Redes Industriales

REDES INDUSTRIALES

MORGAN GARAVITO VASQUEZ

UNIVERSIDAD POLITECNICA DE VALENCIA VALENCIA 2009 INTRODUCCION

Un bus de campo es un sistema de transmisión de información (datos) que simplifica enormemente la instalación y operación de máquinas y equipamientos industriales utilizados en procesos de producción. El objetivo de un bus de campo es sustituir las conexiones punto a punto entre los elementos de campo y el equipo de control a través del tradicional bucle de corriente de 4-20mA. Típicamente son redes digitales, bidireccionales, multipunto, montadas sobre un bus serie, que conectan dispositivos de campo como PLCs, transductores, actuadores y sensores. Cada dispositivo de campo incorpora cierta capacidad de proceso, que lo convierte en un dispositivo inteligente, manteniendo siempre un costo bajo. Cada uno de estos elementos será capaz de ejecutar funciones simples de diagnóstico, control ó mantenimiento, así como de comunicarse bidireccionalmente a través del bus. Además un bus de campo permite reemplazar los sistemas de control centralizados por redes de control distribuido mediante el cual permita mejorar la calidad del producto, reducir los costos y mejorar la eficiencia. Para ello se basa en que la información que envían y/o reciben los dispositivos de campo es digital, lo que resulta mucho más preciso que si se recurre a métodos analógicos.Además, cada dispositivo de campo es un dispositivo inteligente y puede llevar a cabo funciones propias de control, mantenimiento y diagnóstico.De esta forma, cada nodo de la red puede informar en caso de fallo del dispositivo asociado, y en general sobre cualquier anomalía asociada al dispositivo.Esta monitorización permite aumentar la eficiencia del sistema y reducir la cantidad de horas de mantenimiento necesarias.

VENTAJAS DE LOS BUSES DE CAMPO

La principal ventaja que ofrecen los buses de campo, y la que los hace más atractivos a los usuarios finales, es la reducción de costos. El ahorro proviene fundamentalmente de tres fuentes: ahorro en costo de instalación, ahorro en el costo de mantenimiento y ahorros derivados de la mejora del funcionamiento del sistema. Una de las principales características de los buses de campo es su significativa reducción en el cableado necesario para el control de una instalación. Cada componente sólo requiere un cable para la conexión de los diversos nodos. Se estima que puede ofrecer una reducción de 5 a 1 en los costos de cableado. En comparación con otros tipos de redes, dispone de herramientas de administración del bus que permiten la reducción del número de horas necesarias para la instalación y puesta en marcha. El hecho de que los buses de campo sean más sencillos que otras redes de uso industrial como por ejemplo MAP, hace que las necesidades de mantenimiento de la red sean menores, de modo que la fiabilidad del sistema a largo plazo aumenta. Además, los buses de campo permiten a los operadores monitorizar todos los dispositivos que integran el sistema e interpretar fácilmente las interacciones entre ellos. De esta forma, la detección de las fuentes de problemas en la planta y su corrección resulta mucho más sencilla, reduciendo los costos de mantenimiento y el tiempo de parada de la planta. Los buses de campo ofrecen mayor flexibilidad al usuario en el diseño del sistema. Algunos algoritmos y procedimientos de control que con sistemas de comunicación tradicionales debían incluirse en los propios algoritmos de control, radican ahora en los propios dispositivos de campo, simplificando el sistema de control y sus posibles ampliaciones. También hay que tener en cuenta que las prestaciones del sistema mejoran con el uso de la tecnología de los buses de campo debido a la simplificación en la forma de obtener información de la planta desde los distintos sensores. Las mediciones de los distintos elementos de la red están disponibles para todos los demás dispositivos. La simplificación en la obtención de datos permitirá el diseño de sistemas de control más eficientes. Con la tecnología de los buses de campo, se permite la comunicación bidireccional entre los dispositivos de campo y los sistemas de control, pero también entre los propios dispositivos de campo. Otra ventaja de los buses de campo es que sólo incluyen 3 capas (Física, Enlace y Aplicación), y un conjunto de servicios de administración. El usuario no tiene que preocuparse de las capas de enlace ó de aplicación. Sólo necesita saber cual es su funcionalidad. Al usuario sólo se le exige tener un conocimiento mínimo de los servicios de administración de la red, ya que parte de la información generada por dichos servicios puede ser necesaria para la reparación de averías en el sistema. De hecho, prácticamente, el usuario sólo debe preocuparse de la capa física y la capa de usuario.

CONTENIDO

Equipos necesarios para la transmisión, hardware, circuitos integrados transceptores, tipos y especificaciones de los cables, transceptores inalámbricos, distancia de alcance, distribuidores regionales y costos. Módulos integrados de interfaz digital para aplicaciones de control: Estándares PWM y motores paso a paso, módulos integrados análogos para mediciones de temperatura, presión, iluminación, módulos GPS, distribuidores regionales y costos.

BLUETOOTH

QUE ES? Bluetooth es un estándar empleado en enlaces de radio de corto alcance, destinado para reemplazar el cableado existente entre dispositivos electrónicos como teléfonos celulares, Asistentes Personales Digitales (o sus siglas en Inglés PDA), computadoras (y muchos otros dispositivos) ya sea en el hogar, en la oficina, en el auto, etc. La tecnología empleada permite a los usuarios conexiones instantáneas de voz y datos entre varios dispositivos en tiempo real. El modo de transmisión empleado, asegura protección contra interferencias y seguridad en el envío de datos. Entre sus principales características, pueden nombrarse su robustez, baja complejidad, bajo consumo y bajo costo. El radio Bluetooth es un pequeño microchip que opera en una banda de frecuencia disponible mundialmente. Pueden realizarse comunicaciones punto a punto y punto multipunto. COMO FUNCIONA? Cada dispositivo deberá estar equipado con un microchip (tranceiver) (ver Figura 1) que transmite y recibe en la frecuencia de 2.4 GHz que esta disponible en todo el mundo (con algunas variaciones de ancho de banda en diferentes países). Además de los datos, están disponibles tres canales de voz. Cada dispositivo tiene una dirección única de 48 bits basado en el estándar IEEE 802. Las conexiones son uno a uno con un rango máximo de 10m (dependiendo del medio podría ser más).

Figura 1 Los datos se pueden intercambiar a velocidades de hasta 1 megabit por segundo (se esperan 2 megabits por segundo en la Segunda Generación de esta Tecnología). Un esquema de "frequency hop" (saltos de frecuencia) permite a los dispositivos comunicarse inclusive en áreas donde existe una gran interferencia Electromagnética. Además de que se provee de esquemas de encriptación y verificación. BANDAS DE FRECUENCIA El estándar Bluetooth opera en la banda de 2,4 GHz. Aunque a nivel mundial, esta banda se encuentra disponible, el ancho de la banda puede diferir según el país. La frecuencia de banda de las industrias científicas y medicas es de 2.45 GHz (ISM). Los rangos del ancho de banda en Estados Unidos y Europa se encuentran entre 2.400 a 2.483,5 MHz y cubre parte de Francia y España. Los rangos del ancho de banda en Japón se encuentran entre 2.471 a 2.497 MHz.

En consecuencia el sistema puede usarse a nivel mundial debido que los transmisores de radio cubre 2.400 y 2.500 MHz y se puede seleccionar la frecuencia apropiada. La ISM esta abierta a cualquier sistema de radio y esta debe prever las interferencias de monitores para bebe, los controles para puertas de garajes, los teléfonos inalámbricos y los hornos microondas (la fuente mas fuerte de interferencia), esto puede evitarse usando un esquema del espectro extendido. En Estados Unidos la frecuencia de transmisión opera en 2.45 GHz ISM y requiere aplicar un espectro extendido usando en su tecnología el níquel lo que nivela el excedente 0 dBm. POTENCIA El equipo de transmisión se clasifica en 3 grupos según el nivel de potencia de emisión. El equipo receptor debe poseer una sensibilidad de al menos -70 dBm, y la tasa de error admisible debe ser menor ó igual a 0,1 %. NIVELES DE EMISIÓN Dado lo reducido del chip que va a ir incorporado en dispositivos portátiles y alimentado con baterías, es importante que tenga un consumo de potencia muy reducido (hasta un 97% menos que un teléfono móvil). Si los dispositivos Bluetooth no intercambian datos, entonces establecen el modo de "espera" para ahorrar energía, quedando a la escucha de mensajes. La Potencia de transmisión que se usa como especificación es de 1 mW para un alcance de 10 m, 100 mW para un alcance de hasta 100 m. ALCANCE Las conexiones son uno a uno con un rango máximo de 10 metros, aunque utilizando amplificadores se puede llegar hasta los 100 metros, aunque se introduce alguna distorsión. Pero hay que recordar que estos dispositivos fueron creados con la intención de usarlos en ambientes cerrados y a poca distancia. TECNOLOGÍA: PROTOCOLOS Diferentes aplicaciones pueden operar bajo distintos conjuntos de protocolos; sin embargo, todos ellos tienen un enlace de datos y una capa física Bluetooth común. La figura 2 muestra el conjunto de protocolos identificados en la especificación.

