/Esclavo, 1 Mbps, 8 bytes Chequeo SDS Punto a Punto, 500 Kbps, mensaje CSMA CRC

Multi-Maestro 250 Kbps, variable 125 Kbps

DetecciOn de error

I Mbps, Ilimitado CSMA con automático CAN Multi-Maestro 500Kbps, dètección de manejado por

50 Kbps ColisiOn ci controlador CAN

Maestro/Esclavo 38 bit DetecciOn por HART Punto a Punto, 1,2 Kbps colisiOn

Multidrop

BITBUS Maestro/Esclavo 375Kbps 16 bytes Macstro/EsclavO CRC 62,5 Kbps 16 Bit

64 Octets high CRC lEC/lSA S.P50 Cliente/Servidor 31,25 Kbps and 256 low Tokens 16 Bit

priority

125

5.3 Costos involucrados

Ahora si bien no existe una receta para una solución especifica frente a una problemática de implementación, los aspectos de mas peso al momento de tomar una decision acerca de una tecnologIa en particular son:

Numero máximo de nodos

Requerimientos de velocidad

Funcionalidad (Soporte técnico en Chile)

Estos aspectos se reducen a un total de costos involucrados:

Costo mInimo por entrada analógica Costo minimo por entrada digital Costo mInimo por metro lineal de red instalada

Por otro lado segün nuestro estudio, existe un aspecto que cabe mencionar a la hora de tocar el tópico del costo involucrado. Para comenzar a evaluar una implementación de bus de campo debemos considerar que existe un "kit mInimo de implementación" el cual satisface las necesidades básicas para el funcionamiento del sistema, por lo cual no existe un denominador en comUn para todas las implementaciones que se estudiaron, si bien es cierto en la actualidad muchos dispositivos traen esta capacidad de adaptarse a diferentes protocolos a través de terminales especializados, por lo que crear un kit mInimo comün para tratar de evaluar todas las alternativas no es aplicable, ya que este kit mInimo variara de una tecnologIa a otra.

Como ejemplo de lo anterior presentamos unas cotizaciones hechas a un conocido distribuidor de componentes de control industrial, por motivos de tiempo no se pudieron conseguir otras cotizaciones, pero pensamos que estas nos dan una clara idea de bajo que márgenes se mueven los valores para estos componentes, además nos ayudo a conocer como se hace una cotización de este tipo.

126

labia 5.3.1: Cotización para una implementación Profibus

Tabla 5.3.2: Tabla de cotización para una implementación AS —INTERFASE

Item AS-I

Costo mmnimo por entrada analOgica $ 485.000

Costo mmnimo por entrada digital $ 250.000

Costo mInimo por metro lineal de red instalada $ 12.000

I maestro, 1 esciavo,, 1 metro de Cual es el kit minimo de implementación? cable para. As-i $ 560.000

no utiliza conectores)

Si => Personal en terreno , Existe soporte técnico en Chile? Hot-Line sin costo

Manual web sin costo

127

Profibus DP Profibus FMS

FieldBus Hi Data

Profibus Highway Modbus Hart

Inter bus Remote I/O

COSTO

N A L Device

I Net

D A Cableado D RS-485 +

F U N C I

Ethernet TCP I IP

Control Net Fieldbus H2

C 0 M P L E J I D A D

.. I.

128

Ahora considerando la información entregada, revisando el objetivo de este trabajo y el marco con el cual hemos de evaluar, hernos confeccionado el siguiente esquema ci cual será nuestra herramienta de evaivaciOn:

DATA + +

129

En ci esquema queda ciaro que con relación al costo y a La capacidad de transmitir información Ethernet presenta una capacidad y un costo similar a la de otras tecnologIas, pero es rnas compieja y tiene una menor funcionalidad debido a que no puede emigrar a otra tecnologIa que no sea dentro de La misma Ethernet. Se dernuestra la superioridad ofrecida por Ethernet sobre los demás Buses de Campo en lo que Se refiere a:

• Velocidad • Numero máximo de estaciones que soporta • Tama-no de la red • Interoperabilidad • Escalabilidad

Sin embargo ci factor económico todavIa juega a favor del bus de campo, aunque los costos de una red Ethernet están bajando y acercándose cada dIa al del Bus de Campo.

En ci otro extremo La clásica RS-485 tiene una mayor funcionalidad (puede emigrara a otra tecnologia), un menor costo, pero su capacidad de transmitir inforrnación es reducida al igual que ci costo de inversion.

En Ia zona intermedia encontramos un montón de tecnologIas cuyas caracterfsticas se podrIan afirmar que son casi similares o se encuentran dentro de un mismo rango. Por Jo cual dependerá de requerimientos mas rebuscados para encontrar en una de ellas una ventaja competitiva con respecto al resto de Las alternativas.

En fin no se podrIa dar una receta de cuai de estas aiternativas es mejor soluciOn a un problema dado, ya que la mejor solución es La que cubra todos los requerirnientos, o la rnayorIa, de los aspectos que queramos mejorar en nuestras instalaciones.

130

Conclusiones Finales:

En la actualidad en las industrias y plantas de proceso, que basan su funcionamiento en el uso del control automático y de las automatizaciones en general, uno de los grandes avances que se ha logrado desarroliar para facilitar ci trabajo son las redes industriales, por la sencilla razón de que cada dIa conviven en estas empresas una serie de equipos y dispositivos automáticos que trabajan y se comunican entre si para permitir el control y el funcionamiento de una maquina o de un equipo en un determinado proceso.

Entre estos procesos se encuentran los controladores logicos programables (PLC), los computadores personales (PC), sensores y actuadores, etc.

El desarrollo de estas redes industriales ha establecido una forma de unir todos estos equipos, aumentando ci rendimiento y proporcionando nuevas posibilidades a las plantas, logrando acrecentar la producción y mejorar la calidad de los diferentes productos que éstas realizan y también logrando un mejor manejo de las materias primas que se utilizan.

Un bus de campo o conocido también por su nombre en inglés Fieldbus es un enlace de comunicación digital, con caracterIsticas bidireccionales y multi-drop que permite que Jos distintos dispositivos inteligentes de control que interactüan y que están presentes en un proceso se puedan comunicar entre si, reemplazando la conocida norma analogica de los 4-20 mA.

Sin embargo, esto no quiere decir que los buses de campo hayan desplazado en forma definitiva del mercado y de las industrias el uso de la norma de los 4-20 mA, todo lo contrario ya que los buses de campo trabajan con muchos dispositivos de mediciOn que basan su funcionamiento y comunicación en seflales analógicas como por ejemplo váivulas, medidores de presión, interruptores; etc. La diferencia es que, ci Fieidbus es digital, esto quiere decir que los computadores, controladores, PLC, y las Unidades Terminales Remotas (RTU) se comunican entre Si digitalmente.

En definitiva los grandes beneficios que obtienen los usuarios de los buses de campo incluyen costos iniciales más bajos, mantenimiento más fácii, de bajo costo y mejor rendimiento.

Los costos iniciales son reducidos debido a que el area de seiección del instrumento se simplifica, también se simplifica su instalación y su cableado, y ci sistema de control también reduce ci nümero de dispositivos de I/O usados en el proceso. En pruebas recientes realizadas en terreno, ci uso de los buses de campo produjo un 80% de economlas en ci cableado, comparado con las técnicas de punto a punto tradicional. El costo inicial del sistema de control de I/O también se reduce drásticamente al necesitarse menos slots de I/O para los segmentos multi-drop de los buses de campo. Cuando las funciones del sistema de control ernigran a los dispositivos de campo, la cantidad de equipo requerida para ci Sistema Central de Control disminuye requiriendo menos equipo y ocupando menos espacio.

Los buses de campo permiten a los proveedores de dispositivos, conservar información más crItica o relevante en sus medidores y dispositivos del control. Además de los vaiores del proceso, los instrumentos también podrán retener y comunicar información sobre ci propio dispositivo como constantes de calibración, historial de mantención, etc.

131

La tecnologIa de los buses de campo le da La capacidad al usuario para poder tener acceso fácil y documentar estos datos de mantención que deben actualizarse con mayor rapidez y precision. También, la disponibilidad de esta información adicional sobre el estado de los instrumentos, hace más fácil predecir cuando se les debe realizar mantenciOn y en que lugar en particular del equipo debe realizarse. Esta capacidad de mantenimiento predictivo, habilitada por los buses de campo, puede ahorrar el tiempo fuera de servicio de algün equipo que puede resultar costoso para la planta y para La producciOn de esta.

Otro beneficio es su aumento en el rendimiento del sistema. Debido a que los buses de campo emigran el control desde un nivel superior al nivel de los dispositivos de campo, el superior esta asociado con transferir la información de control hacia y desde los DCS, PLC, y el lazo de control i.nico se elimina. Esto hace posible realizar las funciones de control a una velocidad mucho más rápida. Además el protocolo del bus de campo proporciona los servicios necesarios para asegurar que éstas funciones de control sean completamente sincronizadas.

Por iiltimo le dará más libertad al usuario para seleccionar el dispositivo correcto para La aplicación correcta; Porque el bus de campo habilita La interoperabilidad, y esto permite al usuario que no se restringa a seleccionar todos los dispositivos del mismo proveedor. Esto no solo hace que los buses de campo fomenten la competencia entre los proveedores de dispositivos, sino que también anima a que estos perfeccionen y mejoren aun más la calidad de sus productos y que abaraten los costos de los mismos.

Como se puede apreciar en este trabajo existe una gran variedad y discusiOn sobre cual de estos Fieldbuses es mejor y cual es el más conveniente de usar. Estas discusiones están normalmente basadas en un estrecho juego de criterios que involucran una aplicación especIfica, pero queda demostrada La superioridad ofrecida por Ethernet sobre el Bus de Campo en lo que se refiere a:

• Velocidad • Numero máximo de estaciones que soporta • Tamaflo de la red • Interoperabilidad • Escalabilidad

Sin embargo el factor económico todavIa juega a favor del bus de campo, aunque los costos de una red Ethernet están bajando y acercándose cada dIa a! del Bus de Campo.

132

La introducción de La tecnologIa Ethernet en redes industriales es un secreto a viva voz, ya que en la actualidad diversas organizaciones que manejan estas implementaciones disfi-utan de los beneficios que esta entrega, pero la principal misión de las redes digitales de control de procesos es la de poder transmitir datos en tiempo real. Debido a que en la mayorIa de equipos de campo no existe un tipo de comunicación estándar que permita obtener datos fiables en tiempo real, es dificil encontrar una tecnologIa capa.z de implantar una red de comunicaciones eficiente at nivel de campo. Toda industria posee en su planta de producción una gran variedad de equipos sensores y acondicionadores de la seflal fisica captada. Por esta razón es de vital importancia estandarizar Las vIas de comunicación entre estos instrumentos y el control central del proceso. Debido a esto y a La falta de acuerdo entre los diferentes fabricantes de instrurnentos en cuanto a estandarizar un protocolo de comunicaciones, la red TCP/IP inicialmente utilizada para niveles de comunicación más altos, ha ido descendiendo poco a poco hasta Ilegar a la captación de la propia seflal generada por el sensor. La tecnologIa TCP/IP es ideal para comunicaciones con sistemas de bajo nivel, además de conseguir un acceso directo en tiempo real sin los problemas que conlievarla la adaptación a diferentes protocolos exciusivos de cada instrumento.

De esta manera se despliega una red punto a punto que va creciendo en forma de árbol, interconectando Los diferentes equipos a través de nodos repetidores.

La superioridad mostrada por Ethernet no to convierte en la ünica posibilidad de diseno de red puesto que para ello debe hacerse un estudio completo de los requerimientos de una posibLe red como por ejemplo:

• Tamaño de la red • Nümero de estaciones • ,Se requiere demasiada velocidad para el proceso? • etc.

