REDES DE COMUNICACIONES

Control centralizado

Hasta los años 60 el control era centralizado, llevándose a cabo mediante relés,

condensadores y resistencias con señales analógicas de entre 4 y 20 mA. Todas estas señales

se llevaban a un armario cerca de la planta, en el centro de control, guiadas mediante

cables. Había un excesivo número de los mismos, pues se tenía al mismo tiempo cables de

señales y de alimentación, y además se provocaban interferencias y caídas de tensión. Todo

esto desembocaba en un mantenimiento complicado.

Control distribuido

Más adelante aparecen los primeros dispositivos con microprocesador, como los

controladores lógicos programables (PLCs). Los cambios son programados y no suponen

ningún cambio de hardware. Los sistemas complejos se subdividen: hay controladores

propios junto a cada planta, y la comunicación entre subsistemas es digital, mediante buses

de campo. Los buses de campo son el único medio para transmitir todas las señales (lo que

deriva en una reducción importante del número de cables de la instalación), permiten la

programación y supervisión remota de los controladores, así como realizar diagnósticos y

acceder a la información de los mismos.

Computer lntegrated Manufacturing

Se realizan mediante los denominados sistemas SCADA. La información se almacena en

bases de datos accesibles desde toda la empresa, y permite realizar una evaluación de

estrategias a nivel global (procesos productivos, recursos humanos, logística, etc.)

Pirámide de comunicaciones industriales

Los niveles de comunicación de una industria pueden ordenarse en una pirámide: el nivel

básico o de campo, el nivel de célula, el nivel de planta y en la cima el nivel de oficina. A

mayor nivel, más volumen de datos se maneja, y al mismo tiempo las necesidades de

velocidad de transmisión y procesamiento de datos se reducen. A nivel de campo los

controladores deben ser capaces de trabajar a muy altas velocidades, pero con unos

paquetes de datos de pequeño tamaño.

Modelo OSI (open systems interconnection)

Se definen siete niveles de comunicación, cada uno de los cuales se comunica con su

homólogo en el otro dispositivo haciendo uso de las capas inferiores.

1. Capa física: define las carácterísticas mecánicas {conectores) y eléctricas (forma de

las señales eléctricas) del medio físico, las topologías aceptadas y el modo de

emisión.

2. Capa de enlace: crea los paquetes de datos con su longitud adecuada, detectando y

corrigiendo los errores, y además especifica el acceso al bus. Se puede subdividir en

LLCy MAC.

3. Capa de red: Se encarga del direccionamiento (fragmentado y en distintas rutas) y

del control de flujo.

4

Capa de transporte

Establece un enlace fiable entre terminales, según una orden

de envío y recepción, así como peticiones de renvío en caso de error o pérdida de

paquetes. Además, marca la frontera entre las capas de subred y las de aplicación.

S. Capa de sesíón: administra las comunicaciones entre equipos, siguiendo una

organización concreta del proceso (establecimiento, mantenimiento y finalización),

y sincroniza el intercambio de datos.

6. Capa de presentación: convierte los datos a formato común, ordenando los bytes y

aplicando juegos de caracteres, así como compresión de datos. No suele aparecer, y

la función la lleva a cabo la capa
7.

7. Capa de aplicación: da acceso a la red a las aplicaciones {transferencia de ficheros o

FTP, correo electrónico, navegación web, etc.).

No siempre es posible reconocer los 7 niveles, ya que depende del tipo de comunicación.

Estándar ISA/SPSO

• SP 50.1: define el estándar analógico de 4-20 mA

• SP SO para señales digitales

Implementa solo tres niveles OSI: el físico, el de enlace y el de aplicación. Los demás

niveles se omiten. Además, agrega el nivel de usuario, el cual permite la

intercambiabilidad de instrumentos e implementa las bases de datos (para la

funcionalidad de los instrumentos y adquirir datos), y también agrega la capa de

supervisión (niveles 1-7), que lleva a cabo labores de monitorización,

parametrización y configuración, es decir, gestión de redes y sistemas.

Protocolo CIP

Este protocolo trata de unificar la gestión de los dispositivos conectados a distintos tipos de

redes. Realiza una aproximación basada en objetos: hay perfiles (clases) de distintos

dispositivos, con la definición de sus atributos, servicios y comportamientos.

Capa física

Medios

El intercambio de información entre dispositivos se realiza a través de transportes de

energía. Los medios de transporte pueden ser cables eléctricos, fibra óptica, enlaces ópticos

(como el infrarrojo, usado para cortas distancias) o radiofrecuencia (menos de 1 GHz es baja

frecuencia, y más de 1 GHz microondas, de gran capacidad pero que requiere que no haya

objetos interpuestos; los satélites emplean microondas).

Ruido eléctrico

El ruido eléctrico se debe a fuentes de ruido que producen cambios rápidos en voltaje o

corriente. Algunos ejemplos son el arranque de grandes motores, tubos fluorescentes,

rayos, fallos eléctricos o equipos de soldadura.