Figura 2

Cada aplicación puede operar bajo una estructura de protocolos definida por cada columna en la figura, o por un conjunto de ellas. Algunas columnas son usadas sólo como soporte de la aplicación principal, como lo son el SDP (Service Discovery Protocol) y el TCS Binary (Telephony Control Specification). Una nota interesante es el hecho del re-uso de los protocolos existentes para otras aplicaciones en las capas superiores, en vez del diseño de otros nuevos. La especificación es abierta, lo que permite el desarrollo de nuevos protocolos de aplicación en las capas superiores, lo cual se traduce en el desarrollo de una gran variedades de servicios por parte de las casas fabricantes. Ahora bien, de acuerdo al propósito, los protocolos pueden ser divididos en cuatro capas: 1. Protocolos 2. Protocolos 3. Protocolos 4. Protocolos WAE).

Bluetooth Centrales (Bluetooth Core Protocols: BaseBand, LMP, L2CAP, SDP). de Reemplazo de Cable (Cable Replacement Protocols: RFCOMM). de control de Telefonía (Telephony Control Protocols: TCS Binary, AT-Commands). Adaptados (Adapted Protocols: PPP, UDP/TCP/IP, OBEX, WAP, vCard, vCal, IrMC,

El Grupo Bluetooth SIG, ha desarrollado los protocolos de la primera capa, los cuales son usados por la mayoría de los dispositivos Bluetooth. Por otra parte, el RFCOMM y el TCS Binary fueron desarrollados por el SIG, basándose es las especificaciones ETSI-TS 07.10 y la ITU-T Q.931, respectivamente. Las capas de Reemplazo de Cable, Control de Telefonía, y de Protocolos adaptados conforman los llamados protocolos orientados a la aplicación. Dichos protocolos son abiertos, y permiten la inclusión de nuevos, por ejemplo HTTP ó FTP, lo que hace al estándar muy flexible. CONMUTACIÓN Y VELOCIDADES El protocolo Bluetooth, utiliza una combinación de conmutaciones de circuito y paquetes. Para asegurar que los paquetes no sean recibidos fuera de orden, ranuras de tiempo (hasta 5s) pueden ser reservadas para los mismos. Como se dijo con anterioridad, saltos de frecuencia son aplicados para evitar interferencia y desvanecimiento. Un salto de señal diferente es usado para cada paquete. La conmutación de circuitos puede ser síncrona ó asíncrona. Hasta 3 canales de datos síncronos, ó 1 síncrono y 1 asíncrono pueden ser soportados. Cada canal síncrono soporta una velocidad de 64 Kb/s, lo cual es utilizado para transmisiones de voz. Un canal asíncrono puede transmitir 721 Kb/s en una dirección y 57,6 Kb/s en la dirección opuesta. Es posible también en una conexión asíncrona soportar velocidades de 432,6 Kb/s en ambas direcciones si el enlace es simétrico. HART HART es un estándar de comunicación muy extendido para aparatos de campo.La especificación de los aparatos HART se efectúa vía HCF (HART Communication Foundation). El estándar HART extiende la señal analógica de 4 a 20 mA a la transmisión de señales digitales, moduladas, probadas en aplicaciones industriales. BENEFICIOS

» La probada transmisión analógica de valores medidos. » Comunicación digital simultánea con transferencia de datos bidireccional. » Posibilidad de transmisión de varias magnitudes de medida de un aparato de campo (por ej. informaciones de diagnóstico, mantenimiento y proceso). » Conexión a sistemas de nivel superior como por ejemplo PROFIBUS. » Fácil instalación y puesta en servicio.

VENTAJAS EN COMBINACIÓN CON SIMATIC PDM •

Manejo de todos los aparatos HART, con independencia del fabricante, gracias a los juegos de parámetros normalizados.

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Los aparatos de campo HART especificados en HART-DDL están integrados en SIMATIC PDM por medio del catálogo de HCF. HART DD (Device Description), normalizado en SIMATIC PDM, independiente del fabricante y muy extendido.

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Otros aparatos de campo HART están integrados en SIMATIC PDM vía EDD (Electronic Device Description).

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Gran facilidad de manejo y en la puesta en servicio de aparatos de campo, también en lugares de aplicación de difícil acceso.

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Funciones ampliadas de diagnóstico, evaluación y protocolo.

GAMA DE APICACION Los aparatos pueden conectarse de varias maneras: Por la periferia distribuida - SIMATIC ET 200M - SIMATIC ET 200iSP - SIMATIC ET 200iS Con los módulos HART ó con los módulos analógicos de 4a 20 mA y el HART Handheld Communicator, mediante un módem HART que permita establecer una conexión punto a punto entre el PC ó un sistema de ingeniería y el aparato HART, mediante los multiplexores HART que vienen incluidos en el servidor HART de HCF. PROFIBUS

PROFIBUS es hoy en día el bus de campo abierto con el mayor éxito, con una amplia base instalada para un campo de aplicaciones muy extenso. Además, la normalización según IEC 61158 / EN 50170 asegura el futuro de sus inversiones.

BENEFICIOS Un sistema modular coherente desde el sensor hasta el plano de mando que permite realizar nuevos conceptos de planta. Fácil intercambiabilidad de los aparatos de campo que corresponden al perfil estándar, también de diferentes fabricantes. Interconexión en red de transmisores, válvulas, actuadotes etc. Realización de aplicaciones de seguridad intrínseca con utilización del bus de campo en áreas con peligro de explosión. Fácil instalación de cables bifilares para el suministro de energía y la transferencia de datos comunes. Costes de cableado reducidos gracias al ahorro en material e instalación. Costes de configuración reducidos gracias a la ingeniería fácil y centralizada de los aparatos de bus (PROFIBUS PA y HART con SIMATIC PDM, también de diferentes fabricantes). Montaje rápido y sin errores. Reducción de los costes del servicio técnico gracias a la mayor facilidad del cableado y la simplificación de la estructura de la instalación, con la posibilidad de obtener diagnósticos detallados. Notable reducción de los costes de puesta en servicio gracias a la comprobación simplificada de bucles (Loop-Check). Escalado/Digitalización de los valores de medida ya en el aparato de campo, lo que suprime la necesidad del reescalado en SIMATIC PCS 7.

GAMA DE APLICACIÓN PROFIBUS es idóneo para la rápida comunicación con periferia distribuida (PROFIBUS DP) en la automatización de procesos de fabricación y también para las tareas de comunicación en la automatización de procesos (PROFIBUS PA). Es el primer sistema de buses de campo que cubre las necesidades de ambos sectores con servicios de comunicación idénticos. La tecnología de transmisión del PROFIBUS PA está ajustada a la medida a las necesidades de la industria de procesos industriales. Los servicios de comunicación normalizados garantizan la interoperabilidad entre los aparatos de campo de diferentes fabricantes y la parametrización remota de los aparatos de campo sobre la marcha. Con SIMATIC PDM (Process Device Manager), una herramienta coherente para productos de diferentes fabricantes, para la configuración, la parametrización, la puesta en servicio y el diagnóstico de aparatos de proceso inteligentes conectados al PROFIBUS, se pueden configurar un sinfín de aparatos de proceso de diversos fabricantes con una interfaz de usuario gráfica unificada. PROFIBUS PA puede utilizarse tanto en los entornos estándar como en áreas con peligro de explosión. Para la aplicación en áreas con peligro de explosión, el PROFIBUS PA y todos los aparatos conectados deben estar diseñados en el modo de protección. El protocolo unitario de PROFIBUS DP y PROFIBUS PA permite enlazar las dos redes y, con ello, ofrece la posibilidad de combinar un buen rendimiento en tiempo con un sistema de transmisión de seguridad intrínseca.

FUNCIONES PROFIBUS PA realiza la extensión del PROFIBUS DP con unos componentes ajustados al proceso para la conexión directa de actuadores y sensores. En PROFIBUS PA, el sistema de transmisión RS 485 se ha substituido por una tecnología de transmisión, optimizada para las aplicaciones de seguridad intrínseca. Ambas tecnologías están normalizadas a nivel internacional según la norma IEC 61158. PROFIBUS PA utiliza el mismo protocolo de comunicación que PROFIBUS DP; los servicios de comunicación y los telegramas son idénticos. PROFIBUS PA permite conducir las informaciones y el suministro de energía para la alimentación de los aparatos de campo a través de un cable bifilar. USB El Bus de Serie Universal (USB) provee un estándar de bus serial para conectar dispositivos a una computadora (usualmente a una PC). Un sistema USB tiene un diseño asimétrico, que consiste en un solo servidor y múltiples dispositivos conectados en una estructura de árbol utilizando dispositivos hub especiales. Se pueden conectar hasta 127 dispositivos a un solo servidor, pero la suma debe incluir a los hubs también, así que el total de dispositivos realmente usables disminuye un poco. El estándar incluye la transmisión de energía al dispositivo conectado. Algunos dispositivos requieren poder mínimo, así que varios pueden ser conectados sin necesitar fuentes de poder extra. La mayoría de los hubs incluye fuentes de alimentación que dan energía a los dispositivos conectados a través de ellos, pero algunos dispositivos gastan tanta energía que necesita su propia alimentación.