Estas caracterIsticas, unidas at presupuesto con que se cuenta son factores fundamentales en el momento de reaLizar la mejor inversion.

Quizás uno de los mayores inconvenientes en la realización de este trabajo es su volumen, ya que además de envoLver todo to referente a control automático e instrumentación, están abarcadas las comunicaciones y todos los conceptos que estas involucran.

Por 61timo y para finalizar, es bueno seflalar que se superaron todas las expectativas que este tenf a, ya que como se mencionó anteriormente se despejaron las dudas, de como funcionan, quien los desarrolla y las ventajas que se obtienen en conocer e intensificar su utilización en las diferentes plantas industriaLes que existen en nuestro pals, además este trabajo quedara como un libro de consulta para los alumnos de instrumentación y en general para todos los que estén interesados en conocer más sobre las redes de comunicación industrial para que puedan desarroLLar un trabajo práctico que ayude a mejorar ó a desarrollar tecnoLógicamente la producción de alguna de las tantas empresas que existen en nuestra regiOn y el pals.

BibliografIa:

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•• Sistemas Digitales de Control de Procesos. (Sergio Szklanny, Carlos Behrends).

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'. Lonk Works. (http://www.sin.net/iecinfo/tutorial.html).

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•:• Fieldbus. (http://www.fieldbus.net). (http://www.steinhoff.de).

•:• Modbus, Modbus +.

133

+ (http://www.modicon.com).

+ Industrial Ethernet. (http://www.instrument.com/nitr/n 1 7-edas.htm).

+ Redes Industriales. (http://www.infsoftwin.es/usuarios/miguel/redes.htm).

+ Bus de Campo. (http://www.fieldbus.com.aultechinfo.htm#whatfieldbus).

+ Redes de Computadoras Andrew S. Tanenbaum (Tercera Edición)

+ http:IIwww. Synergetic.com

134

Anexo 1: Medios de transmisión

r Medios Guiados

Los tres factores que se deben tener en cuenta a Ia hora de elegir Lin cable para una red son:

o Velocidad de transmisión que se quiere conseguir.

a Distancia maxima entre ordenadores que se van a conectar.

a Nivel de ruido e interferencias habituales en Ia zona que se va a instalar Ia red.

Los cables niás utilizados son el par trenzado, ci cable coaxial y la fibra óptica.

Par trenzado

Es el medio guiado rnás barato y más usado. Consiste en Lin par de cables, embutidos para su aislarniento, para cada enlace de comunicaciOn. Debido a que puede haber acoples entre pares, estos se trenza con pasos diferentes. La utilizaciOn del trenzado tiende a dism inui r ]a i nterferencia ci ectromagnétioa.

Este tipo de medio es el niás utilizado dehido a su hajo coste (se utiliza mucho en telefonla) pero su inconveniente principal es su poa velocidad de transmisión y su cotta distancia de alcance. Con estos cables, se pueden transmitir señales analógicas o digitales.

Es Lin medio rnuy susceptible a ruido y a interferencias. Para evitar estos problemas se sueie trenzar e) cable con distintos pasos de torsiOn y se su&e recubrir con una malia externa para evitar las interferencias externas.

Hg I Cable par I rcn7.ado sin apantallar

Los pares sin apantallar son los más baratos aunque los menos resistentes a interferencias (aunque se usan con éxito en telefonla y en redes de area local). A velocidades de transmisión bajas, los pares apantallados son menos susceptibles a interferencias, aunque son más caros y más dificiles de instalar.

Fig. 2 Par trenzado apantallado

• Cable coaxial

Consiste en un cable conductor interno (cilindrico) separado de otro cable conductor externo por anillos aislantes o por un aislante macizo. Todo esto se recubre por otra capa aislante que es la funda del cable.

Este cable, aunque es rnás caro que el par trenzado, se puede utilizar a rnás larga distancia, con velocidades de transrnisión superiores, menos interferencias y permite conectar más estaciones. Se suele utilizar para television, telefonia a larga distancia, redes de area tocat, conexión de periféricos a cotta distancia, etc...

Se utiliza para transmitir seiales analOgicas o digitales. Sus inconvenientes principales son: atenuaciOn, ruido térmico, ruido de inter moduiación. Para seflales analógicas, se necesita tin am plificador cacla pocos k.óinetros y para sefia)es digitales tin repetidor cada kilómetro.

C'oaxiaigrueso Tiene aproximadamente 1 cm. de diárnetro, es menos utilizado por su precio, aunque es un gran transmisor de seiia'ies de alta frecuencia, poco sensible a interferencias y con minimas pérdidas por radiaciOn. Puede alcanzar longitudes de 500 in.

C'oaxial fino: Con un diámetro de /2 cm. tiene peores propiedades de transmisión que su hennano mayor y puede alcanzar menor distancia 180/200 m. Sin embargo, su precio, flexibilidad y facilidad de instalaciOn hacen que sea más utilizado.

E Tk øi Fig. 3 Cable coaxial y conectores BNC

Fibra Optica

Se trata de un medio muy flexible y muy fino que conduce energIa de naturaleza óptica. Su forma es cilIndrica con tres secciones radiales: nücleo, revestimiento y cubierta. El nticleo está formado por una o varias fibras muy finas de cristal o plástico. Cada fibra está rodeada por su propio revestimiento que es un cristal o plástico con diferentes propiedades ópticas distintas a las del nCicleo. Airededor de este conglomerado está la cubierta (constituida de material plástico o similar) que se encarga de aislar el contenido de aplastamientos, abrasiones, humedad, etc... Es un medio muy apropiado Para largas distancias e incluso 61timamente Para LAN's.

Sus beneficios frente a cables coaxiales y pares trenzados son:

+ Permite mayor ancho de banda. + Menor tamauio y peso. • Menor atenuación. + Aislamiento electromagnético. + Mayor separación entre repetidores.

Su rango de frecuencias es todo el espectro visible y parte del infrarrojo. El método de transmisión es: los rayos de luz inciden con una gama de ángulos diferentes posibles en el ntcIeo del cable, entonces solo una gama de ángulos conseguirán reflejarse en la capa que recubre el nácleo . Son precisamente esos rayos que inciden en un cierto rango de ángulos los que iran rebotando a lo largo del cable hasta Ilegar a su destino. A este tipo de propagación se le llama multinodal. Si se reduce el radio del ntcleo, el rango de ángulos disminuye hasta que solo sea posible la transmisión de un rayo, el rayo axial, y a este método de transmisiOn se Ic llama mononodal.

Fibra multonodo contra fibra mononodo.

El cable de fibra Optica multinodo tiene el diámetro del ncleo más grande y por lo tanto tiene mCiltiples nodos de propagacion, esto es varias longitudes de onda de luz se utilizan dentro del nOcleo de fibra.

Se utiliza principalmente Para aplicaciones de corta distancia. Es un medio perfecto Para redes en casa, redes con video y multimedia, asI como en enlaces dentro de edificios o en un entomb intra-universitario.

En contraste el cable de fibra mononodo tiene un n(icleo más pequeflo y solamente un nodo de propagación.

Con una sola longitud de onda de luz pasando a través del nCicleo, la fibra mononodo evita que las longitudes de onda de luz se solapen y destruyan los datos, lo cual puede suceder con la fibra multinodo.

La distancia con la fibra multinodo es hasta 50 veces más que con fibra mononodo. Consecuentemente, la mononodo se utiliza Para conexiones de redes a 10/100 Mbps situadas en areas extensas, incluyendo aplicaciones de television por cable y backbone en

entornos universitarios. Las compafilas telefónicas (portadoras) están utilizando cable de fibra mononodo debido a sus costes operativos finales más bajos.

Tainbién se obtiene un mayor ancho de banda, se puede ocupar una pareja de cables de fibra rnnonodo Full- Duplex para duplicar el traspaso de cable de fibra multinodo.

La distancia actual que se alcanza con la fibra mononodo dependerá de los fabricantes de los dispositivos de red que vayan a set utilizados con el cable. Esto es debido a qué a pesar de que hay una serie de estándares establecidos para el cable de fibra multinodo, pero todavia no hay ninguna establecida para ci cable de fibra mononodo.

Hay an tercer rnodo de transmisián quo es un paso interinedio entre los anteriorznente comentados y que consiste en cambiar el Indice de refracción del nácleo. A este modo se le llama multirnodo de Indice gradual.

1w uII iE-

Fig. 4 Fibra multinodo Fig. 5 Fibra mononodo

7' CaiBIET.).125dL.4 OOL'\UETc

O t,.tTqo

FIEIRA MULTIMODO DE INDICE DE ESC ALA

Cii BIERTA 12S uM DE OL').k4ETP.O

1- — - PROPAGACON

UUCLEO:uUDE DtP&Q4ETP.O

FIRA MULTIMODID DE NDICE GRADUAL

Figrn-a 6: Pripagación muhinodo

1.6.4.- Medios de Transmisión Ina1ámbricos

Estos medios no son frecuentes en redes industriales a nivel de campo, generalmente son utilizados para la transmisiOn de información a grandes distancias, como por ejemplo de una edificación a otra, en redes WAN , pero de acuerdo como avanza La tecnologIa en esta area, talvez en un futuro no muy lejano se introduzcan en los niveles mas bajos de las redes.

> Enlaces Opticos Al Aire Libre

El principio de funcionamiento de un enlace óptico at aire libre es similar at de un

enlace de fibra óptica, sin embargo el rnedio de transmisión no es un polimero o fibra de

vidrio sino el aire.

El emisor óptico produce un haz estrecho que se detecta en tin sensor que puede

estar situado a varios kilómetros en la lInea de vision. Las aplicaciones tipicas para estos

enlaces se encuentran en las areas productivas, donde Ia geografia no permiten tender

cables, o entre los edificios de una cornpañIa en una ciudad en la que resulte caro utilizar

los cables telefónicos.

Las cornunicaciones ópticas at aire libre son una alternativa de gran ancho de banda

a los enlaces de fibra óptica o a los cables eléctricos. Las prestaci ones de este tipo de enlace

•pueden verse empobrecidas por Ia lluvia fuerte o niebla intensa, pero son inmunes a las

interferencias eléctricas y no necesitan permiso de las autoridades responsables de las

telecomunicaciones.

Las mejoras en los ernisores y detectores ópticos han incrernentado el rango y el

ancho de banda de los enlaces ópticos at aire libre, al tiempo que reducen los costos. Se

puede pernitir voz o datos sobre estos enlaces a veocidades de hasta 45 Mbps . El lirnite

para cornunicaciones fiables se encuentra sobre los dos kilórnetros. Para distancias de más

de dos kilóinetros son preferibles los enlaces de microondas.

Existen dos efectos atmosféricos importantes a tener en cuenta con los enlaces ópticos al aire libre:

o La dispersion de la luz que atenüa Ia seflal optica en proporciOn al námero y al tamaflo de las partIculas en suspensiOn en la atmOsfera. Las partIculas pequefias, como la niebla, polvo o humo, tienen un efecto que es función de su densidad y de la relación existente entre su tamaño y de la longitud de onda de la radiación infrarroja utilizada. La niebla, con una elevada densidad de partIculas, de 1 a 10 pin de diámetro, tienen un efecto más acusado sobre el haz de luz. Las partIculas de humo, más grandes, tienen menor densidad y, por tanto, menor efecto.

o Las brisas ascensionales (originadas por movimientos del aire como consecuencia de Las variaciones en la temperatura) provocan variaciones en la densidad del aire y, por tanto, variaciones en el Indice de refracciOn a lo largo del haz. Esto da lugar a Ia dispersion de parte de la luz a lo largo del haz. Este efecto puede reducirse elevando el haz de luz lo bastante con respecto a cualquier superficie caliente o utilizando emisores multiples. La luz de cada emisor se ye afectada de diferente forma por las brisas, y los haces se promedian en el receptor.