Los mecanismos que producen el acoplamiento de las fuentes con el circuito afectado son

principalmente cuatro:

• Acoplamiento por impedancia

Cuando varios circuitos comparten conductores comunes se pueden producir

señales de retorno de distintos circuitos. Se soluciona empleando un cable de

retorno para cada señal.

• Acoplamiento electrostático o capacitivo

La magnitud del ruido de los hilos depende de la longitud afectada por la fuente,

inversamente de la distancia a la fuente y de la amplitud y frecuencia de variación

del voltaje de ruido. Se puede reducir separándolos de la fuente, reduciendo la

amplitud y frecuencia del ruido, apantallando los hilos (creando un camino de baja

impedancia que debe estar a tierra en un solo punto) o trenzando los hilos, de

forma que se cancela el efecto en cada hilo del par.

• Acoplamiento magnético o inductivo

Es similar al acoplamiento capacitivo pero depende de la variación de la intensidad.

Se reduce trenzando pares, lo que reduce área y cancela las corrientes inducidas, o

bien apantallando, lo que genera un campo magnético opuesto. Este

apantallamiento no es necesario que se conecte a tierra.

• Radiación en radiofrecuencia

Inducen acoplamientos capacitivo e inductivo, y se reduce apantallando (en caso

contrario, el conductor actuaría como una antena) y colocando condensadores que

dirigen los voltajes inducidos a tierra.

Un circuito se puede aislar de otro para evitar el paso de los ruidos empleando un

optoacoplador o un transformador. El transformador es más adecuado si hay transitorios

muy rápidos.

Medios: cable eléctrico

El cable eléctrico está formado por conductores, caracterizados por:

• Tipo: un único sólido grueso o hilos finos enrollados juntos.

• Número: simple, doble o multihilo (desde 3 a varias docenas).

• Aislante, que rodea los conductores.

• Cobertura externa: mantiene los elementos juntos y protege del ambiente.

Medios: cable coaxial

Formado por un núcleo de cobre, un aislante dieléctrico, una malla conductora y una

cubierta protectora. La impedancia del cable depende de los diámetros y de las propiedades

del dieléctrico.

Las ventajas de este cable es que sus aplicaciones son muy variadas (transmisión de voz,

datos y vídeo), es fácil de instalar y tiene un precio razonable. Sin embargo, se daña con

facilidad, es más difícil de trabajar que un par trenzado y los conectores pueden ser caros.

Además, da problemas de circuito abierto o cortocircuito con los conectores y errores en la

impedancia.

Medios: cable de par trenzado

Un par son dos conductores aislados, sólidos o de hilos finos de cobre, enrollados en torno a

unas 40 vueltas por metro. Un cable se compone de varios de estos pares, siendo lo común

en redes 2 o 4 pares.

Hay varios tipos de cable dependiendo de:

• Pantalla: sin pantalla, malla para todos los conductores, hoja alrededor de todos los

conductores, hoja alrededor de cada par, o hoja alrededor de cada par y malla para

todos los conductores.

• Cobertura: PVC, teflón o kynar.

• Categorías: en función del ancho de banda.

Las ventajas de este cable son varias: facilidad de conexión de los dispositivos, buen

bloqueo de interferencias (STP) y barato y fácil de instalar (UTP). No obstante, a veces

pueden ser voluminosos y difíciles de manejar (STP) o tener más interferencias que el cable

coaxial o la fibra óptica (UTP).

Algunos problemas típicos que sufren son atenuación excesiva si son demasiado largos,

errores en el conector por haber cruce de pares o diafonía (crosstalk) entre pares.

Medios: fibra óptica

Utiliza señales luminosas a través del núcleo. Se realizan con un material transparente, ya

sea plástico (que es más resistente) o vidrio (que otorga una menor atenuación a la señal).

Esta señal se refleja en el revestimiento del cable, y actúa de guiaondas para señales

luminosas, las cuales por sus carácterísticas no sufren de interferencias electromagnéticas.

Un cable de fibra óptica agrupa varias fibras rodeadas por una cubierta. Estos pueden tener

estructura holgada, en el cual se rellenan de gel, o bien una estructura densa.

Se tienen varios tipos de cable:

• Monomodo: este tipo únicamente tiene un haz luminoso paralelo al eje. Esto le

otorga un diámetro muy pequeño y una capacidad de transmisión entre largas

distancias (400 km) con un láser de alta densidad.

• Multimodo: este tipo consta de varios haces con distinto ángulo de refracción.

Debido a ello, no pueden cubrir distancias demasiado grandes (2 km) pero su núcleo

tiene mayor tamaño, permitiendo un conexionado y manejo más fácil.

Las principales ventajas de este tipo de cable incluyen la reducida absorción de energía por

parte del núcleo, lo que se traduce en pocas pérdidas y por tanto en una gran capacidad para

transportar información entre largas distancias; un gran ancho de banda debido a que es un

medio mucho más rápido que si se realizase por cable; inmunidad electromagnética al

tratarse de una señal luminosa; y una gran ligereza y flexibilidad que posibilitan una fácil

instalación del cable.