El diseño del USB tenía en mente eliminar la necesidad de adquirir tarjetas separadas para poner en los puertos bus ISA ó PCI, y mejorar las capacidades plug-and-play permitiendo a esos dispositivos ser desconectados ó añadidos al sistema sin necesidad de reiniciar. Cuando un nuevo dispositivo es conectado, el servidor lo enumera y agrega el software necesario para poder funcionar. El USB no ha remplazado completamente a los teclados AT y ratón PS/2, pero virtualmente todas las tarjetas madres de PC traen uno o más puertos USB. En el tiempo de este escrito, la mayoría de las tarjetas madres traen múltiples conexiones USB 2.0. El estándar USB 1.1 tenía 2 ritmos de transferencia: 1.5 Mbit/s para teclados, mouse, joysticks, etc., y velocidad completa a 12 Mbit/s. La mayor ventaja del estándar USB 2.0 es la implementación de un ritmo de alta velocidad de 480 Mbit/s. En su velocidad más alta, el USB compite directamente con FireWire (excepto en el área de cámaras digitales, el USB tiene limitaciones tecnológicas que prohíben su uso viable en esta área).

CAN Controller Area Network (CAN), es un estándar de bus serie para permitir la adaptación con redes de conexionado multiplexado desarrollado conjuntamente por Bosch e Intel para el cableado de dispositivos en automóviles. En EE.UU. se usa el J185O. Hoy en día sus aplicaciones van desde las redes de alta velocidad a cableado multiplexado de bajo coste.

Sus especificaciones describen principalmente la capa de enlace de datos compuesta por una subcapa de control del enlace lógico y una subcapa de controles de acceso al medio y algunos aspectos de la capa física del modelo de referencia ISO. El resto de las capas del protocolo se han dejado a la elección del diseñador de la red. En un modelo CAN todos los dispositivos están conectados a un único bus compartido y todos pueden empezar una transmisión. Por lo tanto implementa un sistema para evitar colisiones, por ejemplo que dos sistemas empiecen a transmitir a la vez. Existe una prioridad basada en un esquema de arbitraje para decidir cual de ellos se le permitirá continuar transmitiendo. Es un protocolo muy robusto y se pueden conseguir transferencias de hasta 1Mbit/s. Transmisión de datos en serie (CAN) Los problemas en el intercambio de datos a través de interfaces convencionales, pueden resolverse mediante la aplicación de sistemas bus (vías colectoras de datos), por ejemplo CAN, un sistema bus desarrollado especialmente para vehículos motorizados. Bajo la condición de que las unidades de control electrónicas tengan un interfaz en serie CAN.

Existen tres campos de aplicación esenciales para el sistema CAN en el vehículo motorizado: - Acoplamiento de unidades de control. - Electrónica de la carrocería y de confort. - Comunicación móvil. Acoplamiento de unidades de control Se acoplan entre si sistemas electrónicos como el control del motor ó de bomba de inyección, sistema antibloqueo ABS, sistema de tracción antideslizante ASR ó regulación de la dinámica de marcha ESP, control electrónico de cambio, etc. Las unidades de control están aquí unidas como estaciones con igualdad de derechos, mediante una estructura de bus lineal. Esta estructura presenta la ventaja de que en caso de fallar una estación, el sistema bus continúa estando plenamente a disposición de las demás estaciones. En comparación con otras disposiciones lógicas (estructuras anulares ó estructuras en estrella) se reduce así esencialmente la probabilidad de un fallo total. En el caso de estructuras anulares ó en estrella, el fallo de una estación ó de la unidad central, conduce a un fallo total. Las velocidades de transmisión típicas están entre aprox. 125 kBit/s y 1Mbit/s (ejemplo: la unidad de control del motor y la unidad de control de bomba en la regulación electrónica diesel comunican entre sí a 500 kBit/s). Las velocidades de transmisión deben ser tan altas para poder garantizar el comportamiento de tiempo real requerido.

Direccionamiento referido al contenido

El sistema bus CAN no asigna direcciones a las diversas estaciones, sino que asigna a cada "mensaje" un "identificador" fijo de 11 ó 29 bits. Este identificador representa el contenido del mensaje (ejemplo: número de revoluciones del motor). Una estación emplea únicamente aquellos datos cuyo identificador correspondiente esta almacenado en la lista de mensajes a recibir. Todos los demás datos se ignoran simplemente. El direccionamiento referido al contenido hace posible enviar una señal a varias estaciones, mandando un sensor su señal, directamente ó a través de una unidad de control, a la red bus que la distribuye correspondientemente. Además es posible así realizar muchas variantes de equipamiento, porque pueden añadirse por ejemplo: estaciones adicionales a un sistema bus CAN ya existente. Prioridad El identificador determina junto al contenido de datos simultáneamente la prioridad (preferencia) del mensaje al realizar la emisión. Una señal que varia rápidamente (ejemplo: el número de revoluciones del motor) debe transmitirse también con gran rapidez, y recibe por lo tanto una prioridad mayor que una señal que varía relativamente lenta (ejemplo: temperatura del motor). Asignación de bus

Cuando está libre el bus puede comenzar cualquier estación a transmitir su mensaje. Si comienzan a emitir varias estaciones simultáneamente, se impone el mensaje de mayor prioridad, sin que se produzca una pérdida de tiempo ó de bit. Los emisores con mensajes de menor prioridad se convierten automáticamente en receptores y repiten su intento de emisión, en cuanto está libre otra vez el bus. Formato de mensaje

Para la transmisión en el bus, se crea un marco de datos (Data Frame), cuya longitud abarca como máximo 130 bit (formato estándar) ó 150 bit (formato ampliado). De esta forma queda asegurado que el tiempo de espera hasta la siguiente transmisión, posiblemente muy urgente, se mantenga siempre corto. El "Data Frame" consta de siete campos sucesivos:

"Start of Frame" marca de comienzo de un mensaje y sincroniza todas las estaciones.

"Arbitration Field" consta del identificador del mensaje y un bit de control adicional. Durante la transmisión de este campo, el emisor comprueba en cada bit si todavía esta autorizado para emitir ó si esta emitiendo otra estación de mayor prioridad. El bit de control decide si el mensaje se trata de un "Data Frame" ó de un "Remote Frame". "Control Field" contiene el código sobre la cantidad de bytes de datos en el "Data Field". "Data Field" dispone de un contenido de información entre 0 y 8 bytes. Un mensaje de longitud 0 puede emplearse para la sincronización de procesos distribuidos. "CRC Field" contiene una palabra de protección de marco para el reconocimiento de posibles anomalías de transmisión producidas. "Ack Field" contiene una señal de confirmación de todos los receptores que han recibido el mensaje sin fallos. "End of Frame" marca el final del mensaje.

Diagnostico integrado

El sistema bus CAN dispone de una serie de mecanismos de control para el reconocimiento de anomalías. Pertenece aquí por ejemplo: la señal de seguridad en el "Data Frame" y el "Monitoring", en la que cada emisor recibe otra vez su propio mensaje, pudiendo reconocer entonces posibles divergencias. Si una estación registra una anomalía, emite entonces un "flag de error", que detiene la transmisión en curso. De esta forma se impide que otras estaciones reciban el mensaje erróneo. En caso de una estación defectuosa podría ocurrir sin embargo que todos los mensajes, es decir también los mensajes sin errores, sean interrumpidos con un flag de error. Para evitar esto, el sistema bus CAN esta equipado con un mecanismo que puede distinguir entre anomalías ocasionales y anomalías permanentes y pueden localizar fallos de estación. Esto se produce mediante una evaluación estadística de las situaciones de error. Estandarización El sistema CAN fue estandarizado por la organización normativa internacional ISO, para el intercambio de datos en vehículos motorizados:

- Para aplicación hasta 125 kBit/s, como ISO 11 519-2. - Para aplicaciones superiores a 125 kBit/s como ISO 11 898.

I2C Bus I2C, que es un interfaz serie de dos hilos desarrollado por Philips. 1.7.10.1 bus I2C

Máximo d3e dispositivos 400pF. Se puede conseguir velocidades de 100kbits/segundo Este bus se basa en tres señales: SDA (System Data) por la cual viajan los datos entre los dispositivos. SCL (System Clock) por la cual transitan los pulsos de reloj que sincronizan el sistema. GND (Masa) Interconectada entre todos los dispositivos "enganchados" al bus. El protocolo comienza con la señal de bus desocupado o señal de comienzo (Start) que es una señal 5 voltios en el reloj seguida de un flanco de bajada en la señal de datos. El protocolo termina con la señal de parada (stop) que es un valor de 5 voltios en el reloj y un flanco de subida en la señal de datos.

En el protocolo 8 bits son 1 byte. Cada byte se transmite marcando cada bit en el bus de datos y haciendo un pulso de 5v en la señal de reloj. Cuando se transmiten los 8 bits hay que transmitir un bit de confirmación (acknowledgement) obligatorio. Este bit lo transmite el dispositivo esclavo ó receptor. Consiste en que el receptor mantiene la señal de datos baja durante un pulso de reloj mandado por el dispositivo maestro. Primer byte dirección de dispositivo 7bits y luego un bit indicando si es lectura escritura (bit de read/write).