Estos sistemas suelen emplearse para transmisiones digital de alta velocidad en banda base. En EE.UU, todos los fabricantes de productos laser deben tener una certificaciOn que garantiza La seguridad de sus productos.

Microondas

Los enlaces de microondas se utilizan mucho como enlaces alli donde los cables coaxiales o de fibra Optica no son prácticos. Se necesita una IInea de vision directa para transmitir en La banda de SHF, de modo que es necesario dispones de antenas de microondas en torres elevadas en las cimas de las colinas o accidentes del terreno para asegurar un camino directo con la intervención de pocos repetidores.

Las bandas de frecuencias más comunes para comunicaciones mediante microondas son las de 2,4, 6 y 6.8 GHz. Un enlace de microondas a 140 Mbits/s puede proporcionara hasta 1920 canales de voz o bien varias comunicaciones de canales de 2 Mbits/s multiplexados en el tiempo.

Los enlaces de microondas presentan unas tasas de error en el rango de 1 en 10 a 1 en 1011 dependiendo de la re!ación seflal/ruido en los receptores. Pueden presentarse problemas de propagación en los enlaces de microondas, incluyendo los debidos a Iluvias intensas que provocan atenuaciones que incrementan la tasa de errores. Pueden producirse pequeflos cortes en la señal recibida cuando una bandada de pájaros atraviesa el haz de microondas, pero es poco frecuente que ocurra.

Luzlnfrarroja

Permite la transmisión de información a velocidades muy altas: 10 Mbits/seg. Consiste en la emisión/recepción de un haz de luz; debido a esto, ci emisor y receptor deben tener contacto visual (la luz viaja en ilnea recta). Debido a esta limitación pueden usarse espejos para modificar la dirección de la Iuz transmitida.

• Señales de radio

Consiste en la emisión / recepción de una señal de radio, por Jo tanto el emisor y ci receptor deben sintonizar La misma frecuencia. La emisión puede traspasar muros y no es necesario la vision directa de emisor y receptor.

La velocidad de transmisiOn suele ser baja : 4800 Kbits/seg. Se debe tener cuidado con las interferencias de otras señales.

ComunicaciOnes Via Satélite

Los satélites artificiales han revolucionado las comunicaciones desde los ültimos 20 años. Actualmente son muchos los satélites de comunicaciones que están airededor de la tierra dando servicio a numerosas empresas, gobiernos, entidades.

Un satélite de comunicaciones hace la labor de repetidor electrónico. Una estaciOn terrena A transmite al satélite sefiales de una frecuencia determinada (canal de subida). Por su parte, ci satélite recibe estas seflales y las retransmite a otra estación terrena B mediante una frecuencia distinta (canal de bajada). La seflal de bajada puede ser recibida por cualquier estación situada dentro del cono de radiación del satélite, y puede transportar voz, datos o imágenes de television. Dc esta manera se impide que los canales de subida y de bajada se interfieran, ya que trabajan en bandas de frecuencia diferentes.

La capacidad que posee una satélite de recibir y retransmitir se debe a un dispositivo conocido como transpondedor. Los transpondedores de satélite trabajan a frecuencias muy elevadas, generaimente en la banda de los gigahertzios. La mayorIa de los satélites de comunicaciones están situados en una órbita denominada geoestacionaria, que se encuentra a 36000 Km sobre ci ecuador . Esto permite que el satélite gire alrededor de la tierra a la misma velocidad que ésta, de modo que parece casi estacionario. AsI, las antenas terrestres pueden permanecer orientadas hacia una posición relativamente estable (Jo que se conoce como "sector orbital") ya que ci satélite mantiene la misma posición relativa con respecto a la superficie de Ia tierra.

CaracterIstica Principales

• Existe un retardo de unos 0.5 segundos en las comunicaciones debido a la distancia que han de recorrer las sefiales. Los cambios en los retrasos de propagación provocados por el movimiento en ocho de un satélite geoestacionario necesita transmisiones frecuentes de tramas de sincronización.

• Los satélites tienen una vida media de siete a 10 aflos, pero pueden sufrir fallos que provocan su salida de servicio. Es, por tanto, necesario dispones de un medio altemativo de servicio en caso de cualquier eventualidad.

• Las estaciones terrenas suelen estar lejos de los usuarios y a menudo se necesitan caros enlaces de alta velocidad. Las estaciones situadas en la banda de bajas frecuencias (la banda C) están dotadas de grandes antenas (de unos 30 metros de diámetro) y son extremadamente sensibles a las interferencias. Por este motivo suelen estar situadas lejos de areas habitadas. Las estaciones que trabajan en la banda Ku disponen de una antena menor y son menos sensibies a las interferencias. Utilizar un enlace de microondas de aita capacidad solo ayudarIa a complicar los probiemas de ruido que presente el enlace con el satélite.

• Las comunicaciones con ci satélite pueden ser interceptadas por cuaiquiera que disponga de un receptor en las proximidades de la estación. Es necesario utilizar técnicas de encriptación para garantizar la privacidad de los datos.

• Los satélites geoestacionarios pasan por periodos en los que no pueden funcionar. En el caso de un eclipse de Sol en el que la tierra se sitt'ia entre el Sol y el satélite, se corta el suministro de energIa a las células solares que alimentan el satéiite, to que provoca ci paso del suministro de energIa a las baterlas de emergencia, operaciOn que a menudo se traduce en una reducción de las prestaciones o en una pérdida de servicio.

• En ci caso de tránsitos solares, ci satélite pasa directamente entre ci So! y la Tierra provocando un aumento del ruido térmico en la estación terrena, y una pérdida probable de la seflal enviada por ci satélite.

• Los satélites geoestacionarios no son totaimente estacionarios con respecto a la Orbita de la tierra. Las desviaciones de la órbita ecuatorial hace que ci satélite describa una figura parecida a un ocho, de dimensiones proporcionales a la inciinación de la órbita con respecto at ecuador. Estas variaciones en la órbita son corregidas desde una estación de control.

• Actualmente hay un problema de ocupación de la Orbita geoestacionaria. Cuando un satélitc deja de ser operativo, debe irse a otra Orbita,para dejar un puesto iibre. La separaciOn angular entre satéiites dcbe ser de 2 grados (anteriormentc era dc 4). Esta medida implicO la necesidad de mejorar la capacidad de resoiuciOn de las estaciones terrenas para evitar detectar las señales de satélites próximos en la misma banda en forma de ruido.

SATELITE LANDA Kai -

_

/T\

VSAT

V AT SATV -.

-.

PROC ESPDOR REUOTO ESTAC ON

CENTRAL

ORDENADOR

Figura 8: La red de datos de AT&T utiliza un satélite para conectar las estaciones a una estación central

Anexo 2: Dispositivos de una red

• Repetidores

Son dispositivos que permiten resolver probiemas de limitación de distancias entre segmentos de red ya que su función es conectar al nivel fisico dos segmentos de red. Cuando la distancia entre dos dispositivos de la red es grande, Ia señal que viaja por la lInea se atenia y hay que regeneraria, se trata de un dispositivo que iinicamente repite la sefial transmitida evitando su atenuación; de esta forma se puede ampliar la longitud del cable que soporta la red A! trabajar al nivel más bajo de la piia de protocolos obliga a que: los dos segmentos que interconecta tenga ci mismo acceso al medio y trabajen con los mismos protocolo y los dos segmentos tengan la misma dirección de red.

Entrada de la seU Salida de la sei9al debilitacia regenerada

REPETIDOR

• Bridges (Puentes) Son dispositivos, al igual que los repetidores, que ayudan a resolver ci probiema de limitación de distancias, junto con ci problema de iimitación del rnimero de nodos de una red. Trabajan al nivel de enlace del modelo 051, por lo que pueden interconectar redes que cumpian las normas del modelo 802 (3, 4 y 5). Si los protocolos por encima de estos niveles son diferentes en ambas redes, el puente no es consciente, y por tanto no puede resolver los probiemas que puedan presentársele. Unen redes con la misma topoiogIa y método de acceso al medio, o diferentes.

• Gateways (Pasarelas) Este dispositivo que interconecta redes radicalmente distintas. Trabaja al nivel de aplicación del modelo OSI. Son capaces de traducir información de una aplicación a otra, como por ejemplo las pasarelas de correo electrónico. Cuando se habla de pasarelas a nivel de redes de area local, en realidad se está habiando de routers.

Tarjetas de interfaz de red

Las tarjetas de interfaz de red (NICs - Network interface Cards) son adaptadores instalados en un dispositivo, conectándolo de esta forma en red. Es el pilar en ci que sustenta toda red local, y ci ünico elernento imprescindible para enlazar dos ordenadores a buena velocidad (excepción hecha del cable y ci software). Existen tarjetas para distintos tipos de redes. Las principaies caracterIsticas de una tarjeta de red son

Operan al nivel fIsico del mod elo OS1: Las normas que rigen las tarjetas determinan sus caracterIsticas, y su circuiterla gestiona muchas de las funciones de la comunicación en red corno:

o Especificaciones rnecánicas: Tipos de conectores para ci cable, por ejemplo. o Especificaciones eléctricas: definen los métodos de transmisión de la inforrnación y

las sefiales de control para dicha transferencia. o Método de acceso al rnedio: es ci tipo de algoritmo que se utiliza para acceder al

cable que sostiene la red. Estos métodos están definidos por las normas 802.x del IEEE.

La circuiterja de la tarjeta de red determina, antes del cornienzo de Ia transrnisión de los datos, elementos coma velocidad de transmisión, tamaño del paquete, time-out, tamaño de los buffers. Una vez que estos elementos se han establecido, empieza la verdadera transmisiOn, realizándose una conversion de datos a transmitir a dos niveles:

o En primer lugar Se pasa de paralelo a serie para transrnitirlos corno flujo de bits. o Seguidamente se codifican y a veces se comprimen para un mejor rendimiento en la

transmisión. La dirección fisica es un concepto asociado a la tarjeta de red : Cada nodo de una red

tiene una dirección asignada que depende de los protocolos de comunicaciones que esté utilizando. La dirección fisica habitualmente viene definida de fábrica, por lo que no se puede modificar. Sobre esta dirección fisica se definen otras direcciones, corno puede ser la dirección IP para redes que estén funcionando con TCP/IP.

Fig. 1 NEC

• Hubs (Concentradores) Dispositivo que interconecta host dentro de una red. Es el dispositivo de interconexión más simple que existe. Se trata de un armario de conexiones donde se centralizan todas las conexiones de una red, es decir un dispositivo con muchos puertos de entrada y salida. No tiene ninguna función aparte de centralizar conexiones. Se suelen utilizar para implementar topologlas en estrella fIsica, pero funcionando como un anillo o como un bus lógico. Existen dos tipos:

o Hubs activos: permiten realizar funciones de amplificacion y repetición de la seflal, los más complejos además realizan estadIsticas.

o Hubs pasivos: son simples armarios de conexiones.

ar

Fig. 2 Hub

HUB

Topologla do una rod do cable do par tronzado

Router (Encaminador)

Es un puente incorporando caracterIsticas avanzadas, es dependiente del protocoic que permite conectar redes de area local y de area extensa. Trabajan al nivel de red del modelo OSI, por tanto trabajan con direcciones IP. Son capaces de elegir la ruta más eficiente que debe seguir un paquete en el momento de recibirlo. Existen routers multi-protocolo que son capaces de interconectar redes que funcionan con distintos protocolos; para ello incorporan un software que pasa un paquete de un protocolo a otro, aunque no son soportados todos los protocolos. La forma que tienen de funcionar es la siguiente:

o Cuando Ilega un paquete al router, éste examina la dirección destino y to envIa hacia alil a través de una ruta predeterminada.

o Si Ia dirección destino pertenece a una de las redes que el router interconecta, entonces envIa el paquete directamente a ella; en otro caso enviará el paquete a otro router más próximo a la dirección destino.

o Para saber el camino por el que el router debe enviar un paquete recibido, examina sus propias tablas de encaminamiento.