Los cables de fibra óptica también tienen inconvenientes, principalmente que los

transmisores y receptores de este tipo son caros, su conexionado es complicado y las fibras

que se encuentran en el seno del cable son frágiles, sobre todo si son de vidrio.

Modos de emisión

Los sistemas de transmisión de información a través de la capa física se pueden agrupar en

distintas categorías.

• Transmisión según el nivel de tensión. Puede estar limitado por la longitud del

cable (un aumento de la capacitancia se traduce en la desaparición de armónicos) y

porque las perturbaciones eléctricas afectan directamente (debido a ello se emplea

tensión diferencial, ya que las perturbaciones afectarían por igual a ambas

tensiones).

• Transmisión según la corriente que circula por ellos. Este sistema es más robusto a

perturbaciones que si se emplea tensión. Para señales analógicas se emplea un

nivel de corriente comprendido entre 4 y 20 mA.

• Mediante una señal moduladora oscilatoria. En banda base se producen variaciones

de tensión según los datos transmitidos. La portadora es una señal sinusoidal

modificada en amplitud, frecuencia o fase.

Por otro lado, los modos de transmisión son principalmente dos:

• En paralelo, consistente en varios conductores por los cuales se envía el dato

simultáneamente y a gran velocidad, pero a una distancia limitada. Algunos

ejemplos de transmisión paralela son los buses de los ordenadores o buses

industriales como el ISA, PCI, VME o GPIB.

• En serie, donde el dato se envía a través de un único par de hilos mediante una

multiplexación en el tiempo. Por este detalle, es necesaria una temporización, que

puede ser síncrona si se envía una seflal de reloj (por ejemplo con los buses SPI) o

asíncrona si no se envía esta señal (como los buses RS232, RS422 o RS485).

El tipo de codificación de línea es la forma en la que se expresa cada bit, ya sea como

variación de voltajes o de intensidad, o según cómo se imprimen (código de barras) o cómo

se magnetiza el elemento (discos duros), entre otros. Las formas más utilizadas son la

codificación directa, en la que se emplea un nivel para cada bit, y la codificación

Manchester, que hace corresponder un flanco a cada bit.

Topología

La topología es la distribución de los equipos alrededor del medio.

• Estrella:
Todos los equipos están conectados a uno central, que se conoce como HUB.

Este HUB es un factor muy importante en esta topología, pues un fallo en el mismo

paraliza la red, y la ampliación de la misma y su rendimiento están limitados a la

capacidad que tenga el HUB. Además, necesita una mayor cantidad de cableado. Sin

embargo, todo esto se traduce en un sistema muy sencillo de mantener.

• Anillo:
Los equipos se conectan como un anillo y la comunicación se realiza

mediante el paso de un testigo. Esta morfología permite poder realizar un

reconocimiento automático de la red, además de conseguir que la señal se regenere

en cada nodo, siendo por ello más difícil que se pierda o se vea afectada por

perturbaciones. Debido a esta forma en anillo, un fallo en un nodo interrumpe el

tráfico de datos, y tampoco se puede ampliar en funcionamiento. Además, el

diagnóstico de fallos es difícil.

• Bus:
un bus es un segmento de cable a donde se conectan todos los equipos. Este

tipo de conexión permite usar una menor longitud de cable, así como poder

conectar y desconectar equipos sin que afecte al sistema. Además, la velocidad de

transmisión es bastante alta. Por otro lado, compartir el segmento de cable hace

que si hay una sobrecarga el rendimiento baje considerablemente.

• Árbol:
combina la topología en bus, anillo y estrella.

• Malla:
cada nodo se une a varios creando una malla o red. Al haber múltiples vías de

comunicación hacia un nodo en concreto, aumenta la fiabilidad y tolerancia a fallos,

aunque a costa de un mayor gasto económico y un cableado más extenso.

Independientemente de la topología de la red, esta se puede clasificar en tres tipos según

la extensión que cubren:
WAN (wide área network) si cubre necesidades internacionales,

MAN (metropolitan área network) si abarca una ciudad entera, o LAN (local área network) si

hablamos de redes de área local con un alcance limitado (un máximo de 1 km), estando

destinada por tanto a edificios o industrias.

Capa de enlace

Diálogo

El diálogo entre dos equipos puede ser de tres tipos distintos:

• Simplex:
un sólo emisor y un sólo receptor realizan una comunicación con la

información fluyendo siempre en el mismo sentido.

• Half-dúplex:
se produce entre dos puntos y en ambos sentidos, pero nunca fluye en

las dos direcciones a la vez.

• Full-dúplex:
comunicación bidireccional y simultánea.