Norma RS-232c El puerto serie RS-232C, presente en todos los ordenadores actuales, es la forma mas comúnmente usada para realizar transmisiones de datos entre ordenadores. El RS-232C es un estándar que constituye la tercera revisión de la antigua norma RS-232, propuesta por la EIA (Asociación de Industrias Electrónicas), realizándose posteriormente un versión internacional por el CCITT, conocida como V.24. Las diferencias entre ambas son mínimas, por lo que a veces se habla indistintamente de V.24 y de RS-232C (incluso sin el sufijo "C"), refiriéndose siempre al mismo estándar. El RS-232C consiste en un conector tipo DB-25 de 25 pines, aunque es normal encontrar la versión de 9 pines DB-9, mas barato e incluso más extendido para cierto tipo de periféricos (como el ratón serie del PC). En cualquier caso, los PCs no suelen emplear más de 9 pines en el conector DB-25. Las señales con las que trabaja este puerto serie son digitales, de +12V (0 lógico) y -12V (1 lógico), para la entrada y salida de datos, y a la inversa en las señales de control. El estado de reposo en la entrada y salida de datos es -12V. Dependiendo de la velocidad de transmisión empleada, es posible tener cables de hasta 15 metros. Cada pin puede ser de entrada ó de salida, teniendo una función específica cada uno de ellos. Los más importantes son: Pin Función TXD (Transmitir Datos) RXD (Recibir Datos) (Terminal de Datos DTR Listo) (Equipo de Datos DSR Listo) RTS (Solicitud de Envío) CTS (Libre para Envío) DCD (Detección de

Portadora) Las señales TXD, DTR y RTS son de salida, mientras que RXD, DSR, CTS y DCD son de entrada. La masa de referencia para todas las señales es SG (Tierra de Señal). Finalmente, existen otras señales como RI (Indicador de Llamada), y otras poco comunes que no se explican en este artículo por rebasar el alcance del mismo.

El puerto serie en el PC El ordenador controla el puerto serie mediante un circuito integrado específico, llamado UART (Transmisor-Receptor-Asíncrono Universal). Normalmente se utilizan los siguientes modelos de este chip: 8250 (bastante antiguo, con fallos, solo llega a 9600 baudios), 16450 (versión corregida del 8250, llega hasta 115.200 baudios) y 16550A (con buffers de E/S). A partir de la gama Pentium, la circuiteria UART de las placa base son todas de alta velocidad, es decir UART 16550A. De hecho, la mayoría de los módems conectables a puerto serie necesitan dicho tipo de UART, incluso algunos juegos para jugar en red a través del puerto serie necesitan de este tipo de puerto serie. Por eso hay veces que un 486 no se comunica con la suficiente velocidad con un PC Pentium... Los portátiles suelen llevar otros chips: 82510 (con buffer especial, emula al 16450) o el 8251 (no es compatible). Para controlar al puerto serie, la CPU emplea direcciones de puertos de E/S y líneas de interrupción (IRQ). En el AT-286 se eligieron las direcciones 3F8h (o 0x3f8) e IRQ 4 para el COM1, y 2F8h e IRQ 3 para el COM2. El estándar del PC llega hasta aquí, por lo que al añadir posteriormente otros puertos serie, se eligieron las direcciones 3E8 y 2E8 para COM3-COM4, pero las IRQ no están especificadas. Cada usuario debe elegirlas de acuerdo a las que tenga libres ó el uso que vaya a hacer de los puertos serie (por ejemplo, no importa compartir una misma IRQ en dos puertos siempre que no se usen conjuntamente, ya que en caso contrario puede haber problemas). Es por ello que últimamente, con el auge de las comunicaciones, los fabricantes de PCs incluyan un puerto especial PS/2 para el ratón, dejando así libre un puerto serie. Mediante los puertos de E/S se pueden intercambiar datos, mientras que las IRQ producen una interrupción para indicar a la CPU que ha ocurrido un evento (por ejemplo, que ha llegado un dato, ó que ha cambiado el estado de algunas señales de entrada). La CPU debe responder a estas interrupciones lo mas rápido posible, para que de tiempo a recoger el dato antes de que el siguiente lo sobrescriba. Sin embargo, las UART 16550A incluyen unos buffers de tipo FIFO, dos de 16 bytes (para recepción y transmisión), donde se pueden guardar varios datos antes de que la CPU los recoja. Esto también disminuye el numero de interrupciones por segundo generadas por el puerto serie. El RS-232 puede transmitir los datos en grupos de 5, 6, 7 u 8 bits, a unas velocidades determinadas (normalmente, 9600 bits por segundo o más). Después de la transmisión de los datos, le sigue un bit opcional de paridad (indica si el numero de bits transmitidos es par o impar, para detectar fallos), y después 1 ó 2 bits de Stop. Normalmente, el protocolo utilizado ser 8N1 (que significa, 8 bits de datos, sin paridad y con 1 bit de Stop). Una vez que ha comenzado la transmisión de un dato, los bits tienen que llegar uno detrás de otro a una velocidad constante y en determinados instantes de tiempo. Por eso se dice

que el RS-232 es asíncrono por carácter y sincrono por bit. Los pines que portan los datos son RXD y TXD. Las demás se encargan de otros trabajos: DTR indica que el ordenador esta encendido, DSR que el aparato conectado a dicho puerto esta encendido, RTS que el ordenador puede recibir datos (porque no esta ocupado), CTS que el aparato conectado puede recibir datos, y DCD detecta que existe una comunicación, presencia de datos. Tanto el aparato a conectar como el ordenador (ó el programa terminal) tienen que usar el mismo protocolo serie para comunicarse entre si. Puesto que el estándar RS-232 no permite indicar en que modo se esta trabajando, es el usuario quien tiene que decidirlo y configurar ambas partes. Como ya se ha visto, los parámetros que hay que configurar son: protocolo serie (8N1), velocidad del puerto serie, y protocolo de control de flujo. Este ultimo puede ser por hardware (el que ya hemos visto, el handshaking RTS/CTS) o bien por software (XON/XOFF, el cual no es muy recomendable ya que no se pueden realizar transferencias binarias). La velocidad del puerto serie no tiene por que ser la misma que la de transmisión de los datos, de hecho debe ser superior. Por ejemplo, para transmisiones de 1200 baudios es recomendable usar 9600, y para 9600 baudios se pueden usar 38400 (o 19200). Este es el diagrama de transmisión de un dato con formato 8N1. El receptor indica al emisor que puede enviarle datos activando la salida RTS. El emisor envía un bit de START (nivel alto) antes de los datos, y un bit de STOP (nivel bajo) al final de estos.

_____________________________________ Emisor ===== Receptor ____________________________________ CTS <- | | <- RTS TXD -> | | 1 | 0 0 | 1 | 0 | 1 1 | 0 | -> RXD START STOP

LA NORMA RS-422 La norma TIA/EIA-422-B más conocida como RS-422 se utiliza cuando se requieren velocidades mayores de transmisión que las que ofrecen los anteriores sistemas es necesario utilizar un sistema de transmisión diferencial, para evitar los efectos del ruido que aparecen con tensiones en modo común en las salidas del emisor ó a la entrada del receptor. La norma RS 422 fue definida por la EIA para este propósito permitiendo velocidades de transmisión de hasta 10 Mbit/s y hasta una longitud de cable de 1.200 m. Los dispositivos emisores que cumplen esta norma son capaces de transmitir señales diferenciales con un mínimo de 2 V. sobre un par de líneas trenzadas terminadas con una impedancia de 100 ohm. Los receptores deben ser capaces de detectar una señal diferencial de 200 mV. en presencia de una señal común de 7 V. La ventaja de esta norma con respecto a la RS-232 es que en aplicaciones de bus, permite que un solo emisor pueda comunicar con varios receptores aunque tiene la limitación de que los restantes receptores deben estar en estado de alta impedancia para no cargar al bus. Otro problema que presenta es el de la contención, es decir, no permite que varios emisores transmitan información simultáneamente. Cuando esto ocurre, la excesiva corriente producida por la tensión de modo común generada, puede llevar a la destrucción del circuito emisor, puesto que no existen limitaciones para evitarla bajo estas condiciones. Configuraciones de la TIA/EIA-422-B (RS-422)

Esta norma permite la configuración de tres montajes básicos: • • •

CONFIGURACIÓN PUNTO A PUNTO CONFIGURACIÓN MUTI-CARGA CONFIGURACIÓN MUTI-PUNTO

Configuración Punto a Punto Esta configuración solo permite un controlador de dispositivo (emisor) y un solo sistema receptor. Las aplicaciones punto a punto pueden ser resueltas con normas como TIA/EIA-232E porque esta es la configuración más popular para la RS-232. Sin embargo, no se restringen las normas del diferencial cuando la RS-422 se utiliza como aplicación punto a punto. Configuración Multi-carga La segunda configuración, Multi-carga, es un controlador de dispositivo (emisor) con dos ó más receptores normalmente conectados en estrella terminando con una impedancia de carga. Para la RS-422, el número máximo de receptores es de 10 unidades, si la impedancia entrada del receptor (Rin) es igual a 4 Kohmios es considerado 1 unidad de carga. Si la Rin un receptor es igual a 8 Kohmios entonces ese receptor es considerado como 1/2 unidad carga. Por consiguiente un controlador de dispositivo de RS-422 puede manejar receptores con la unidad de carga y 20 receptores con una Rin=8kohmios.

de de de 10

Configuración Multi-punto El último tipo de configuración que puede realizarse con la norma RS-422 es multi-punto, que usa dos ó más controladores de dispositivo (emisores) conectados a uno ó más receptores (ver la figura). normalmente no se diseñan los controladores de dispositivo RS422 para este tipo de configuración. Sin embargo, un sistema multi-punto con RS-422 puede ser logrado si se solucionan ciertos problemas. Los tres problemas son las diferencias de potencial posibles entre los dispositivos, la competencia entre ellos, y la capacidad de control de éstos. Por tanto, para esta configuración se recomienda utilizar si es posible la norma RS-485.