Anexo 3: TopologIas de una red

> Redes en Estrella

TOPOLOGJA EN ESTFILLA

> Un nodo central controla todas las corn unicaciones. > Poseen flexibilidad para añadir o quitar elernentos a la red

Repercusión de Jos fallos en el comportarniento de Ia red, excepto Si falla el nodo central.

> Flujo de información que puede transitar sin interferencias, y retardos que pueden aparecer porque e.xisten cables dedicados para cada nodo

> Redes Anillo

Cada nodo se interconecta con el siguiente y el anterior, pero sin formar ciclo cerrado.

> Flexibilidad para afladir o quitar elernentos a Ia red Buena repercusión de los failos en ci comportarniento de la red si falian nodos; mala si falla ci rnedio.

> Los posibles flujos de inforrnación que puede transitar sin interferencias, y retardos que pueden aparecer se ven influidas por el acceso simultáneo y los conflictos que esto genera.

A" Redesen Bus

> Cada nodo se interconecta con el siguiente y el anterior, pero sin formar ciclo cerrado.

> Flexibilidad para afladir o quitar elernentos a la red > Buena repercusión de lOs fallos en el coinportamiento de la red si fallan nodos; mala

si falla el medio. > Los posibles flujos de inforrnación ipuede tansitar sin interferencias, y retardos

que pueden aparecer se yen influidaspor el acceso sh-nuhheo y los conflictos que esto genera.

> Red IIIbrida:

Es la mas usada para aplicaciones industriales ya que permite Ia cornbinación de las topologIas bus y estref ía para crear grandes redes que consisten en concertadores y miles de dispositivos iguales. Su configuraciOn es rnuy popular en las redes industriales Ethernet, Fieldbus Foundation, Device Net, Profibus y CAN, usando buses hibridos y topologla estrella dependiendo de la aplicación requerida

Las redes en topologIa HIbrida ofrecen las ventajas y desventajas de las topologlas de red Bus y Estrella, se puede configurar dicha red hIbrida para que al faf far un dispositivo no se saque a otro de servicio y se pueden adicionar o retirar segrnentos de red sin afectar algün nodo de la ya existente.

Anexo 4: Descripción protocolo Hart

Hart es un protocolo del tipo maestro I esciavo esto significa que un dispositivo de campo (esciavo) solo habla cuando el maestro le ordena hablar. El protocolo Hart puede ser usado en varios modos para comunicar informaciOn hacia y desde Jos instrumentos de campo inteligente y control central o sistemas de supervisiOn. Hart puede ser proporcionado hasta para dos maestros (primario y secundario) corno se muestra en la figura I . Esto pernlite a. Jos maestros secundarios Jnanejar a Jos coinunicadores para ser usa.dos sin interferir con las comunicaciones desde y hacia el maestro prinlario, como por ejemplo din sisteina de control I supervisiOn.

Afl8tog

2 thgdel updaIe&ec (typical)

Digital

Mutupte Mãters Up to 3000 m

- (Seine cable as today) '

Fig. ]: Hart puede ser utilizado con dos maestros.

El modo de comunicación Hart, comünrnente más empleado es el modo de comunicaciOn de información digital maestro / esciavo siniultáneamente con la transrnisiOn de señales de 4-20 mA corno se muestra en la figura 2. El protocolo permite las comunicaciones digitales con dispositivos de campo utilizando cualquiera de las dos configuraciones de redes de comunicaciOn, punto a punto y multipunto.

MASTER I SLAVE at POLL /RESPONSE

westav 94*"

___

REPLY MESSAGE 9?

ComunicaciOn Análoga-Digital O solo Digital

Señal Anâloga Ininterrumpida

El Esciava respondesoloalos requerimientos del Maestro

Tiempo de respuesta 50Dm seg. (2 valoreslseg.)

Fig. 2 : Comunicación Tipo Maestro I esclavo modo normal.

La figura 3 muestra el mornento culminante de una opcion de modo de cornunicación donde un solo dispositivo esciavo puede transrnitir continuarnente un mensaje 1-Tart estándar repetidarnente. Las velocidades de actualización rnás altas son posibies con este modo de cornunicación digital optativo y su uso normalmente esta restringido para topologias punto a punto.

"BURST' OR BROADCAST MODE

_ - - -

Corn unicaciOn Digital.

Transmsôn Continua de la Respuesla Solo1c%lada como PV.

Espacios entre Mensajes del Maestro par posibles. cam bias de Orden a Modo.

Tres a Cuatro actualizaciones porsegundo.

Fig. 3: Comunicación broadcast

Los ahorros de una instalación considerable se hacen posibles con Ia capacidad de conectar una red rnultipunto de Hart que perinite conectar dispositivos de campo im61tip1es al rnisrno par de cables. En aplicaciones multipunto, la cornunicación con los dispositivos de campo se restringe sOlo a modos digitales cuando el lazo de corriente es fijado en un valor rnínimo y pierde cualquier significado relativo a! proceso. Desde una perspectiva de instalaciOn, las seflales Hart son lievadas sobre Ia misma instalación eéctrica corno es tipicarnente usado por los instrurnentos analOgicos 4-20 mA convencionales. Como se podria esperar, la longitud del cable puede ser mucho más larga con cables individuales del tipo par trenzado apantallado, que los pares trenzados rnàltip!es con una pantalla global como se muestra en la figura 4. Para distancias cortas, pueden usarse cables apantallados. Hart es compatible con el uso de barreras de seguridad intrInsecas y aislantes tarnbién, para que Hart pueda ser usado con sehales en areas arriesgadas.

• Mismo tipo de cable.

Distancia Tipo Cable AWG/(rnm)

Par Trenz.

• Limitacianes de longitud. <124 Multiple con 24/ (0.2)

• Compatible con sistema (5000

protecciOn

Telett5nico para largas comun

Par Trenz. distancias. t,S24 2,040 COfl 20/(05)

(10,000 ft.) protecciOn

Fig. 4: Caracteristicas de ]as lIneas usadas en el protocolo HART.

El set de cornandos de Hart es organizado en tres grupos y proporciona acceso de lectura / escritura a interesante información adicional disponibie en los instrurnentos de campo inteligente que emplean esta tecnologIa. Los Cornandos universales deben ser implementados por todos los dispositivos Hart y deben proporcionar interoperabilidad a través del grande y creciente inercado de productos de diferentes proveedores que apoyan la tecnologia Hart. Los Cotiw.ndos universales proporcionan acceso a inforrnaciOn itti1 para el funcionamiento normal de la planta corno es el fabricante del instrumento, modelo, tag, nürnero de serie, descripción, rango, lirnites, y variables de proceso. Los Cornandos de práctica corn 6n proporcionan acceso a funciones que pueden ser flevadas a cabo por muchos dispositivos aunque no todos, y los Cornandos de Dispositivos Especificos proporcionan acceso a funciones que pueden ser iinicas para un dispositivo particular. La figura 5 rnuestra el tipo de inforrnaciOn que puede obtenerse de estos dispositivos. La integridad de la corn unicaciOn de Hart es rnuy segura como inforniaciOn de estado incluida con cada mensale y extendiendo Ia verificaciOn de errores que ocurran en cada transacciOn.

Corn andos Universales

Modelo Mensaies "mites del $nrun1ento Tag Fecha Mediciones del Proceso DesCripciOn Rango de Valores Estado de los Disposilivos

r"; 11 111 , 11111111111~ijq

441b. A&

Comandos Cornunes

Lectura de Variables CalibraciOn (Zero-Span) Test Inicial de Funciones NCimero de Serie Valores de las Constantes de tiempo

Corn andos Especificos del Lsposflivo

Funciones del Mod elo Stare Stop. 13o rrar SelecciOn de Variables Control rID, Loop Opciones de CalibraciOn Especial

Fig. 5: Cornandos Universales.

Hasta cuatro variables de proceso pueden ser ensriadas en un solo mensaje Hart y

cada dispositivo puede tener hasta 256 variables.

Lenguaje de DescripcIOn del Dispositivo (DDL), un reciente mejorarniento de la tecnologia, extiende Ia interoperabilidad a un nivel rnás alto proporcionada a través de los Cornandos de Práctica Cornün y Universales. Como se muestra en la figura 6, el DDL proporciona un disefio de un producto de un dispositivo de campo (esclavo) con los medios para crear una descripción completa de su instrumento y de todas ]as caracterIsticas pertinentes, tal que pueda hablar a cualquier dispositivo central que use el lenguaje. Esto es análogo a un driver de una impresora en ci mundo de los computadores personales que permite a una aplicaciOn hablar con una impresora para ver que es lo que se imprimirá en la pEmgina y si corresponde con Jo que esperaba Ia aplicación.

La Descnpcion del Dispositivo provee una imagen de todos los parámetros y funciones de ios dispositivos de campo en un lenguaje estandarizado.

Un dispositivo de campo

40 AP consta del hardware mãs un OD.

-

Fig. 6: Lenguaje de Descripción del Dispositivo (DDL).

Coniunicadores manuaies de tipo universal son capaces de configurar cualquier

instrurnento HART através del DDL.

> Modo de Operación

El protocolo HART opera utilizando el principio FSK, que está basado en Ia norma de cornunicación Bell 202. La señal digital es hecha a partir de Ia utilización de dos frecuencias una de 1200 Hertz y otra de 2200 Hertz, representando los bits I y 0 respectivarnente, corno lo muestra la figura 7.

Anaóga - Digital

apprDx4.5m# --- --- -------- ----- -

Señal 0 Analoa

apptL0.5rnA-------------- -----------------------

1200Hz 2200 Hr •1'

Fig. 7: Frecuencias representando los bits I y 0 lógicos.

Las ondas de sefial de estas frecuencias son sobrepuestas en cables de sefial análoga DC para asI logra tener comunicaciones sirnultáneas análoga y digital. Ya que el valor prornedio de una señal FSK es siempre cero, Ia sefial análoga de 4-20 mA no es afectada.

Esto produce una comunicaciOn simultánea con un tiempo de respuesta de aproxirnadarnente 500 mseg. pot cada dispositivo de campo, sin que sea interrumpida ninguna transmisión de sefiales análogas, que en esos momentos pueda estar realizándose.

1-lasta dos dispositivos rnaestros pueclen ser conectados par cada lazo. E) pri marl a generalmente es un sistema central o un PC, mientras que el secundario puede ser un terminal hand-held o un computador laptop. Un terminal hand-held estándar - Ilamado

Comunicador HART — es utilizado para realizar operaciones de campo constantes y posibles. Adernás las opciones de Ia red son proporcionadas por Jos gateways.

Modo de Operación Punto a punto

La figura 8 muestra un ejemplo del modo punto a punto. La sefial continua convencional 4-20 mA es usada para Ia transinisión análoga mientras medidas, ajustes y datos son transferidos digitalmente.

Las señales análogas permanecen sin ser afectadas y pueden ser utilizadas para control de una manera normal. Los datos tienen acceso para mantención, diagnóstico y otros datos de operación.

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vI

I

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--- .---. -------.- 4a

C 4

Fig.8: Modo de Operación Punto a PuI1IO.

• Modo de Operación Multi - IPunto

Este modo solo necesita un solo par de cables, y si se requiere barrasde seguridad y una fuente de alimentación auxiliar para casos que tengan hasta quince dispositivos de campo (ver figura 9).

La conexiOn multi - punto es particularmente utilizada para instalaciones de supervision que están ampliarnente distanciadas, como son tuberlas, estaciones de alimentación y tanques de cultivo.

Production mersgecnent eve1

r x £ MA

ITILJJ e2o2-

HART

- EJisoatc c3c#e

Process management level

uu 20,

£ '4 PD pH . -.

VN

t ' itvVc - ? •'

Fig. 9: Modo de Operación Multi - punto.