Comunicación entre nodos

Tenemos dos tipos de comunicación:

• Punto a punto:
cada paquete tiene un único destinatario. Si hay varios destinatarios

se deben enviar varios mensajes, lo cual conlleva una alta ineficiencia (la misma

información se emite varias veces) e inexactitud (llegan en instantes de tiempo

diferentes).

• Difusión:
también llamado broadcast, consiste en un mensaje que se transmite a

todos los destinatarios, identificando el paquete enviado con una etiqueta. Todos

los que estén interesados pueden leer esa etiqueta, lo que conlleva un acceso

simultáneo a un único paquete enviado (sincronismo y economización de recursos).

Organización de nodos

Los nodos en una red se pueden organizar de varias maneras:

• Maestro-esclavo:
Un único equipo tiene el control total de la red, ya sea de forma

permanente o temporal. El maestro se encarga de iniciar la comunicación, y los

esclavos contestan a sus peticiones.

• Cliente-servidor:
Los nodos proporcionan un servicio que puede ser solicitado por

otros nodos cliente. El servidor entonces responde al cliente con la información que

desea. Un nodo puede ser a la vez servidor y cliente.

• Productor-consumidor:
Se basa en la difusión de mensajes cuando se considera

necesario.

Enlace de datos LLC

Un enlace es una uníón lógica entre estaciones, que puede ser estático si está activo todo el

tiempo y sólo se emplea si sobran recursos, o dinámico si va cambiando de interlocutor,

consiguiendo un mejor aprovechamiento de los recursos.

El MAC (media access control) es el modo de conectarse a la 1 ínea de transmisión. Hay varias

variantes:

• Polling: el maestro consulta a los esclavos. La comunicación entre esclavos es a

través del maestro.

• Multiplexado temporal (TOMA): un único paquete tiene información para todos los

esclavos, los cuales saben qué parte del paquete es para él y pueden leerla y

modificarla.

• Productor-consumidor: es un mecanismo de difusión en el que cada variable tiene

un identificador único. Todos reciben el dato, pero sólo lo usan los interesados.

• Token determinista: el testigo del permiso se va pasando entre estaciones. Cada

estación tiene un tiempo de posesión determinado (tiempo máximo de circulación).

Hay algunas variantes para distintas topologías, como el token-ri ng para la topología

en anillo y el token-bus para los buses.

• Token estocástico: en esta modalidad cualquier estación puede emitir si el medio

no está ocupado. Hay tres variantes de este método:

o Arbitraje por prioridad: el identificador contiene un valor de prioridad. Si se

produce una colisión de dos datos, el que tenga el identificador con mayor

prioridad continúa, mientras que el otro se detiene.

o Detección de colisión: si se produce colisión las tramas se pierden y se

espera un tiempo aleatorio para el envío. Obviamente, si hay más

estaciones el número de colisiones aumenta, lo que puede acabar en

saturación de la red.

o Evitación de colisiones: se envía una trama especial de reserva del bus.

Interconexión de redes

• Repetidor: a la hora de conectar varias redes entre sí, las señales pueden perder

fuerza si la distancia es grande. Para ello se emplean repetidores situados en la capa

física, que:

o Permiten regenerar las señales eléctricas, que permiten alargar el segmento

en ambas direcciones.

o Pueden cambiar de medio o norma, por ejemplo consiguiendo pasar de

coaxial a par trenzado.

o Se pueden crear hubs, buses con topología estrella.

o No necesitan configuración.

o No resuelven problemas de tráfico, por lo que retransmiten las colisiones o

información errónea.

• Puente: un puente (bridge o switch) se establece en la capa de enlace y permite unir

redes del mismo tipo y protocolo. Para ello, el puente almacena los paquetes

recibidos y los analiza, eliminándolos si son erróneos o enviándolos al destinatario

si está en una rama distinta.

• Router: establecido en la capa de red, une redes de igual protocolo aunque tengan

distinta configuración o estructura.

• Pasarela: también conocida como gateway, une redes de distinto protocolo (por

tanto se establece en la capa de red). Sus funcionalidades incluyen almacenar

paquetes a nivel de transporte, adaptar los formatos al destino y enviarlos a la red y

estación de destino.

Comunicaciones paralelas y seriales

La comunicación entre dos puntos, atendiendo a la disponibilidad de los bits, puede ser de

dos tipos: paralela o serial.

• Comunicación paralela: todos los bits están disponibles simultáneamente. El

momento en que esto suceda se decide mediante un arbitraje, ya sea simple (dato

disponible) o completo (listo para recibir y dato disponible). El bus GPIB es un bus

de comunicación paralela empleado en instrumentación.

• Comunicación serial síncrona: en una comunicación serial de cualquier tipo, la señal

se multiplexa en el tiempo, esto es, en vez de enviarse todos los bits de

información simultáneamente, estos se envían de uno en uno. Cada bit dura un

cierto tiempo.