Datos Técnicos Tensión de emisión: Nivel «0»: +2 a +6 V. (generalmente +5 V) Nivel «1»: -2 a -6 V. (generalmente -5 V) Impedancia de recepción: > 4 Kohmios (no especificada); Tensión de recepción: Nivel «0»: > +0,2 V. Nivel «1»: < -0,2 V. Velocidad de transmisión máxima: 10 Mbit/s Longitud del cable máxima: 1.200 m. Enlace multi-punto (un emisor por cada 10 receptores, como máximo)

El Estándar RS-485 A pesar de su uso extendido, el estándar RS-485 no se conoce también como debería ser, sin embargo, si invierte un poco de tiempo en leer estas notas técnicas seguro que se familiarizará con la norma un poco más. La norma RS-485 está siendo la aplicación fundamental para conexiones multi-punto en la industria. La RS-485 es la única que permite una red de nodos múltiples con comunicación bidireccional con un solo par de cables trenzados, no todos los estándares combinan esta capacidad con el buen rechazo al ruido, con excelente velocidad de transmisión de datos, con gran longitud del cable de interconexión, y la robustez general del estándar.Por estas razones, existe una gran variedad de uso de las aplicaciones con RS-485 para la transmisión de datos entre aparatos en sectores como: Automoción Informática Robótica Repetidores celulares Fabricantes de PLCs Fabricantes de Sinópticos Etc.

Aunque la RS-485 es sumamente popular, los fabricantes de productos que quieren incorporar esta norma, deben aprender y comprender los problemas de la interconexión con la RS-485. Si se entienden los problemas que pueden surgir durante el diseño, el proyecto puede llevar a una aplicación sin preocupaciones y puede reducir el tiempo para su puesta en práctica. La RS-485 va dirigida a necesidades más amplias de las que alcanza la RS-422, ésta cubre las aplicaciones con un solo transmisor y múltiples receptores. La RS-485 es de bajo coste, bidireccional, multi-punto, interconexión con fuerte rechazo del ruido, buena tasa y rapidez de transmisión de datos, alta velocidad en la transmisión de datos y un rango del modo común ancho. La norma especifica las características eléctricas de transmisores y receptores para la transmisión diferencial multi-punto de datos, no hace referencia ni específica el protocolo, sí el código, las características mecánicas del conector y las conexiones de los pines (pinout). Nombres y revisiones La EIA (Electronic Industries Association) Technical Recommendation Committee TR30, especificó la norma RS-485 en el año 1983. La Telecommunitcations Industry Association (TIA) es ahora la responsable para las revisiones futuras. La RS-485 se está revisando actualmente, en su revisión y después de una votación la norma revisada pasará ha llamarse "ANSI TIA/EIA-485-A". Conceptos técnicos Existen, por lo menos, 10 conceptos técnicos que se deben repasar antes de aplicar la norma, que son: La forma de los nodos Las configuraciones La media de interconectores Velocidad de los datos y la longitud del cable Terminales y adaptadores Diferencial único y parámetros de RS-485 Blindajes y tierras Modo de protección Especial-función transmisor-receptor Relación fallo-seguridad La forma de los Nodos El estándar RS-485 permite su uso en redes múltiples de gran velocidad si tenemos en cuenta las siguientes recomendaciones: Cada bus ó red no debe tener más de 32 cargas. El control direccional de los repetidores es complejo, pero se puede solucionar por hardware, por consiguiente, una estimación algo conservadora es que, sin usar los transceptores especiales, una red puede incluir 32 transceptores. Una red típica incluye nodos múltiples. Cada transceptor incluye un emisor diferencial D, y un receptor diferencial R, siendo la longitud de los cabos. Datos Técnicos ESPECIFICACIONESRS-485 Modo de trabajo Diferencial Número Total de Emisores y Receptores en Una Línea1 EMISOR 32 RECEPTORES Máxima Longitud del Cable4000 FT. (1.200 m.) Velocidad Máxima de transmisión de Datos10 Mb/s

Tensiones Máximas de Salida-7V a +12V Nivel de la Señal de Salida (Carga Min.)Con Carga+/-1.5V Nivel de la Señal de Salida (Carga Máx.)Con Carga+/-6V Resistencia de Carga (Ohms) 54 Máx. Corriente en Estado Z AltoAlimentación conectada+/-100µA Máx. Corriente en Estado Z AltoAlimentación desconectada+/-100µA Velocidad de Cambio (Máx.)N/A Tensiones de entrada del Receptor-7V a +12V Sensibilidad de entrada del Receptor+/-200mV Resistencia de entrada del Receptor (Ohms)>=12k min. INTERBUS Protocolo propietario, inicialmente, de la empresa Phoenix Conctact GmbH, aunque posteriormente ha sido abierta su especificación. Normalizado bajo DIN 19258, norma europea EN 50 254. Fue introducido en el año 1984. Utiliza una topología en anillo y comunicación mediante un registro de desplazamiento en cada nodo. Se pueden enlazar buses periféricos al principal. Capa física basada en RS-485. Cada dispositivo actúa como repetidor. Así se puede alcanzar una distancia entre nodos de 400 m para 500Kbps y una distancia total de 12 KM. Es posible utilizar también enlaces de fibra óptica. Capa de transporte basada en una trama única que circula por el anillo (trama de suma). La información de direccionamiento no se incluye en los mensajes, los datos se hacen circular por la red. Alta eficiencia. Para aplicaciones de pocos nodos y un pequeño conjunto de entradas/salidas por nodo, pocos buses pueden ser tan rápidos y eficientes como INTERBUS. Físicamente tiene la impresión de seguir una topología en estrella, pero realmente cada nodo tiene un punto de entrada y otro de salida hacia el siguiente nodo. Es muy sensible a corte completo de comunicación al abrirse el anillo en cualquiera de los nodos. Por otra parte, la estructura en anillo permite una fácil localización de fallos y diagnóstico. Es muy apropiado para comunicación determinista a alta velocidad, es muy difícil una filosofía de comunicación orientada a eventos. DEVICENET Bus basado en CAN. Su capa física y capa de enlace se basan en ISO 11898, y en la especificación de Bosh 2.0, DeviceNet define una de las más sofisticadas capas de aplicaciones industriales sobre bus CAN. DeviceNet fue desarrollado por Allen-Bradley a mediados de los noventa, posteriormente pasó a ser una especificación abierta soportada en la ODVA (Open DeviceNet Vendor Association), cualquier fabricante puede asociarse a esta organización y obtener especificaciones, homologar productos, etc. Es posible la conexión de hasta 64 nodos con velocidades de 125 Kbps a 500 Kbps en distancias de 100 a 500 m. Utiliza una definición basada en orientación a objetos para modelar los servicios de comunicación y el comportamiento externo de los nodos. Define mensajes y conexiones para funcionamiento maestro-esclavo, interrogación cíclica, "strobing" ó lanzamiento de interrogación general de dispositivos, mensajes espontáneos de cambio de estado, comunicación uno-uno, modelo productor-consumidor, carga y descarga de bloques de datos y ficheros etc.

DeviceNet ha conseguido una significativa cuota de mercado. Existen más de 300 productos homologados y se indica que el número de nodos instalados superaba los 300.000 en 1998. Está soportado por numerosos fabricantes: Allen-Bradley, ABB, Danfoss, Crouzet, Bosh, Control Techniques, Festo, Omron, etc. FOUNDATION FIELDBUS Un bus orientado sobre todo a la interconexión de dispositivos en industrias de proceso continuo. Su desarrollo ha sido apoyado por importantes fabricantes de instrumentación (Fisher-Rosemount, Foxboro,...). En la actualidad existe una asociación de fabricantes que utilizan este bus, que gestiona el esfuerzo normalizador, la Fieldbus Foundation. Normalizado como ISA SP50, IEC-ISO 61158 (ISA es la asociación internacional de fabricantes de dispositivos de instrumentación de proceso). En su nivel H1 (uno) de la capa física sigue la norma IEC 11158-2 para comunicación a 31,25 Kbps, es por tanto, compatible con Profibús PA, su principal contendiente. Presta especial atención a las versiones que cumplen normas de seguridad intrínseca para industrias de proceso en ambientes combustibles ó explosivos. Se soporta sobre par trenzado y es posible la reutilización de los antiguos cableados de instrumentación analógica 4-20 mA. Se utiliza comunicación síncrona con codificación Manchester Bifase-L. La capa de aplicación utiliza un protocolo sofisticado, orientado a objetos con múltiples formatos de mensaje. Distingue entre dispositivos con capacidad de arbitración (Link Master) y normales. En cada momento un solo Link master arbitra el bus, puede ser sustituido por otro en caso de fallo. Utiliza diversos mensajes para gestionar comunicación por paso de testigo, comunicación cliente-servidor, modelo productor-consumidor etc. Existen servicios para configuración, gestión de diccionario de objetos en nodos, acceso a variables, eventos, carga descarga de ficheros y aplicaciones, ejecución de aplicaciones, etc. La codificación de mensajes se define según ASN.1 El nivel H2 (dos) está basado en Ethernet de alta velocidad (100 Mbps) y orientado al nivel de control de la red industrial. FIP- WorldFIP Desarrollado en Francia a finales de los ochenta y normalizado por EN 50170, que también cubre Profibus. Sus capas física y de aplicación son análogas a las de Foundation Fieldbus H1 y Profibus PA. La división Norteamérica de WorldFIP se unió a mediados de los noventa a la Fieldbus Foundation en el esfuerzo por la normalización de un bus industrial común. Utiliza un modelo productor-consumidor con gestión de variables cíclicas, eventos y mensajes genéricos. SDS SDS ("Smart Distributed System") es, junto con DeviceNet y CANOpen, uno de los buses de campo basados en CAN más extendidos. Fue desarrollado por el fabricante de sensores industriales Honeywell en 1989. Se ha utilizado sobre todo en aplicaciones de sistemas de almacenamiento, empaquetado y clasificación automática. Se define una capa física que incluye alimentación de dispositivos en las conexiones. La capa de aplicación define autodiagnóstico de nodos, comunicación por eventos y prioridades de alta velocidad.