Los instrurnentos Hart pueden ser usados en otros modos. En operaciones punto a punto, los dispositivos de campo tienen dirección 0, colocando ]as salidas de corriente a 4-20 mA. En modo multi-punto, todas ]as direcciones de los dispositivos son mayores de cero y cada dispositivo coloca su salida de corriente en 4 mA. Para este modo de operación, los controladores e indicadores pueden ser equipados con un modem Hart. Los dispositivos Hart pueden cornunicarse usando una linea telefónica. En esta situaciOn solo una fuente de alinientación local es necesaria para el dispositivo de campo y el maestro puede estar situado a varios kilOmetros. Sin embargo en muchos paises europeos no están permitidas as señales Be)) 202 para ser usadas con los carrier nacionales por lo que los prod uctos Hart

no pueden ser utilizados de esta manera.

Cualquier nümero de dispositivos de campo pueden ser operados mediante el uso de una lInea telefOnica, ya que están a largas distancias, son alimentados individualmente con fuentes de aliinentaciOn auxiliar, independiente del tipo de comunicación. Si solo una fuente de alinientaciOn es utilizada para todos los dispositivos de campo, él numero de dispositivos se limita a solo quince.

Uso en TelefonIa

Las redes telefOnicas, están diseñadas para poder transportar Ia voz hurnana en un ancho de banda lirnitado. Los circuitos para voz, en teléfonos y en lineas, operan entre los 300 Hz a 3 KHz como se muestra en la figura 10. Como se puede ver las señales digitales Hart, caen dentro de la banda de voz telefónica. Como resultado, Hart puede transinitir seflales digitales, por rnedio de cualquier circuito de voz de alta calidad.

Fit. 10: Banda de Frecuencia Telefónica.

Esto es rnuy diferente a los Buses de campo y a muchos protocolos de red. Eslos protocolos usan señales de onda cuadrada de altas frecuencias. Las señales de onda cuadrada tienen muchas componentes en frecuencia, que cornienzan con una frecuencia de onda cuadrada y van aumentando. En Ia rnayorIa de los casos, estas coniponenies de frecuencia son mucho más alias que los 3 KHz y no pueden transrnilirse directamente por rnedio de circuitos de voz.

> Supervision Remota y Adquisición de Datos

La supervisiOn remota y los requisitos para Ia adquisiciOn de datos varlan considerabi emente. Las consideraciones rnás tIpicas mci uyen:

• El volurnen de los datos a ser recolectados. • El tiempo de actualización de los datos. • La distancia y e] area geográfica de cobertura. • Las acciones de control que deben adatarse.

Estos atributos, a su vez, dctan las opciones de los medios de cornunicación, arquitectura del sistema, procesamiento y capacidad de almacenamiento. Como resultado, existe un gran nümero de soluciones SCADA disponibles que encajan con las diferentes aplicaciones, cada una con sus propias combinaciones de estos atributos. Hay un nümero sustancial de aplicaciones para supervision, que requieren actualizaciones relativarnente lentas pero que sin embargo cubren una area geográfica bastante amplia. Un ejemplo de ello son las tuberlas de gas. En estos casos los sistemas HART juegan un papel importante al solucionar los problernas de supervision y mantenciOn.

> Sistema de SupervisiOn basado en Hart

La figura 11, muestra un diagrama simplificado de un sistema de supervision que utiliza Protocolo HART. El sistema esta constituido por:

• Un sisterna Central. • Una conexiOn via Modem para el uso de la Red Telefónica de uso Piiblico (PSTN) • La Red PSTN proporciona conexiOn para una linea de servicio privada Bell 3002. • Supervision reinota del lugar.

• Sistema Central.

El sisterna central supervisa, los archivos y despliega los datos de la red. Este sistema actiia como el sistema Hart central emitiendo ordenes Hart y procesando los datos contenidos en las respuestas provenientes de los diferentes dispositivos de campo del sistenia. Este Hart central es tIpicamente un PC compuesto con un sisterna operativo MS-DOS, aunque el Hart central siniplemente solo sea una entrada a un sisterna de supervision mas grande. Por ejemplo existen multiplexores Hart que pueden residir en una red Modbus 0 en otras vIas de datos. Existen además, Enlaces Dinárnicos con Bibliotecas MS-Windows, disponibles para permitir el acceso de Hart a muchos paquetes de sofiware populares.

I -I ?t

LOS

AAMENO LHIsd Un, modem

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Date Station TeninatMin5 mid I 41

t,Mb 44Yt. U

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Fig. 11: Sistema de Supervision basado en la utilizaciOn del protocolo HART

• SelecciOn del Modem

La se!ección de un modern para unir la PSTN es un aspecto importante del sistema. Al evaluar los modern Bell 202 se descubre que el funcionamiento del portador es critico. El circuito portador descubre que hay un retraso en el retorno de alrededor de 30 milisegundOs. Los siguientes modern son los usados con rnás frecuencia:

-Racal -Vadic "VA1251". - Universal Data Systems "UDS202T"

Red Telefónica

Las telecornunicaciones juegan un papel importante en cualquier esquerna de supervisiOn rernota. Ya sea via radio, satélite, o una linea terrestre, el enlace de cornunicaciOn, es un camino vital para la telernetrIa. En muchos casos una Ilnea terrestre proporcionada por la cornpañia de teléfonos es el rnedio de cornunicaciOn rnás comiLin.

Corno se discutiO anteriormente, la cornunicaciOn digital HART es una señal rnodulada que cae directarnente dentro de Ia banda de frecuencia usada por circuitos de voz para teléfono y, está basada en la norma Bell 202, por lo tanto pueden transniitirse señales HART fácilrnente sobre una Ilnea privada Bell 3002, arrendada en los Estados Unidos. Usando lineas Bell 3002 arrendadas se tiene la ventaja que la cornpañIa de teléfonos es responsable de Ia arnp]ificaciOn y caiidad de ]as seaJes. Esto aseiira una transrnisiOn fiable de ]as señales de cornunicación digital HART para largas distancias.

Para motivos de diseflo ]as redes teiefónicas pueden visualizarse corno Si fuesen una nube. El circuito entra en el PSTN, y en algiin lugar de la linea es ruteado por la cornpañIa de teléfonos a través de sus redes y entonces ci circuito reaparece en otro lugar.

Otro aspecto importante de Hart, es que habilita esta arquitectura para la organización de transferencias entre Maestros y Esciavos. Un Maestro Hart tiene reglas muy especificas que se deben se it at ingresar y at hacerse parte de Ia red Hart. Esto permite que las aplicaciones del esclavo sean relativarnente simples. Una transferencia tIpica ocurre de Ia siguiente manera:

o En el momento apropiado un maestro, envIa una Orden.

. El esciavo supervisa la red y revisa sus 38 bits de dirección y responde.

. El maestro abandona la red para proporcionar ci acceso a otro Maestro.

Desde que Hart usa tramas largas de 38 bit de dirección, cada esciavo tiene la seguridad de tener una dirección &nica en Ia red. Esto elimina Ia posibilidad de que se produzcan colisiones en la red.

Este aspecto de los Maestros y Esclavos permite que los dispositivos de campo sean del tipo rnu]tidrop, sin Ia necesida.d de instalaciones eléctricas adicionaies o dispositivos de cornunicación

Estaciones Remotas Multiples

La figura 12, se construyó basándose en ci diagrarna simplificado de Ia red mostrada en la figura II, esta muestra estaciones rniitip!es proporcionadas con una sola conexión central y qna linea teiefónica arrendada. Las cornpafiIas de teléfono tienen la capacidad de pennitir Ia conexión a una linea arrendada en lugares geogrãficos extensarnente separados.

Otto beneficio de construcción bajo ta norma Belt 202, es que tiene una infraestructura mucho rnás amplia y esto permite ofrecer otras aiternativas 6tiles. Las cornpañias de teléfono pueden proporcionar puentes hacia otras lineas. Estos puentes, que pro porciona la corn pafIa de t&éfonos perrniten rntzltipes pwltos de cortexón fuera de la linea arrendada. Corno resultado, ci niirnero de estaciones rernotas y ci nürnero de dispositivos queda lirnitado por ci estado de la actualizaciOn. Por ejemplo, una red con veinte dispositivos , podria actualizarse aproximadaniente seis veces por minuto.

Fig. 12: Asistencia a más de una estación remota.

SupervisiOn de Estaciones remotas

Como el resto de la supervision de la red, la supervision de cada estación remota es relativamente simple. La figura 13, muestra un diagrama en bloques de la supervision de una estaciOn remota. Cada sitio esta constituido por:

• Una estaciOn de acoplamiento. • Una fuente de poder o a)irnentación. • Una resistencia. • Uno o más dispositivos de campo Hart.

Puesto que se usan dispositivos de campo Hart no hay necesidad de utilizar electrOnica extra (corno el uso de modern) en ]as supervisiones de estaciones rernotas. La comunicaciOn digital se hace en forma directa con los dispositivos de campo Hart.

La estaciOn de acoplarniento es proporcionada por Ia compafila de teléfonos. Está, constituido básicarnente pot, un transformador (1:1) aislado para conexión con la PSTN.

Esto exige además aislar la linea telefónica de la estación que está siendo supervisada. En agunos casos, la cornpañIa de te)éfonos puede exigir tin rnóduo de EstaciOn Terminal de Datos (DST) por ejeniplo ci Teliabs 4416e. El DST se usa para

localizar amplitudes de señales finas y asegurar que estas señales que son puestas en la

linea telefónica estén balanceadas.

Fig. 13: Supervision de una EstaciOn Remota.

Los dispositivos de campo HART transmiten una señal en corriente (± 0.5 mA). La

resistencia se usa para convertir Ia corriente en el voltaje que necesita la linea principal, en

este caso, la linea arrendada. El condensador de 5p.F se usa para bloquear la sepia] DC de la

estación de acoplamiento.

Los 24 VDC se usan para alinientar los dispositivos de campo [-[art y el rnódulo de

DST (si se requiere). Cuando se ponen dispositivos de campo Hart en modo multidrop, el

consumo de corriente del dispositivo de campo es colocado en minimo. Para Ia rnayoria de

los dispositivos éste mini -no corresponde a 4 mA. Como resultado, en rnuchos casos, una

fuente de poder substancialmente más pequefia puede usarse.

Debido a que 'las estaciones de supervision, normalmente estarán en ubicadas en

'lugares remotos y expuestas a ]as condiciones rnedio - ambientales, un buen diseflo para

supresión de transientes debe emplearse. Un solo supresor de transiente que filtre la linea

de alinientaciOn y la linea telefónica es necesaria.

Iecomendaciones Mecãnicas

En aplicaciones corno supervision de tuberlas de gas, la instalaciOn necesita ser a

prueba de explosiones o de otros fenOmenos. Esto puede implernentarse fácilrnente como

se muestra en Ia figura 14. En esta situación los componentes no se aprobaron para un

arnbiente a prueba de explosiOn (por ejemplo la fuente de poder, Ia estación de

acoplamiento, la resistencia) por lo tanto se dehen montar en gahinetes aparte. Los

dispositivos de campo HART se deben inontar en un gabinete aparte. La distancia entre los

dos gabinetes (L) se seleccionara basándose en los códigos aplicables. La ünica conexión

entre los dos gabinetes será solo un cable par trenzado exigido para la cornunicación y Ia

alimentación delos dispositivos de campo HART.

Fig. 14: Esquema Mecánico

Condiciones de operación

El estándar Hart requiere tres resistencias para impedir las interferencias en las ilneas de acuerdo con las normas IEC 801-3 y 4. Estas normas satisfacen los requisitos generales para resistencia al ruido.

Al conectar o desconectar a algiiin usuario, o cada vez que se produzca una interrupción en las comunicaciones, esta no interferirá con las transmisiones entre las otras unidades.