En el caso de la com. Serial síncrona, esta transmisión se sincroniza con una señal de

reloj generada por un dispositivo maestro. El reloj viene incorporado en esos datos,

empleando una codificación Manchester (un flanco en cada bit) y caracteres de

sincronismo al principio y al final para que el receptor pueda determinar el reloj.

• Comunicación serial asíncrona: al contrario que en la síncrona, en este caso la

sincronización se produce a partir de la señal, establecíéndose un acuerdo en la

velocidad de transmisión. La estructura del mensaje es simple: un bit que señala el

inicio del mensaje, 7 u 8 bits de datos, un bit de paridad opcional que indica si es par

o impar y el bit que indica el final del mensaje.

BUSES DE CAMPO

Requisitos

Para que un bus de campo se considere como tal, debe cumplir una serie de requisitos:

• Integración de datos de distintos tipos para distintos dispositivos

• Integración de dispositivos de distintos fabricantes

• En tiempo real, esto es, debe tener un ciclo de bus conocido

• Protocolo eficiente que cause poca sobrecarga

• Alta seguridad: debe ser inmune a perturbaciones, con lo cual la velocidad no debe

ser alta.

• Ser ampliable

• Ser diagnosticable

• Estar disponible en el mercado

Buses de bajo nivel

• MAP-TOP:
De las siglas Manufaduring Automation Protocol, desarrollado por GM en

1980. La capa física se compone de una modulación mediante una portadora FSK

(variación de frecuencia).

En banda ancha caben varias frecuencias por cable (varios canales) con velocidades

de hasta 10 MBit/s por canal. Por otro lado, la banda base es más barata pero más

lenta (5 MBit/s), y sólo hay un solo canal por cable. El MAC empleado es el de paso

de testigo (token determinista).

En la capa de aplicación se tienen el FTAM para transferencia de ficheros, el MMS

para conectar sistemas robóticas y el ACSE para comunicar programas.

Por otro lado, TOP (de las siglas Technical O/fice Protocon es otro bus desarrollado

por Boeing y que tiene muchas similitudes con MAP. En la capa física implementan

ethernet, token-bus y token-ring, así como fibra óptica. En la capa de aplicación

cuentan con ACSE, FTAM, CCITT X.400 para correo electrónico y otros.

• lnterbus

: este bus está muy difundido en la industria y está optimizado para

entradas y salidas numéricas. La capa física se compone de un solo maestro y hasta

512 esclavos, con tipología de anillo activo (cuenta con un bus remoto y un bus

local). La asignación de direcciones se hace por la posición en el bus, evitando así

errores. Los medios empleados incluyen un doble par RS485+Vcc con un rango de

400m, fibra óptica con un rango de 3.6 km e infrarrojos con un rango de 200m. La

velocidad que alcanza este bus es de 500 KBit/s.

La trama es aditiva, lo que significa que hay datos para todos los esclavos

distribuidos según su posición en el bus. Debido a esto, la longitud del mensaje es

fija, haciendo que el tiempo de ciclo también lo sea, y por tanto siendo un sistema

determinista (sabemos cuándo va a pasar). Como la trama regresa al maestro, el

sistema es fiable, y debido a su baja velocidad y el uso de fibra óptica, es inmune a

ruido y perturbaciones. Se puede desconectar una rama en funcionamiento.

• HART:
Emplea los tendidos eléctricos con señales de 4 a 20 mA analógicas, lo que

permite rentabilizar la inversión. Es posible también emplear FSK en el rango ±0.5

mA para señales digitales.. Los dispositivos son inteligentes, permiten variar

parámetros, estado y otros ajustes. Se pueden conectar hasta 15 dispositivos a un

cable pero sólo por transmisión digital a 4 mA. El rango es de hasta 3 km.

Los modos de comunicación son maestro-esclavo o difusión, si sólo hay un único

dispositivo. En el nivel de comunicación hay tres clases de comandos:

o Universales: leer {fabricante, variable principal, valor en porcentaje)

o Habituales: leer hasta 4 variables dinámicas, fijar el periodo de muestreo,

realizar testeo, fijar función de transferencia, etc.

o Específicos del instrumento

• AS-interface:
creado en 1994 por un grupo de 11 fabricantes distintos y aplicando

estándares europeos e internacionales, está orientado a sensores y actuadores

binarios con un bit por elemento. Por ello, no puede trabajar con señales analógicas.

A nivel físico se tiene un cable de dos hilos sin trenzar. El color del cable indica qué

conduce: si es amarillo, es el cable básico de alimentación y comunicación; si es

negro, se trata de un cable de alimentación auxiliar a 24 VDC; y si es rojo es un cable

de alimentación auxiliar de 220VAC.

Este bus es compatible con conectores vampiro, que atraviesan la cobertura para

hacer contacto. Estas marcas son autocicatrizantes y permiten además fijar en un

carril DIN los conectores.

El consumo máximo de cada dispositivo es de hasta 65 mA, siendo necesaria una

línea auxiliar de alimentación en caso contrario. El protocolo de comunicación es

maestro-esclavo, un único maestro y hasta 31 esclavos con un máximo de 124

entradas y 124 salidas de tipo digital. La topología es flexible, permitiendo redes en

estrella, bus o árbol.