MODBUS En su definición inicial Modbus era una especificación de tramas, mensajes y funciones utilizada para la comunicación con los PLCs Modicon. Modbus puede implementarse sobre

cualquier línea de comunicación serie y permite la comunicación por medio de tramas binarias o ASCII con un proceso interrogación-respuesta simple. Debido a que fue incluido en los PLCs de la prestigiosa firma Modicon en 1979, ha resultado un estándar de facto para el enlace serie entre dispositivos industriales. Modbus Plus define un completo bus de campo basado en técnica de paso de testigo. Se utiliza como soporte físico el par-trenzado o fibra óptica. En la actualidad Modbus es soportado por el grupo de automatización Schneider (Telemechanique, Modicon,...). INDUSTRIAL ETHERNET La norma IEEE 802.3 basada en la red Ethernet de Xerox se ha convertido en el método más extendido para interconexión de computadores personales en redes de proceso de datos. En la actualidad se vive una auténtica revolución en cuanto a su desplazamiento hacia las redes industriales. Es indudable esa penetración. Diversos buses de campo establecidos como Profibus, Modbus etc. han adoptado Ethernet como la red apropiada para los niveles superiores. En todo caso se buscan soluciones a los principales inconvenientes de Ethernet como soporte para comunicaciones industriales: •

El intrínseco indeterminismo de Ethernet se aborda por medio de topologías basadas en conmutadores. En todo caso esas opciones no son gratuitas.

•

Se han de aplicar normas especiales para conectores, blindajes, rangos de temperatura etc. La tarjeta adaptadora Ethernet empieza a encarecerse cuando se la dota de robustez para un entorno industrial

Parece difícil que Ethernet tenga futuro a nivel de sensor, aunque puede aplicarse en nodos que engloban conexiones múltiples de entrada-salida. Como conclusión Ethernet está ocupando un área importante entre las opciones para redes industriales, pero parece aventurado afirmar, como se ha llegado a hacer, que pueda llegar a penetrar en los niveles bajos de la pirámide CIM. ASI ASI (Actuator Sensor Interface) es un bus de campo desarrollado inicialmente por Siemens, para la interconexión de actuadores y sensores binarios. Actualmente está recogido por el estándar IEC TG 17B. A nivel físico, la red puede adoptar cualquier tipo de topología: estructura en bus, en árbol, en estrella ó en anillo. Permite la interconexión de un máximo de 31 esclavos. La longitud máxima de cada segmento es de 100 metros. Dispone de repetidores que permiten la unión de hasta tres segmentos, y de puentes hacia redes Profibus. Como medio físico de transmisión, emplea un único cable que permite tanto la transmisión de datos como la alimentación de los dispositivos conectados a la red. Su diseño evita errores de polaridad al conectar nuevos dispositivos a la red. La incorporación ó eliminación de elementos de la red no requiere la modificación del cable. El cable consta de dos hilos sin apantallamiento. Para lograr inmunidad al ruido, la transmisión se hace basándose en una codificación Manchester. Cada esclavo dispone de hasta 4 entradas/salidas, lo que hace que la red pueda controlar hasta 124 E/S digitales. La comunicación sigue un esquema maestro - esclavo, en la cual el maestro interroga a las estaciones enviándoles mensajes (llamados telegramas) de 14 bits y el esclavo responde con un mensaje de 7 bits. La duración de cada ciclo pregunta respuesta es de 150 µs. En cada ciclo de comunicación se deben consultar todos los esclavos, añadiendo dos ciclos extras para operaciones de administración del bus (detección de fallos). El resultado es un tiempo de ciclo máximo de-5ms.

12 BITBUS Introducido por Intel a principios de los 80. Es un bus maestro-esclavo soportado sobre RS485 y normalizado en IEEE- 1118. Debido a su sencillez ha sido adoptado en redes de pequeños fabricantes ó integradores. En su capa de aplicación se contempla la gestión de tareas distribuidas, es decir es, en cierto modo, un sistema multitarea distribuido. Existe una organización europea de soporte (Bitbus European User's Group).

TIPOS DE MODULACION Modulación de Frecuencia (FSK, Frequency Shift Keying): se utiliza en los módems de baja velocidad. Se emplea separando el ancho de banda total en dos bandas, los módems pueden transmitir y recibir datos por el mismo canal simultáneamente. El módem que llama se pone en el modo de llamada y el módem que responde pasa al modo de respuesta gracias a un conmutador que hay en cada módem. Modulación de Amplitud (ASK, Amplitud Shift Keying): no se utiliza en solitario en comunicaciones de datos porque es muy sensible a interferencias de ruido eléctrico que pueden provocar errores en los datos recibidos. Modulación de Fase (PSK, Phase Shift Keying )): se codifican los valores binarios como cambios de fase de la señal portadora. Modulación Diferencial de Fase (DPSK, Diferential Phase Shift Keying): consiste en una variación de PSK donde se toma el ángulo de fase del intervalo anterior como referencia para medir la fase de cualquier intervalo de señal. Modulación de Amplitud de Cuadratura (QAM, Quadrature Amplitude Modulation): se emplea en los módems más rápidos. Consiste en una combinación de PSK y ASK, es decir, se van a combinar las variaciones de amplitud en referencia al momento de fase en que ocurren con lo cual vamos a poder incluir más bits en los mismos hertz. Modulación por código de impulsos (PCM pulse code modulation): Es un proceso digital de modulación para convertir una señal analógica en un código digital. La señal analógica se muestrea, es decir, se mide periódicamente. En un convertidor analógico/digital, los valores medidos se cuantifican, se convierten en un número binario y se descodifican en un tren de impulsos. Este tren de impulsos es una señal de alta frecuencia portadora de la señal analógica original. PCM BINARY CODE

Código binario PCM.- Un código de impulsos en el que los valores cuantificados son identificados por números tomados en orden. Este término no debe emplearse para transmisión por líneas. PCM MULTIPLEX EQUIPMENT Equipo múltiplex PCM.- Un equipo para derivar una señal digital simple, a una velocidad de dígitos definida, de dos o más canales analógicos mediante una combinación de modulación por código de impulsos y un multiplexado por división de tiempo (multiplexor) y también para realizar la función inversa (demultiplexor). La descripción debe ir seguida de una velocidad de dígitos binarios equivalente; p. ej., equipo múltiplex PCM de 2.048 kbit/s.

Compresión de Datos y Control de Errores MNP (Microcom Network Protocol): bajo estas siglas se agrupan un conjunto de protocolos que soportan interacción con aplicaciones de transferencia de datos. Esta dividido en las clases siguientes: Clase 2: provee mecanismo de control de errores para transmisiones asincrónicas a 2400 bps con protocolos orientados a byte, la eficiencia anda por el 84%. Clase 3: permite al módem aceptar datos en formato asincrónico y transmitirlos en modalidad sincrónica. La ventaja de este servicio es que limitan los bits de start y stop consiguiendo así un rendimiento de un 108%. Clase 4: este servicio provee un ensamblamiento de paquetes adaptables. Posee un rendimiento de un 120%. Clase 5: este servicio provee compresión de datos, negociación y duplexación, técnica que consiste en que los modems se conectan a la menor velocidad, para luego comenzar a negociar el uso de velocidades superiores. Algoritmos de Compresión más usados Codificación Huffman: este algoritmo crea una tabla que codifica a los caracteres con longitud de bits variables, los más empleados en 4 bits y los menos empleados empiezan con 5 llegando hasta a 11 bits. Codificación Run-Length: se identifican secuencias repetitivas de al menos tres caracteres, enviándose al carácter seguido del número que indica la cantidad de veces que debe ser repetido ese carácter. V.42/V.42 Bits: estos son los estándares de corrección de errores y compresión de datos respectivamente sugeridos por CCITT.