Las aplica.ciones que requieran seguridad intrinseca inerecen una menciOn especial. Barras o aisladores pueden ser capaces de transmitir las frecuencias Bell 202 en ambas direcciones . Como se puede apreciar en el modo multi - drop tarnbién es posible interconectar dispositivos de campo de acuerdo a la norma DIN VDE 0165.

> Recomendaciones de Hardware

Tabla I Tipo de Conexión y Limitaciones de Longitud.

Distancia Tipo Area minima del

(metros) de Linea Conductor AWGJ(mm2)

Cable bifliar rn61tip1e, <= 1500 trenzado, con pantalla 24/0.2

comün.

>1500 Un solo cable bifilar, <= 3000 trenzado, apantallado 20/0.5

La siguiente regla permite determinar Ia maxima longitud de la linea para una

aplicacion particular, tornada de ]as restricciones que tiene la señal:

Longitud de [a Linea = 65* 10

6_ (C +10000)

R*C C

Donde:

R = Resistencia en ohms, resistencia conectada a] plus interno de Ia barralaislante.

C = Capacida de la Ilnea en pF/m. Cf= Capacidadrnáxima interna para unidades de campo inteligentes en pF.

Para aplicaciones que incluyan el uso de seguridad intrinseca esta regla puede tener algunas

restricciones.

Anexo 5 Descripción de los Servicios FMS.

Desde el punto de vista de la aplicación del proceso, ci sistema de comunicación es un suministrador de servicio el cual ofrece varios servicios de aplicacion, ci servicio FMS.

La ejecución de los servicios está descrita por servicios primarios. Un servicio primario representa una interacción entre el solicitante y el encargado de responder. La figura 1.1 , muestra un sumario de los servicios de PROFIBUS FMS.

Cantøxt tAa9mrtt I Iri1e 1

I '°' r ¼1FD Su t pper I Ten b-P-OV I

] UoIdSIsus

-

Varjaiie Accs Red Fz e.P1thtpe VVfl:e VleevvLiTpe Phyr&Rd

lrivfl tiofltport

Projani4 vivo catioui Maerncni* DoIctcVrkibLit CreeP rogrtn Invocation

- - 1 rcxxram

start. Slop. eume. Reset, Kill

Eiaut Man Zg a in ani oiii ciort E ,crlN aCictWl)Typc

Pcknovi1cdçjcE cn1ot ificoiion ( inain Maria gement I lntiat owegurica

I Terni ilCD ovri Ia. dS'qt Oirth I

kTh ieteljpro e.dSaqUer*c ili b. jpportcJ I UploodScçiucrit

Len'nia*eU pI.adSeCV.ienc&

Ths lq,ctiWb imffuFflhicr *mr4A==.-m I Na-,&p4actftedb pgø-ral. IL RequestDorn nDo,ui load

equest9D-ornn4PpIo8d

Fig. 1.1: Sumario de los servicios PROFIBUS FMS

Solo se penniten servicios confirmados en relaciones de cornunicación orientadas a Ia conexión.

La secuencia de ejecuciOn de un servicio confirmado es mostrada en Ia figura 1.2:

Los servicios sin confirmación podrán ser usados en relaciones de cornunicación del tipo desconectado (Broadcast, Multicast). Ellos pueden set transferidos con prioridades altas o bajas. Un servicio sin confirrnaciOn es invocado con un "requerirniento de servicio prirnario't. Después de Ia transrnisión al bus, se emite al (los) usuario(s) una tindicación de servicio prirnario' cr1 ci ()os) receptor (es). En los servicios sin con firrnacián se ornite la "eonfirmación de respuesta de servicio prirnario".

S cry ce requester (client)

ALpti catiofl

I. skesweatt FkCwCxwVCw* ds Irt2

BUS

2.. *giiaitflt 3

I' .A4 .''4PW C Ok

4 y•, .4 . .

Service responder (Serve"

Fig. 1.2 : F jecución de un servicio de P.ROFIBUS FMS confirmado

Los servicios FMS están divididos en los siguientes grupos:

> Servicio de Administración de Contexto (Context Management Service): Permite el estabiecimiento y liberación de las conexiones lógicas asI como el rechazo de los servicios inadmisibles.

> Servicio de Acceso de Variable (Variable Access Service): Permite ci acceso a variables sencillas, registros, arreglos y lista de variables.

> Servicio de Administración de Dominio (Domain Management Service): Permite la transmisión de extensas areas de memoria. La aplicación divide la data en segmentos para transmisión.

> Servicio de Administración de Invocación de Programas (Program Invocation Management Service): Permite el control de la ejecución de un programa.

> Servicio de Administración de Eventos (Event Management Service): Hace posible la transmisión de mensajes de alarma. Este servicio sin confirmación puede ser utilizado con prioridades aita y baja. El mensaje de eventos puede ser transmitido en relación de comunicación del tipo Broadcast o Multicast.

> Servicio de Soporte de VFD (VFD Support Service). Permite ci reporte de estado y la identificación del dispositivo. Pueden ser transmitidos reportes de estado sin solicitud a iniciativa del dispositivo involucrado en la reiación Broadcast o Multicast.

> Servicio de Administración de Diccionario de Objetos (OD Management Service). Permite la lectura o escritura del diccionario de objetos.

El gran nümero de posibles servicios de aplicación PROFIBUS FMS sirve para cumplir los variados requerimientos de comunicación de los dispositivos de campo. Solo una pequeña parte de los servicios de aplicación son mandatarios en la Impiementación. La selección de más servicios depende de la aplicación especIfica y es Ilamado especificamente "perfi I" (profile).

Modelo de ComunicaciOn.

Una aplicación incluye todos los prograrnas, recursos y tareas que no son asignados a una capa de comunicación. El modelo de cornunicaciOn PROFIIBUS permite la unificación de aplicaciones de proceso distribuidas a un proceso cornilin, utilizando relaciones de cornunicación. La parte de una aplicación del proceso en un dispositivo de campo que se puede cornunicar, es llarnada dispositivo virtual de campo (VFD - Virtual Field Device). Todos los objetos de un dispositivo real que pueden serintercomunicados (variables, pro granias, tangos de datos) son liarnados objetos de corn unicación. Ellos son parte de un VFD en el modelo de cornunicación PROFIBTJS, el rnapeo de las funciones de VFD en ci dispositivo real es provista por la interfaz de Ia capa de aplicaciOn (ALl -

Aplication LayerInterface). La figura 1.3 muestra la relación entre el dispositivo de campo real y el dispositivo de cainpo virtual. En este ejemplo, solo las variables de presión, nivel y temperatura, que son parte del VDF, pueden ser leidas o escritas via ambas relaciones de cornunicación.

• Real ffe1d deIc

ihfl Lrue ILJE2J

sial td dic (VFO) ) '

Fatze

F1i4irdwt1

VrrD

Fk1dz

I cf 2 Data1t

MWO

Ii*. Okrt O$i owns twrw

26 m I 4711 FXIM 21 VAR 6 9T.%H flafte re 22 W.P I it ftrdlAtim

7i8

\ / I \

/ urø3Ida*'\ btDrccmcns

Fig. 1 .3 : Dispositivo Virtual de Campo (VFD) con Diccionado de Objetos (OD).

> Lista de Relaciones de Comunicación (CRL, Comunicación Relationship List)

Todas Las relaciones de comunicación de un dispositivo PROFIBUS FMS deben ser incluidas en ci CRL. El CRL contiene su descripción. Para estaciones sencillas esta es predefinida por ci fabricante. En caso contrario, el CRL es configurado y cargado por los servicios de administración de la red, bien sea en forma local o remota via PROFIBUS.

Una aplicación direcciona una relación de comunicación con una referencia de comunicación corta, Ilamada referencia de comunicación (CREF, Comunication REFerence)

Desde el punto de vista PROFIBUS, una relación de comunicación es direccionada con la dirección de la estación, ci servicio de punto de acceso a la capa (2) y el servicio de punto de acceso al LLI.

El CRL describe la asignación entre las referencias de coniunicación y ci direccionamiento del servicio de acceso al punto de la capa (2) y ci LLI. Además, para cada CREF son definidos especIficamente ci contexto de comunicación (selección del servicio, longitud del mensaje, etc.) y el mecanismo de monitoreo de la conexión.

> Administración de la Red.

En suma a los servicios FMS, PROFIBUS FMS inciuye definiciones para la administración de la red (Administración de la capa (7) del bus de campo, "FMA7, Fieldbus Management layer 7). Las mismas están definidas en La norma DIN 19245 parte 2. FMA7 está adaptada a los requerimientos del bus de campo y particularmente permite la configuración central independiente del fabricante, ci comisionamiento y ci mantenimiento del sistema del bus.

Los servicios FMA7 pueden ser inicializados en forma local o remota. Los servicios y modelos permiten a las estaciones sencillas ilevar a cabo una implementación completa de la funcionaiidad de FMA7. FMA7 utiliza las funciones de las capas 1 y 2 y LLI. La figura 1.4 , representa un sumario de los servicios FMA7.

AOMIH ISTRAOOR COHTX1O

FMAI - luiclo FMA.7 - Aborto (tO remoto)

ADMIN S1RADOR lALLA

øest (repoci6,O Evento

Fig. 1.4: Surnario de servicios FMA7

El serviclo de adrninistración de contexto permite establecer y liberar la adrninistración de las conexiones. Los servicios de adrninistración de configuración permite cargar o leer el CRL. El tarnbién permite el acceso a variables, contadores estadIsticos y paránletros de las capas I y 2, identificación de componentes de cornunicación de las estaciones y registro de las estaciones. El servicio de administrador de fallas indica fallas, eventos y permite Ia reposiciOn de estaciones.

La definición de un administrador de conexión por defecto (Default) hace posible un acceso estandarizado de las estaciones PROFIBUS pata configuraciôn o dagnôstico de los dispositivos. Cualquier estación que soporte funciones FMA7 como un encargado de respuesta debe tener un administrador de conexión por defecto con CREFl.

Anexo 6 Certificación de dispositivos

La norma PROFIBUS EN 50170 es la base, que permite que los dispositivos se puedan comunicar entre sI. Cuando la especificación de los dispositivos es muy compleja se requiere medir una conviccion de calidad extensa, la Organización de Usuarios de PROFIBUS (PNO), ha establecido un procedimiento de certificación bajo ci cual se emiten certificados basados en los informes de prueba de laboratorios acreditados. Cuando un dispositivo es probado y cumple con todas las normas, es incluido en el sistema de interoperabilidad del laboratorio de prueba para que en el futuro pueda probarse si existe interoperabilidad con otros dispositivos.

La meta de eSta certificación es proporcionar convicción a los usuarios, para cuando utilicen dispositivos de diferentes fabricantes en la misma red todos los dispositivos operen correctamente. Esto se logra real izando una prueba de dispositivo extensa en los laboratorios de prueba. Errores debido a la mala interpretación de la norma, son descubiertos por ingenieros de desarrollo y son corregidos antes que ci dispositivo se utilice en aplicaciones reales. La Interoperabilidad del dispositivo con otros dispositivos certificados, también es puesta a prueba. Es importante que la prueba del dispositivo sea realizada pot expertos. Después de que estas pruebas sean realizadas, se puede solicitar un certificado de la PNO.

La certificación está basada en la norma EN 45000. Como se especificó en esta norma, la PNO ha acreditado laboratorios de prueba como sitios de comprobación neutral que son de fabricantes independientes. Este es ci principio subyacente de certificación. Sc defiñeii pruebas y procedirnientos de certificación en ]as pautas de PROFIBUS (DP trabaja como tin esciaVo: 2.032 y DP maestro: 2.072).

Se definen procedimientos de prueba diferentes para FMS y DP que dependen de la compiejidad dci protocolo. El procedimiento de certificación que utiliza un dispositivo DP como ejemplo se describe en la figura 2.1:

Each device type

Test in the test lab

M. OK?

Yes

Certification by the

PROFIBUS User Organization

Fig. 2.1: Procedimiento de certificación que utiliza un dispositivo.