En la capa de enlace el maestro llama a cada esclavo con un paquete de llamada de

14 bits en el que pueden haber distintas solicitudes. El maestro recibe entonces un

paquete de respuesta de 7 bits. Conocidas las longitudes de los mensajes, se sabe

que el ciclo dura 5 ms. Para comunicar se emplea una codificación Manchester de

onda sinusoidal que otorga gran robustez a la comunicación. La dirección de los

esclavos se guarda en memoria no volátil y es asignada por el maestro.

Existen tarjetas maestro para PLC que presentan entradas y salidas al autómata,

conectores para RS232, RS422 y RS485, pasarelas Profibus, tarjetas para PC y

configuradores manuales.

• CANopen:
creado por Bosch para reducir el cableado de los automóviles, se

convirtió en un estándar en 1993 y hoy día es usado por la mayoría de fabricantes

europeos. Debido a su robustez y eficacia se emplea en aplicaciones industriales

(transporte público, ascensores, vehículos municipales, control industrial).

El bus trabaja en modo difusión, enviando mensajes con ID, no con una dirección, ya

que ni hay maestro. Los paquetes son de hasta 8 bytes de datos, y tiene un sistema

de prioridades no destructivo para organizar la red. Si algún nodo está defectuoso, la

red puede desconectarse de él. Las velocidades máximas dependen de la distancia

que cubren, la topología y el número de dispositivos.

El medio es un par trenzado de 2 o 4 hilos con una resistencia terminadora de 120

ohm. La transmisión es diferencial ( NRZ, Non Return to Zero, en todo momento hay

voltaje en la línea), en la que se definen dos niveles: dominante (O), con una

diferencia entre uno y otro de 2V, y recesivo {1), donde ambas señales son iguales.

La topología es o bien en cadena, o bien con derivaciones conectadas a la línea

principal que pueden provocar reflexiones (motivo por el cual no superan los 30

cm). También se puede implementar un modo mixto que es combinación de los dos

anteriores. Los conectores son DB9, RJ45, abiertos o mini-DIN de 5 pines.

El paquete enviado tiene un identificador de 11 bits y un bit RTR de solicitud de

transmisión. Para acceder al medio se usa un arbitraje con prioridad a bit: se hace

una operación ANO que da más prioridad al O que al l. Cada nodo escucha a la vez

que envía.

La gestión de errores la cubre un bit (ACK) que emite en recesivo, luego debe ser

activado a dominante por algún receptor. Además, cuenta con un CRC de 15 bits, lo

que se traduce en una probabilidad casi nula de no detectar cualquier posible error.

La trama de error se produce si un receptor no reconoce la trama. Para indicar los

estados de error se tienen dos contadores de error: TEC (errores de transmisión) y

REC (errores de recepción). En base a estos dos contadores, hay tres posibles

estados:

o Error activo: TEC <>128 y REC <>128. Envió error.

o Error pasivo: TEC > 128 y REC > 128. Error recesivo.

o Bus OFF: TEC > 255. Se ha desconectado del bus.

En caso de que los datos a enviar ocupasen más de 8 bytes, se transmiten 7 bytes por

paquete utilizando el primer byte para especificar la secuencia.

La capa de aplicación incluye unas especificaciones que debe cumplir el dispositivo

en forma de perfiles. El perfil define los datos mínimos que debe tener un

dispositivo. Los hay de varios tipos: básico, de E/S distribuidas, variadores y control

de movimiento, medida y control en lazo cerrado, etc. Se cuenta con un diccionario

de objetos en el que cada objeto se indexa con un índice de 16 bits y un subíndice de

8 bits. A cada dispositivo se le asocia una hoja de datos electrónica que describe,

entre otros, las funcionalidades y parámetros de comunicación, las carácterísticas

del dispositivo y el funcionamiento.

Se tienen distintos servicios dentro de este sistema:

• PDO o servicio de objetos de procesos

• SDO o servicio de objetos de datos

• SFO u objetos funcionales especiales

• MNT o gestión de red

Una variante de este sistema es el DeviceNet desarrollado a principios de los 90

basado en el bus CAN. Lo emplean compañías americanas y emplea el sistema

maestro-esclavo a pesar de ser un bus CAN.

Buses de alto nivel

• Profibus:
Creado por fabricantes alemanes a finales de los 80, implementa varias

normas europeas y está extendido por todo el mundo. Cuenta con tres perfiles:

O FMS: implementa el nivel OSI 7 permitiendo gran transferencia de datos.

o DP:
periferia descentralizada. Implementa los niveles OSI 1y2 sobre RS48Sy

permite un volumen medio de datos.

o PA:
DP ampliado. Introduce zonas de seguridad extrínseca mediante

reducción de voltajes y corrientes.