Supresión de Eco Posibilita la transmisión simultánea en ambos sentidos. Esta técnica solo es posible si el diseño del módem incorpora microprocesadores. La supresión del eco permite el uso de todo el ancho de banda de la línea para la transmisión simultánea en ambos sentidos del enlace.

Bus de Campo

Foundation™ Fieldbus H1*1 Rata de transmisión [bits/s]

H2*1

WorldFIP*4

H2*1

Profibus*4

H2*1

PA

31.25 kB

1.0 MB

1.0 MB

2.5 MB

31.25 kB 1.0 MB 2.5 MB

Comunicación

Single/ MultiMaster

Single/ MultiMaster

Single/ MultiMaster

Single/ MultiMaster

Producer/ Consumer

Master/Master Master/Slave con Token Peer to Peer

Acceso a la red

Token Passing

Token Passing

Token Passing

Token Passing

Bus Arbiter

Token Passing

31.25 kB

Medio de transmisión

Cantidad de Nodos máx. *9

240 por 240 por 240 por 240 por Segmento, Segmento, Segmento, Segmento, ó 32.768 ó 32.768 ó 32.768 256 por Red ó 32.768 por por por por Sistema Sistema Sistema Sistema

14400 por Segmento

Seguridad intrínseca?

Si

---

Si

---

Si

Si

Alimentación por Bus?

Si

---

Si

---

Si

Si

ASIC disponible?*6

Si

Si

Si

IEC/ISA//FF IEC 1185-2

IEC/ISA//FF IEC 1185-2

EN 50170 (Parte 3)

EN 50170-A2 DIN 19245

Medio de transmisión Normativa Normativa (s) aplicable (s)

planificado planificado planificado

IEC 1158-2 IEC 1158-2 IEC 1158-2 IEC 1158-2

ISA 850

ISA 850

ISA 850

ISA 850

Bus de Equipo Profibus *4

Rata de transmisión [bits/s]

CAN

DP*2

FMS

SDS DEVICENET*3

Hasta 1.5 MB y 12 MB

500 kB

Hasta 1 MB

ControlNE LONWORKS® Interbus-S T 5MB

Hasta 1.25 MB

500 kB

Master/Master y Producer/ Producer/ Comunicación Master/Slave con Token Consumer, Consumer Peer to Peer Peer to Peer Acceso a la red

Polling cíclico/ aciclico

CSMA/CD/ NDA*5

127 por segmento

2048

Master/Slave, Master/Slav Peer to Peer e Predictive Media Access

CDTMA *7

Ninguno

Medio de transmisión

Cantidad de Nodos máx. *9

99 por Link 32.768 247 por por Dominio Red

256 estaciones

Seguridad intrínseca?

---

---

---

---

Si

---

Alimentación por Bus?

---

---

---

---

Si

---

ASIC disponible?*6

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Medio de transmisión Normativa

RS 485 IEC1158-2*2

RS 485

RS 485

RS 485

Normativa (s) aplicable (s)

EN 50170 (parte 2) DIN 19245

EN 50170 (parte 2) DIN 19245

no especificado

DIN E 19258 pr(EN 50254)

no no especificad especificado o ISO 11898

pr(EN 50254)

Otros Protocolos Bus de Sensor Rata de transmisión [bits/s]

Protocolos de Comunicación

AS-Interface

Modbus

Ethernet®

Hart®

167 kB

no determinado (1,2 kB-115,2 kB típico)

10MB

1200 Baud

Comunicación

Master/Slave

Master/Slave

Master/Slave Peer to Peer

Master/Slave

Acceso a la red

Polling cíclico

Token Passing

CSMA/CD*5

Ninguno

Cantidad de Nodos máx. *9

31 por Red

247 por Red

400 por segmento

15 por segmento

Seguridad intrínseca?

---

---

---

Si

Alimentación por Bus?

Si

---

---

Si

ASIC disponible?*6

Si

---

Si

Si

Medio de transmisión Normativa

no especificado

no especificado

no especificado

no especificado

Normativa (s) aplicable (s)

IEC947-5-2/D EN 60 947 DIN VDE D660/208

no especificado

IEE802.3 ISO 8802.3

no especificado

Medio de transmisión

Leyenda

Cable par trenzado

Radio transmisión

Cable de fibra óptica

Cable de fibra óptica (aún no implementado)

Cable Coaxial *1

H1 y H2 son terminologías del FOUNDATION Fieldbus que no se usan en el IEC Profibus - DP también disponible con set de instrucciones extendidas (ProfibusDPV1). *3 DEVICENET y SDS son utilidades en el nivel usuario (ISO), necesarias para CAN en el nivel físico. *4 Profibus (excepto PA), WorldFIP y P-NET están definidos en la Norma EN 50170. *5 CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection, (NDA-Destructive Bitwise Arbitration) *2

*6 *7

ASIC: Application Specific Integrated Circuit CTDMA: Concurrent Time Domain, Multiple Access.

REDES INALÁMBRICAS

Una de las tecnologías más prometedoras y discutidas en esta década es la de poder comunicar computadoras mediante tecnología inalámbrica. La conexión de computadoras mediante Ondas de Radio ó Luz Infrarroja, actualmente está siendo ampliamente investigado. Las Redes Inalámbricas facilitan la operación en lugares donde la computadora no puede permanecer en un solo lugar, como en almacenes ó en oficinas que se encuentren en varios pisos. No se espera que las redes inalámbricas lleguen a remplazar a las redes cableadas. Estas ofrecen velocidades de transmisión mayores que las logradas con la tecnología inalámbrica. Mientras que las redes inalámbricas actuales ofrecen velocidades de 2 Mbps, las redes cableadas ofrecen velocidades de 10 Mbps y se espera que alcancen velocidades de hasta 100 Mbps. Los sistemas de Cable de Fibra Óptica logran velocidades aún mayores, y pensando futuristamente se espera que las redes inalámbricas alcancen velocidades de más de 10 Mbps. Sin embargo se pueden mezclar las redes cableadas y las inalámbricas, y de esta manera generar una "Red Híbrida" y poder resolver los últimos metros hacia la estación. Se puede considerar que el sistema cableado sea la parte principal y la inalámbrica le proporcione movilidad adicional al equipo y el operador se pueda desplazar con facilidad dentro de un almacén ó una oficina. Existen dos amplias categorías de Redes Inalámbricas:

1.

2.

De Larga Distancia.- Estas son utilizadas para transmitir la información en espacios que pueden variar desde una misma ciudad ó hasta varios países circunvecinos (mejor conocido como Redes de Área Metropolitana MAN); sus velocidades de transmisión son relativamente bajas, de 4.8 a 19.2 Kbps. De Corta Distancia.- Estas son utilizadas principalmente en redes corporativas cuyas oficinas se encuentran en uno ó varios edificios que no se encuentran muy retirados entre si, con velocidades del orden de 280 Kbps hasta los 2 Mbps.

Existen dos tipos de redes de larga distancia: Redes de Conmutación de Paquetes (públicas y privadas) y Redes Telefónicas Celulares. Estas últimas son un medio para transmitir información de alto precio. Debido a que los módems celulares actualmente son más caros y delicados que los convencionales, ya que requieren circuiteria especial, que permite mantener la pérdida de señal cuando el circuito se alterna entre una célula y otra. Esta pérdida de señal no es problema para la comunicación de voz debido a que el retraso en la conmutación dura unos cuantos cientos de milisegundos, lo cual no se nota, pero en la transmisión de información puede hacer estragos. Otras desventajas de la transmisión celular son: La carga de los teléfonos se termina fácilmente. La transmisión celular se intercepta fácilmente (factor importante en lo relacionado con la seguridad). Las velocidades de transmisión son bajas. Todas estas desventajas hacen que la comunicación celular se utilice poco, ó únicamente para archivos muy pequeños como cartas, planos, etc... Pero se espera que con los avances