Antes de la prueba, el fabricante debe solicitar un n6mero de identificación de la PNO y debe preparar un archivo GSD regularizado para el dispositivo. Todos afirman que los laboratorios usan un procedimiento de comprobación uniforme. La prueba se documenta en detalle. El informe de prueba está disponible al fabricante y a la PNO como base para emitir el certificado.

La prueba del hardware examina, la electrónica de La interfaz de PROFIBUS. La interfaz se verifica para compiacencia con La especificación RS-485. Se prueban las caracterIsticas eléctricas (por ejemplo terminales resistivos, interface del bus y nivei de la ilnea). Además, se verifica La documentación técnica del archivo GSD con los parámetros del dispositivo.

La prueba de la función examina el acceso al bus y ci protocolo de La transmisión y la funcionalidad del dispositivo. El GSD es usado para parametrizar y adaptar el sistema de prueba. El procedimiento de prueba utiliza una caja negra. Este procedimiento no requiere ningán conocirniento de la estructura interior de la apiicación. Pueden supervisarse las reacciones generadas por el dispositivo bajo prueba en el bus y puede grabarse via el amonestador del bus.

Si es necesario, también se supervisan los rendimientos del dispositivo y se graban. Durante pruebas sucesivas que se dedican a las relaciones de tiempo en el bus y prueba personal de los datos grabados, se analizan y comparan con valores normales.

La prueba de conformidad es la parte principal de la prueba. La aplicación protocolar se verifica para conformidad con la norma de PROFIBUS. La conducta deseada se combina en sucesiones de prueba que pueden adaptarse at dispositivo bajo prueba. La conducta real se analiza y se compara con la conducta deseada, y los resultados se graban en un archivo protocolar.

s' Comportamiento en caso de falla: Fallas del bus son simuladas, por ejemplo interrupción en el bus, corto circuito de la Ilnea del bus y falla de voltaje de alimentación.

" Direccionamiento: El dispositivo se dirige bajo cualquiera de las tres direcciones dentro del rango de dirección y se prueba para una funcionalidad correcta.

v' Datos de Diagnóstico: Los datos de diagnóstico deben corresponder a la entrada del GSD y a la norma. Esto requiere que el diagnóstico sea activado extemamente.

sf Funcionamiento de Mezclado: Se verifican esclavos de combinación para el funcionamiento con FMS y maestro DP.

Durante la interoperabilidad y prueba de carga, con dispositivos PROFIBUS de otros vendedores se prueba en un ambiente de multi - proveedor. Un chequeo determina si la funcionalidad del sistema total, continuará siendo mantenida, cuando el dispositivo se agregue al sistema. Además, el funcionamiento S€ prueba con varios maestros. Los EMC prueban que la prueba fue realizada por el laboratorio de comprobación o por el proveedor. Si fue realizado por el proveedor, el proveedor debe emitir un informe de prueba de prototipo al laboratorio de prueba, que confirma que ci dispositivo reine todos los requisitos. La prueba se realiza con velocidad maxima de transmisión y ha incluido las siguientes pruebas.

V' Interferencia en la linea de suministro: IEC 801-4 complacencia con un mInimo de 2 kv.

" Interferencia en la lInea de seflal: IEC 801-4 complacencia con un mInimo de I kv.

v' Interferencia contra descargas de estática: Todos parten del dispositivo at que el operador tiene acceso, se prueba para complacencia con IEC 801-2 con un mInimo de4kv.

Después que un dispositivo ha pasado todo el set de pruebas, el vendedor puede

solicitar un certificado de la PNO. Cada dispositivo certificado recibe un nimero de

certificación como referencia. El certificado es válido durante tres afios y se verifica a

intervalos regulares.

Anexo 7: Modos de transmisión serial en una red Modbus

Los controladores pueden ser seteados para comunicarse en redes Modbus estándar utilizando cualquiera de estos dos modos de transmisión: ASCII o RTU. Los usuarios seleccionan el modo deseado, junto a los parámetros del puerto de comunicación serial (velocidad de baudio, modo de paridad, etc.), durante la configuracion de cada controlador. El modo y los parámetros seriales deben ser iguales para todos los dispositivos en una red Modbus.

. Modo ASCII

Cuando los controladores son seteados para comunicarse en una red Modbus usando modo ASCII (Código Estándar Americano para Intercambio de Información), cada octeto de bits en un mensaje es enviado como dos caracteres ASCII. La ventaja principal de este modo es que permite intervalos de tiempo de hasta un segundo entre caracteres sin causar errores.

Sistema de Codificación

4) Hexadecimal, Caracteres ASCII 0... 9, A... F

•) Un carácter hexadecimal contenido en cada carácter ASCII del mensaje

Bits por cada Byte

•:• I bits de Inicio

) 7 bits de datos, ci bits más significativo se envIa primero

• 1 bits por cada / bits impar casual y por imparidad

•) I bits de parada si la paridad usada son 2 bits si hay imparidad

Campo de Verificación de Error

•. Verificacióri de Redundancia Longitudinal (LRC)

ModoRTU

Cuando los controladores son seteados para comunicarse en una red Modbus que usa modo RTU (Unidad Terminal Remota), cada octeto de ocho bits en un mensaje contiene dos caracteres hexadecimales de cuatro bits cada uno. La ventaja principal de este modo es su gran densidad de caracteres que permite ci throughput de datos ASCII para ia misma velocidad de baudio. Cada mensaje debe transmitirse en un Ilujo continuo.

Sistema de Codificación

•:• Ocho bits binarios, hexadecimal 0... 9, A... F

+ Dos caracteres hexadecimales contenidos en cada campo de ocho bits del mensaje

Bits por cada Byte

+ I bits de Inicio

+ 8 bits de datos, ci bits más significativo se envIa primero

+ I bits por cada / bits impar casual por imparidad

•. 1 bits de parada si la paridad usada es 2 bits si no hay paridad

Campo de Verificación de Error

•• Verificación de Redundancia CIclica (CRC)

Anexo 8: Trama del mensaje Modbus

> Trama ASCII

En modo ASCII, los mensajes comienzan con un carácter (:) "Colon" (ASCII 3A hex), y termina con un portador de regreso de Ilnea alimentado (CRLF) par (ASCII OD y OA hex). Los caracteres aceptados para ser transmitidos por todos los otros campos son hexadecimales 0... 9, A... F. Los dispositivos conectados a la red supervisan el bus de la red continuamente por el carácter Colon. Cuando uno es recibido, cada dispositivo descodifica el prOximo campo (el campo de dirección) para averiguar si es el dispositivo con la dirección correcta. Los intervalos pueden ser de hasta de un segundo entre caracteres dentro del mensaje. Si un intervalo de mayor duración ocurre, ci dispositivo receptor asume que un error ha ocurrido. Una trama tIpica de un mensaje se muestra a continuación.

Tabla 5.1: Trama de un Mensaje ASCII.

START ADDRESS FUNCTION DATA LRC END CHECK

1 Char 2 Chars 2 Chars n Chars 2 Chars 2 Chars

________

CRLF

ExcepciOn

Con los controladores 584 y 984A1B/X, un mensaje ASCII puede terminar normalmente después del campo LRC sin que los caracteres de CRLF comienzan a enviarse. Un intervalo de por lo menos un segundo debe ocurrir entonces. Si esto sucede, ci controlador asumirá que ci mensaje normalmente terminO.

> Trama RTU

En el modo RTU, los mensajes se inician con un intervalo silencioso de por to menos 3.5 caracteres de tiempo. Esto es implementado fáciimente como un máltiplo de

caracteres de tiempos con una velocidad de baudio que está comenzando a usarse en la red

(mostrados como TI-T2-T3-T4 en la siguiente figura) El primer campo entonces

transmitido es la dirección del dispositivo. Los caracteres aceptados para ser transmitidos a

todos los campos son hexadecimales 0... 9, A... F. Los dispositivos conectados a una red

supervisan ci bus de la red continuamente, inciuyendo los intervalos silenciosos. Cuando el

primer campo (el campo de dirección) se recibe, cada dispositivo to descifra para averiguar

cual es el dispositivo at cual está dirigido.

Siguiendo el ültimo carácter transmitido, un intervalo similar de por to menos 3.5 caracteres de tiempo, marca el término del mensaje. Un nuevo mensaje puede empezar

después de este intervalo.

La trama del mensaje completo debe transmitirse como un flujo continuo. Si un

intervalo silencioso de más de 1.5 caracteres de tiempo ocurre antes de la realización de la

trama, el dispositivo receptor vacIa ci mensaje incompleto y asume que ci próximo byte

será del campo de direcciOn de un nuevo mensaje.

Similarmente, si Ufl nuevo mensaje comienza antes de 3.5 caracteres de tiempo

siguiendo el mensaje anterior, ci dispositivo receptor to considerará coma una continuación

del mensaje anterior. Esto será seteado como un error, en el valor final del campo CRC,

esto no será válido para los mensajes combinados. Una trama tIpica de un mensaje se

muestra a continuación.

Tabla 5.2: Trama de un Mensaje RTU.

START ADDRESS FUNCTION DATA CRC CHECK

END

T1-T2-T3-T4 8 Bits 8 Bits n * 8 Bits 16 Bits T1-T2-T3-T4

> Manejo del Campo de Dirección

El campo de dirección de una trama de mensajes contiene dos caracteres (ASCII) u ocho bits (RTU). Las direcciones de los dispositivos esciavos, válidas están en el rango de 0... 247 decimal. Los dispositivos esclavos individuales se asignan con direcciones en el rango de 1... 247. Un maestro direcciona a un esclavo colocando la dirección del esclavo en el campo de direcciones del mensaje. Cuando el esclavo envia su respuesta, coloca su propia dirección en este campo de dirección de la respuesta para permitir al maestro saber qué esclavo está respond iendo.

La dirección 0 se usa para direccionar una transmisión broadcast, que todos los esciavos reconocen. Cuando el protocolo Modbus se usa en redes de nivel superior, no se permiten transmisiones broadcast o pueden ser reemplazadas por otros métodos. Por ejemplo, Modbus Plus utiliza un banco de datos general compartida que puede ser actualizada con cada rotación del Token.

> Manejo del Campo de Funciones

El código del campo de funciones de una trama de mensaje contiene dos caracteres (ASCII) u ocho bits (RTU). Los códigos válidos están en el rango de 1... 255 decimal. De éstos, algunos codigos son aplicabies a todos los controladores Modicon, mientras que aigunos códigos solo se pueden aplicar a ciertos modelos, y otros son reservados para su uso futuro.

Cuando un mensaje es enviado de un maestro a un esclavo ci código del campo de funciones le dice qué tipo de acción debe realizar el esclavo. Los ejemplos pueden ser leIdos en estado ON / OFF de un grupo de rollos discretos o entradas; para leer los contenidos de los datos de un grupo de registros; para leer el estado de diagnóstico del esclavo; para escribir a rollos o registros designados; o para permitir cargar, grabar, o verificar ci programa dentro del esclavo.

Cuando el esclavo responde at maestro, este usa ci codigo del campo de funciones para indicar una respuesta normal (libre de errores) o para indicar que algán tipo de error ocurrió (respuesta de excepción). Para una respuesta normal, ci esclavo simplemente repite ci cOdigo de la función original. Para una respuesta de excepción, ci esclavo devuelve un código que es equivalente at codigo de la función original con un bit más significativo seteado como un 1 iógico.

Por ejemplo, un mensaje de maestro a esciavo que indique que este debe leer el contenido de un grupo de registros deberIa tener el siguiente codigo de función:

0000 0011 (Hexadecimal 03)

Si ci esciavo toma la acción pedida sin error, devuelve el mismo código en su respuesta. Si una excepción ocurre, este devolverá el siguiente código:

1000 0011 (Hexadecimal 83)

Además de esta modificación del codigo de función para una respuesta de excepción, ci esciavo pone un ünico código en el campo de datos del mensaje de respuesta. Esto le dice al maestro qué tipo de error ocurrió, o la razón de la excepción.