El Profibus tiene dos tipos de dispositivos: maestros y esclavos. Los maestros son

estaciones activas que inician las comunicaciones, mientras que los esclavos son

estaciones pasivas que confirman la recepción de los mensajes y mandan otros a

petición del maestro. Los maestros pueden funcionar de modo normal (DPMl) o en

modo de programación, configuración o diagnóstico (DPM2). En cambio, los esclavos

sólo tienen un único modo DP-Slave en el que se comportan como sensores y

actuadores. A los esclavos se les asigna un único maestro.

En el proceso de transferencia de datos desde un DPMl a un DP-Slave se pueden dar

estos casos:

o Modo cíclico envío-recepción

o Modo sync: los esclavos congelan sus salidas. En el siguiente sync vuelcan

sus salidas a campo.

o Modo freeze: los esclavos congelan sus entradas. Los datos sólo se actualizan

al recibir otro freeze.

o Modo OPERATE: la respuesta ha llegado en el tiempo esperado.

o Modo CLEAR: la respuesta se ha retrasado.

El maestro fija la salida de todos

sus esclavos a modo seguro. Los esclavos internamente también tienen una

temporización, y pueden fijar sus propias salidas a modo seguro.

Físicamente, el Profibus consiste en un bus terminado en ambos extremos,

empleando un cable de par trenzado apantallado. La velocidad de transmisión varía

con la distancia, entre 9.6 Kbps y 12 Mbps. Pueden ponerse hasta 32 estaciones,

ampliables hasta 127 con el uso de repetidores.

En el nivel de enlace, el acceso al medio se hace por dos métodos:

O Testigo:
es la comunicación que se realiza entre maestros. Se hace en orden

ascendente de direcciones: el de ID más bajo inicia el proceso tras el

encendido o si el testigo se pierde. Cada maestro trata de pasar el token 3

veces, probando después con el siguiente. Los maestros entran

automáticamente en el anillo.

o Muestreo:
sólo lo realiza el maestro que tiene el testigo. Puede hacerlo a

los esclavos que tiene asignados o a otros maestros. Permite el envío de

mensajes de alta prioridad incluso sin muestreo.

Existe la posibilidad de enviar mensajes a un único destinatario o hacer un broadcast

para toda la red o un multicast para un grupo concreto. En cuanto a las posibilidades

de transmisión, los datos se pueden enviar con o sin confirmación, con respuesta o

cíclicamente con respuesta.

A nivel de aplicación el Profibus cuenta con el FMS: Field Message Specification. Se

puede ver como un proveedor de servicios confirmados o sin confirmar. Esos

servicios pueden ser muy variados: establecer conexión, acceder a variables, arrays

y 1 istas, acceder a bloques de memoria, gestionar eventos, etc.

Mediante un sistema 1 lamado LLI (Lower Layer Interface) el Profibus adapta el nivel 7

al nivel 2 para controlar el flujo y monitorizar la conexión. Las comunicaciones que

soporta son varias: sin conexión puede realizar un broadcast o un multicast; con

conexión puede existir comunicación maestro-maestro o maestro-esclavo.

Por otro lado, el FMA (Fieldbus Management Services) permite abrir y cerrar las

comunicaciones de gestión, así como gestionar configuraciones y fallos.

El modelo de comunicación permite la gestión de procesos distribuidos. Se definen

dispositivos virtuales de campo en el que cada elemento es un objeto de la

comunicación. Los objetos disponibles están en el diccionario de objetos, donde se

recogen los tipos de datos soportados y su direccionamiento.

• Modbus:
Es un estándar abierto usado por muchos fabricantes que consigue la

integración entre ellos. No se define un nivel físico pero suele implementarse sobre

RS232 o RS485 y por ello está sujeto a sus limitaciones en velocidad y nº de

estaciones. Hoy día se está también pasando a TCP/IP (Modbus/TCP).

Cada dispositivo tiene una dirección. Normalmente se conectan en

maestro-esclavo. El dispositivo tiene una serie de registros, los cuales pueden

solicitarse o fijarse su valor.

Hay dos modos de transmisión:

o Modbus ASCII: los datos se transiferen en ASCII. El chequeo de error se hace

con un LRC.

o Modbus RTU: los datos se envían en binario. El chequeo de error se hace

mediante un CRC y es más eficaz, luego es la forma preferida de trabajar.

El Modbus RTU tiene cuatro campos:

O Campo 1: dirección del esclavo (1 byte). Está tanto en el envío como en la

respuesta y el rango va de 1a247.

o Campo 2: función a realizar (1 byte). En la respuesta se devuelve este byte

exactamente igual si se ha realizado, o con el MSB a 1 si no puede realizarla.

o Campo 3: datos (tamaño variable). Se incluye información para la función o

información de respuesta según proceda.

o Campo 4: CRC16 (2 bytes).

Las funciones pueden ser de lectura o escritura de datos. Los rangos de memoria se

asignan según el tipo que sean: 1-10000 DOs, 10001-20000 Dls, etc.