en la compresión de datos, seguridad y algoritmos de verificación de errores se permita que las redes celulares sean una opción redituable en algunas situaciones. La otra opción que existe en redes de larga distancia son las denominadas: Red Pública De Conmutación De Paquetes Por Radio. Estas redes no tienen problemas de pérdida de señal debido a que su arquitectura está diseñada para soportar paquetes de datos en lugar de comunicaciones de voz. Las redes privadas de conmutación de paquetes utilizan la misma tecnología que las públicas, pero bajo bandas de radio frecuencia restringidas por la propia organización de sus sistemas de cómputo. Redes publicas de radio Las ondas de radio pueden viajar a grandes distancias y penetrar los edificios sin problemas, razón por la cual se usan tanto en interiores como en exteriores. Las ondas de radio son omnidireccionales ósea viajan en todas las direcciones por lo que el transmisor y receptor no tienen que alinearse. Las propiedades de la onda dependen de la frecuencia. Abajas frecuencias las ondas de radio cruzan bien los obstáculos, pero la potencia disminuye drásticamente con la distancia de la fuente. A frecuencias altas, las ondas tienden a viajar en línea recta y a rebotar por los obstáculos también son absorbidas por la lluvia. En todas las frecuencias, las ondas de radio están sujetas a interferencia por motores y otros equipos eléctricos. Esta es una de las razones por la cual, los gobiernos legislan el uso de los radiotransmisores. Las redes públicas tienen dos protagonistas principales: "ARDIS" (una asociación de Motorola e IBM) y "Ram Mobile Data" (desarrollado por Ericcson AB, denominado MOBITEX). Este último es el más utilizado en Europa. Estas Redes proporcionan canales de radio en áreas metropolitanas, las cuales permiten la transmisión a través del país y que mediante una tarifa pueden ser utilizadas como redes de larga distancia. La compañía proporciona la infraestructura de la red, se incluye controladores de áreas y Estaciones Base, sistemas de cómputo tolerantes a fallas, estos sistemas soportan el estándar de conmutación de paquetes X.25, así como su propia estructura de paquetes. Estas redes se encuentran de acuerdo al modelo de referencia OSI. ARDIS especifica las tres primeras capas de la red y proporciona flexibilidad en las capas de aplicación, permitiendo al cliente desarrollar aplicaciones de software (por ej. una compañía llamada RF Data, desarrollo una rutina de compresión de datos para utilizarla en estas redes públicas).Los fabricantes de equipos de computo venden periféricos para estas redes (IBM desarrollo su "PCRadio" para utilizarla con ARDIS y otras redes, públicas y privadas). La PCRadio es un dispositivo manual con un microprocesador 80C186 que corre DOS, un radio/fax/módem incluido y una ranura para una tarjeta de memoria y 640 Kb de RAM. Estas redes operan en un rango de 800 a 900 Mhz. ARDIS ofrece una velocidad de transmisión de 4.8 Kbps. Motorola Introdujo una versión de red pública en Estados Unidos que opera a 19.2 Kbps; y a 9.6 Kbps en Europa (debido a una banda de frecuencia más angosta). Las redes públicas de radio como ARDIS y MOBITEX jugaran un papel significativo en el mercado de redes de área local (LAN´s) especialmente para corporaciones de gran tamaño. Por ejemplo, elevadores OTIS utiliza ARDIS para su organización de servicios. Redes De Area Local (LAN) Las redes inalámbricas se diferencian de las convencionales principalmente en la "Capa Física" y la "Capa de Enlace de Datos", según el modelo de referencia OSI. La capa física indica como son enviados los bits de una estación a otra. La capa de enlace de datos (denominada MAC), se encarga de describir como se empacan y verifican los bits de modo que no tengan errores. Las demás capas forman los protocolos ó utilizan puentes, ruteadores ó compuertas para conectarse. Los dos métodos para remplazar la capa física en una red inalámbrica son la transmisión de Radio Frecuencia y la Luz Infrarroja.

REDES INFRARROJAS

Las ondas infrarrojas se usan para comunicaciones de corto alcance no atraviesan los objetos sólidos lo cual ofrece una ventaja de no interferencia. Además, la seguridad de los sistemas infrarrojos contra espionaje es mejor que la de los sistemas de radio, no es necesario obtener licencia del gobierno para operar un sistema infrarrojo. Las redes de luz infrarroja están limitadas por el espacio y casi generalmente la utilizan redes en las que las estaciones se encuentran en un solo cuarto o piso, algunas compañías que tienen sus oficinas en varios edificios realizan la comunicación colocando los receptores/emisores en las ventanas de los edificios. Las transmisiones de radio frecuencia tienen una desventaja: que los países están tratando de ponerse de acuerdo en cuanto a las bandas que cada uno puede utilizar, al momento de realizar este trabajo ya se han reunido varios países para tratar de organizarse en cuanto a que frecuencias pueden utilizar cada uno. La transmisión Infrarroja no tiene este inconveniente por lo tanto es actualmente una alternativa para las Redes Inalámbricas. El principio de la comunicación de datos es una tecnología que se ha estudiado desde los 70 ´s, Hewlett-Packard desarrolló su calculadora HP-41 que utilizaba un transmisor infrarrojo para enviar la información a una impresora térmica portátil, actualmente esta tecnología es la que utilizan los controles remotos de las televisiones o aparatos eléctricos que se usan en el hogar. El mismo principio se usa para la comunicación de Redes, se utiliza un "transreceptor" que envía un haz de luz infrarroja, hacia otro que la recibe. La transmisión de luz se codifica y decodifica en el envío y recepción en un protocolo de red existente. Uno de los pioneros en esta área es Richard Allen, que fundó Photonics Corp., en 1985 y desarrolló un "Transreceptor Infrarrojo". Las primeros transreceptores dirigían el haz infrarrojo de luz a una superficie pasiva, generalmente el techo, donde otro transreceptor recibía la señal. Se pueden instalar varias estaciones en una sola habitación utilizando un área pasiva para cada transreceptor. La FIG 2.4 muestra un transreceptor. En la actualidad Photonics a desarrollado una versión AppleTalk/LocalTalk del transreceptor que opera a 230 Kbps. El sistema tiene un rango de 200 mts. Además la tecnología se ha mejorado utilizando un transreceptor que difunde el haz en todo el cuarto y es recogido mediante otros transreceptores. El grupo de trabajo de Red Inalámbrica IEEE 802.11 está trabajando en una capa estándar MAC para Redes Infrarrojas.

Redes De Radio Frecuencia Por el otro lado para las Redes Inalámbricas de RadioFrecuencia, la FCC permitió la operación sin licencia de dispositivos que utilizan 1 Watt de energía o menos, en tres bandas de frecuencia: 902 a 928 MHz, 2,400 a 2,483.5 MHz y 5,725 a 5,850 MHz. Estas bandas de frecuencia, llamadas bandas ISM, estaban anteriormente limitadas a instrumentos científicos, médicos e industriales. Esta banda, a diferencia de la ARDIS y MOBITEX, está abierta para cualquiera. Para minimizar la interferencia, las regulaciones de FCC estipulan que una técnica de señal de transmisión llamada spread-spectrum modulation, la cual tiene potencia de transmisión máxima de 1 Watt, deberá ser utilizada en la banda ISM. Esta técnica ha sido utilizada en aplicaciones militares. La idea es tomar una señal de banda convencional y distribuir su energía en un dominio más amplio de frecuencia. Así, la densidad promedio de energía es menor en el espectro equivalente de la señal original. En aplicaciones militares el objetivo es reducir la densidad de energía abajo del nivel de ruido ambiental de tal manera que la señal no sea detectable. La idea en las redes es que la señal sea transmitida y recibida con un mínimo de interferencia. Existen dos técnicas para distribuir la señal convencional en un espectro de propagación equivalente: La secuencia directa: (DSSS) En este método el flujo de bits de entrada se multiplica por una señal de frecuencia mayor, basada en una función de propagación determinada. El flujo de datos original puede ser entonces recobrado en el extremo receptor correlacionándolo con la función de propagación conocida. Este método requiere un procesador de señal digital para correlacionar la señal de entrada. El salto de frecuencia: (FHSS) Este método es una técnica en la cual los dispositivos receptores y emisores se mueven sincrónicamente en un patrón determinado de una frecuencia a otra, brincando ambos al mismo tiempo y en la misma frecuencia predeterminada. Como en el método

de secuencia directa, los datos deben ser reconstruidos en base del patrón de salto de frecuencia. Este método es viable para las redes inalámbricas, pero la asignación actual de las bandas ISM no es adecuada, debido a la competencia con otros dispositivos, como por ejemplo las bandas de 2.4 y 5.8 MHz que son utilizadas por hornos de Microondas. MOTORES PASO A PASO En los motores paso a paso se puede regular la velocidad y la dirección de giro como en los convencionales pero tienen la gran diferencia de que se pueden dejar en una posición fija y se puede hacer un giro del número de grados o de vueltas que deseemos. El estator está hecho con varias bobinas y el rotor consta de un imán permanente con un número de polos que depende del ángulo de cada paso. El número de pasos por vuelta de estos motores suele ser de 200, 96, 48 o 24. El giro del motor se hace conectando secuencialmente las bobinas y atrayendo hacia ellas al rotor. Dependiendo de como se vayan activando esas bobinas podemos hacer girar el motor de tres modos diferentes:

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Funcionamiento simple:

Las bobinas se activan una a una por separado, de esta forma se consigue un poco menos de fuerza pero el consumo es menor.

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Funcionamiento doble:

Cada vez se activan dos bobinas, así el motor tiene más fuerza ya que son dos bobinas las que arrastran y sujetan el rotor.

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Medio paso:

Es una mezcla de las dos anteriores, primero se activa una bobina y luego dos, así el ángulo de los pasos se reduce a la mitad al igual que la velocidad. Existen 2 tipos de configuración para los motores paso a paso: unipolares y bipolares. Los motores unipolares tienen una toma intermedia en cada bobina, esta vá a Vcc o a masa según sea el circuito de control, luego solo tenemos que alimentar la bobina correspondiente. Tienen 6 cables pero en algunos modelos los dos comunes están unidos internamente y solo tienen 5.

Los motores bipolares no tienen toma intermedia en las bobinas y para controlarlos se necesita invertir la alimentación de estas con un puente en "H" o un driver del tipo L293.

WEBS

http://www.bluetooth.com http://www.eveliux.com/articulos/bluetooth.html http://es.wikipedia.org/wiki/Bluetooth http://www.tiramillas.net/guiautil/bluetooth/alternativas.html www.fieldbus.org www.bosh.de/KB/can a CAN. www.Kvaser.se

Fieldbus Organization. Página de la Bosh dedicada KingDom CAN apllications.

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