El programa de aplicación del maestro tiene la responsabilidad de manejar ]as respuestas de cxcepción. Los procesos tIpicos son anunciar reintentos subsecucntes del mensaje, probar mensajes de diagnóstico al esciavo, y para notificar a los operadores.

> Contenido del Campo de Datos

El campo de datos está construido usando sets de dos dIgitos hexadecimales, en ci rango de 00 a FF hexadecimal. Estos pueden realizarse con un par de caracteres ASCII, o de un carácter RTU, segán ci modo de transmisión serial de Ia red.

El campo de datos de los mensajes enviados desde an maestro a un esciavo contiene información adicional que ci esciavo debe utilizar para tomar la acción definida por ci código de función. Esto puede incluir Items como direcciones discretas y de registros, la cantidad de Items manejados, y la cuenta de bytes de datos actuales en ci campo.

Por ejempio, si ci maestro pide a an esciavo que lea ci contenido de un grupo de registros (función código 03), ci campo de datos especificara ci registro de inicio y cuántos registros mas serán leldos. Si ci maestro escribe a un grupo de registros en ci esclavo (código de función 10 hexadecimal), ci campo de datos especificara ci registro de inicio, cuántos registros mas podrá escribir, la cuenta de los bytes de datos para seguir en ci campo de datos, y los datos a ser escritos en los registros.

Si no ocurre ningiTh error, ci campo de datos de una respuesta de un esciavo a un maestro contiene los datos pedidos. Si un error ocurre, ci campo contiene un código de excepción que la aplicación del maestro puede usar para determinar la próxima acción ha ser tomada.

El campo de datos puede ser inexistente (de cero longitud) en ciertos tipos de mensajes. Por ejemplo, en una demanda de un maestro a un esclavo para responder con este tipo de comunicación (codigo de función OB hexadecimal), el esciavo no requerirá información adicional. El codigo de función especifica esta acción exciusivamente.

> Contenido del Campo de Verificación de Error

Se usan dos tipos de métodos para la verificación de error en las redes Modbus. El contenido del campo de verificación de error depende del método que se esté utilizando.

ASCII

Cuando se utiliza ci modo ASCII para los caracteres de la trama, el campo de verificación de error contiene dos caracteres ASCII. Los caracteres de la verificación de error son el resultado de una Verificación de Redundancia Longitudinal (LRC) cálculo realizado por los contenidos del mensaje, exclusivo del colon de inicio y de los caracteres de terminación CRLF. Los caracteres de LRC se afiaden at mensaje como el Ciltimo campo precediendo a los caracteres de CRLF.

RTU

Cuando se utiliza el modo RTU para los caracteres de la trama, el campo de verificación de error contiene un valor de 16 bit implementado como dos bytes de ocho bits cada uno. El valor de la verificación de error es el resultado de un cálculo de Verificación de Redundancia CIclica realizado por los contenidos del mensaje. El campo CRC se afiade al mensaje como el tltimo campo del mensaje. Cuando esto se realiza, el byte menos significativo del campo se aliade primero, seguido por el byte más significativo. El byte más significativo del CRC es el áltimo byte en ser enviado en ci mensaje.

> Transmisión Serial de Caracteres

Cuando los mensajes son transmitidos en una red Modbus serial, cada carácter o byte es enviado en el siguiente orden (de derecha a izquierda):

Bit menos significativo (LSB)... Bit más significativo (MSB)

En una Trama con caracteres ASCII, la sucesión de bits es la siguiente:

Tabla 5.3: Orden de Bits (ASCII), con y sin Chequeo de Paridad.

CON CHEQUEO DE PARIDAD

START 1 2 3 4 5 6 7 PAR STOP

SIN CHEQUEO DE PARIDAD

START 1 2 3 4 5 6 7 STOP STOP

En una Trama con caracteres RTU, Ia sucesión de bits es la siguiente:

Tabla 5.4: Orden de Bits (RTIJ), con y sin Chequeo de Paridad.

CON CHEQUEO DE PARIDAD

START 1 2 3 4 5 6 7 8 PAR STOP

SIN CHEQUEO DE PARIDAD

START 1 2 3 4 5 6 7 8 STOP STOP

1010 0011

:ni uwujl gun uo sop!u02u00 sop op siq oqoo soiso 'ojdwolo JOd siiq op jio ppJdw 0 ppiid uun jimpoid und I o 0 un g soououo .rn0000 as ppi.rnd op siiq ig (j>j op oso o ujiud oqoo n 'iisv opow to ulud sop op spq 010!s) JOOJO rplao op soip op uçiood ul uo JiSo j siq op ppnuo gj 'ppudwi ppURd lei!J!00dS0 OS !S

iooio epno uo tjpuod as ppud op spq ouioo Lutuiwialop 02S3 ppiidwi 0 ppiJd op U9!33uoA wed soioptouuoo Sol i.inguoo uopond soinsn so

ppJd op U9i3I3IJ!iOA

oisow lap wioid jo .iod oppoop ios opond also, iwnoo opond odwo!2 op iouo un 'iopuodsoi opond ou OAOS0 la oiod 'opoiiuo so o1suow jo i opooS op!s gq owoo uioS juvoqr 0 Jguou!oi oiuuod A 'iono la opuiuo q onb oAuisodsip to iroggou sopoi sso g uoJioodso u9iOOiunWoO op s01030101d

sot luoismsuvil op iono un op oso jo u u3i1d as ou y>j 0 py snqpoj ocsuow lop odwo lop uoioRo!JiJoA gj 'sopoi sso uj snqpoJAJ olgsuow lop sopuowoo so oiqos JOAIU un g s=16111 op UOiOOIJIJOA UEZiJi2fl sn c snqpojj 0 dVJAJ OWOo sopoi S12

U9iOdflJJ0Ui gun tuesno upiciwel ouosixoui oAgjoso un v opiu!p olgsuot.0 Ufl :go

io.uo 10 .mlougw oisow lap LwujOojd jg 1iJuuod i uJujifto u0iodn1102u1 gj isy ojsogw jo ujud v1sandsw gun cnusuoo ou oAgpso eigq as ou olgsuow ID 'uoisiwsugi

gj uo iouo un oiqnosop OAgPSO to !S ouoww.iou upuodsoj owjoso joinbjgno onb npwiod A oij jos wed opoos so oAJo1ui O23 iou31oJsuJ gj ipoq op s;)Iuu opuwioiopoid odwou op ojiuouI un .iod juiodsD ulud ojgnsn 13 iod opinguoo so oisow j

uoiod000i ns ouinp olgsuow jop UJ3jU3 VMJJ gj A iooigo UPU3 oijuoA 0A1O5O 13 50flW5U.1j uos onb op saiur ofiesuow lop SO1U0W0O Sol g ugoijdg as A oisow lo uo sopiouo uos u9i33IJuoA op soda soqwy ololdwoo o1suow 1g goijdg as LISP (y>J3 o y-d) umm op u9iD3u3 1023Vso tpro e ouowjuoiodo osJo1d opond (idwi o id) ppid op uoiogoJuo\ iono op uoJooguoA op soda sop uzijun snqpoy sojuos sopoi

aci NOIDVDk1n1aA au SOU011}SJ

La cantidad total de bits I en Ia trama es cuatro. Si la Paridad es utilizada, el bits de la trama de paridad será un 0, haciendo una cantidad total de bits 1 hasta un ntmero par (cuatro) Si la Paridad Impar se usa, el bits de paridad será un 1, haciendo una cantidad impar (cinco)

Cuando el mensaje es transmitido, ci bits de paridad es calculado y se aplica a la trama de cada carácter. El dispositivo receptor cuenta la cantidad de bits I y setea un error si ellos no son iguales como se configuro para ese dispositivo (deben configurarse todos los dispositivos de la red Modbus para usar el misrno método de verificación de paridad)

Nótese que esta verificación de paridad puede detectar solo un error si un nUmero impar de bits son tornados o dejados en una trama durante la transmisión. Por ejemplo, Si la verificación de Paridad Impar es empleada, y se dejan caer dos bits 1 de un carácter que contiene tres bits 1, ci resuitado todavIa es una cuenta impar de bits 1.

Si no se especifica la verificaciOn de imparidad, ningán bit de paridad se transmitirá y ninguna verificaciOn de paridad puede hacerse. Además un bit de parada adicional es transmitido para completar Ia trama del carácter.

Verificación LRC

En ci modo ASCII, los mensajes incluyen tin campo de verificaciOn de error basado en ci método LRC. El campo de LRC verifica los contenidos del mensaje, excluyendo el colon del inicio y terminando en el par CRLF. Se aplica sin tener en cuenta el método de verificaciOn de paridad usado para los caracteres individuales del mensaje.

El campo LRC es un byte y contiene ocho bits de valor binario. El valor de LRC es calculado por el dispositivo que transmite, que aflade ci LRC al mensaje. El dispositivo receptor calcula un LRC durante la recepciOn del mensaje, y compara ci valor calculado con el valor actual recibido en el campo de LRC. Si los dos valores no son iguales, significa que ha ocurrido un error.

El LRC es calculado sumando los bytes de ocho bits, sucesivos del mensaje, desechando cuaiquier portador, y entonces dos complementan ci resuitado. Esto es realizado en ci contenido de los campos de mensaje ASCII que excluyen ci carácter del colon que empieza ci mensaje, y excluye ci CRLF que aparece al final del mensaje.

En una iogica de ladder, la función de CKSM calcula un LRC de los contenidos del mensaje.

Verificación CRC

En el modo RTU, los mensajes incluyen un campo de verificaciOn de error basado en el método CRC. El campo CRC verifica los contenidos del mensaje entero. Este se aplica sin tomar en cuenta ci tipo del método de verificación de paridad usado para los caracteres individuales del mensaje.

El campo CRC está formado por dos bytes. El valor CRC es calculado por el dispositivo que transmite, y afiade el CRC al mensaje. El dispositivo receptor recalcula un CRC durante la recepción del mensaje, y compara el valor calculado con el valor actual recibido en ci campo CRC. Si los dos valores no son iguales, significa que ha ocurrido un error.

El CRC es iniciado por el primer pre-loading, un registro de 16 bits para todos los unos o estados altos. Entonces el proceso comienza a aplicar bytes de ocho bits sucesivos del mensaje a los contenidos actuales del registro. Se usan solo ocho bits de datos en cada carácter para generar ci CRC. Los bits de inicio, de termino y ci bit de paridad, no se aplican al CRC.

Durante la generación del CRC, cada carácter de ocho bits hace un OR exciusivo con los contenidos del registro. Entonces ci resultado se cambia en Ia dirección del bits menos significativo (LSB), Ilenando con un cero ci lugar del bits más significativo (MSB). El LSB es extraldo y examinado. Si ci LSB fuera un I, ci registro es entonces OR exclusivo con un prefijo, ci valor fijo. Si ci LSB fuera un 0, entonces tiene lugar un no OR exciusivo.

Este proceso se repite hasta que se realicen ocho cambios. Después del iltimo (octavo) ci cambio, ci próximo byte de ocho bits es un OR exciusivo con ci valor actual del registro, y ci proceso se repite para ocho cambios más como se describió anteriormente. Los vohimenes finales del registro, después de que todos los bytes del mensaje han sido aplicados, es ci valor de CRC.

Cuando ci CRC se añade al mensaje, ci byte mcnos significativo se añade primero, seguido por ci byte más significativo.

En lógica ladder, Ia función CKSM caicuia un CRC de los contenidos del mensaje; Para apiicaciones que usan las computadoras centrales.

i ESTUIDIO DE PROTOCOLOS EN REDES 1NDUSTRIALES

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