En caso de error, la respuesta incluirá la dirección del dispositivo, el código de

función con el MSB a 1, el código de error y el CRC.

Existe una versión Plus del Modbus que permite comunicación entre varios

segmentos. El campo de dirección se amplía para especificar hasta 5 saltos de red,

puentes se encargan del en ca mi namiento y hay hasta 64 IDs distintas por segmento.

El que tenga el testigo se convierte en el maestro de la red.

• Ethernet industrial

: desarrollado por Xerox a mediados de los años 60, se convierte

en un estándar en 1983. Tiene ligeras diferencias con el Ethernet común. Hoy día es

el tipo de red más utilizada: es estándar, fiable y barata, por lo que está entrando

rápidamente en el mundo industrial.

El estándar internacional define cuatro medios con una velocidad de 10 Mbps:

o 10Base5: cable coaxial grueso. Topología en bus, rango máximo de 185 m.

o 10Base2: cable coaxial fino. Topología en bus, rango máximo de 500 m.

o lOBaseT: cable UTP. Topología en estrella, rango máximo de 100 m.

O lOBaseF: fibra óptica. Punto a punto.

Las señales usan codificación Manchester. El acceso al medio es half-dúplex

mediante CSMA/CD: el nodo espera hasta que el bus esté inactivo para comenzar

entonces una transmisión escuchando al mismo tiempo. Si lo que transmite es

distinto de lo que recibe es que ha ocurrido una colisión, y espera un tiempo antes

de intentarlo de nuevo.

El formato del paquete tiene un preámbulo de 7 bytes para sincronización, para

luego indicar el comienzo del paquete mediante un byte especial. A continuación se

especifican las direcciones de fuente y de destino de 6 bytes cada una. Vienen fijas

de fábrica. Lo siguiente que se incluye es la longitud del campo de datos, que

precede a los datos en sí. Si el paquete es menor de 64 bytes se rellena con bytes

vacíos hasta llegar a esa cifra. Por último, se incluye el FCS, un CRC de 32 bits.

Existe un tipo de Ethernet rápido llamado Fast Ethernet, en la que se recogen dos

versiones de Ethernet a 100 Mbps: lOOBaseTX (con dos pares de cable UTP cat. 3) y

100BaseFX (con dos fibras multimodo). Este modo utiliza full-dúplex, por lo que el

HUB debe ser un switch y no hay colisiones. Se produce una autonegociación.

Una versión superior (Giga bit Ethernet) circula a lGbps y transmite paquetes de 512

bytes mínimo.

Las primeras versiones del Ethernet industrial no eran aptas para el entorno.

Posteriormente se implementó el estándar de facto que implementaba las capas 1 y

2 de buses tradicionales. Los conectores son RJ45, poco adecuados para ciertos

ambientes pero que protegen el conector, o bien M12, resistentes a polvo,

temperatura, vibraciones, etc.

Un ciclo típico de un proceso industrial ocupa entre 5 y 20 ms. El método CSMA/CD

es indeterminista, da origen a colisiones y congestión. El Ethernet lOBaseT trabaja

típicamente de 10 a 100 mensajes, por lo que la ocupación debe bajar al 10% de la

capacidad. El problema se reduce utilizando otras arquitecturas del Ethernet, como

por ejemplo el Gigabit.

Otro problema es que el protocolo necesita añadir muchos bytes para enviar un

mensaje corto, lo que puede dar lugar a sobrecargas. El problema se soluciona

usando full-dúplex o 0.1 ó 1 Gbps.

Para atenuar los ruidos que puedan ocurrir, se elige un medio adecuado o se sitúan

los tendidos alejados de las fuentes. Por otro lado, se pueden separar de las redes

de oficina para mejorar la seguridad y velocidad.

• Profinet:
evolución del Profibus basado en Ethernet. Implementa una tecnología

única a todos los niveles (Profibus-DP y Profibus-FMS). Utiliza TCP/IP, y comparado

con otros buses de campo permite conectar más nodos con un rendimiento hasta

100 veces mayor, además de conceder acceso a los datos con herramientas de

oficina y permitir la comunicación sin cable con Wireless LAN. Ofrece rendimientos

diferentes sobre el Ethernet: acíclico sin prioridad de tiempo, cíclico con prioridad

de tiempo (reduce la sobrecarga) e isócrono en tiempo real (emplea un hardware de

red especifico y sólo se usa en el mismo segmento).

TEMA 6 – Protocolos de Internet

Protocolo IP

Es el protocolo estándar de Internet. Comenzó con la ARPANET en 1969 en la universidades

de California (UCLA) y el Stanford Research lnstitute, a través de los Request for Comments

(RFC).

El protocolo IP define la capa de red de nivel 3, quedando exentas tanto la capa física como

la de enlace. Por esto, utiliza otras redes como Ethernet, ATM, X.25, etc. Conjuntamente, el

protocolo IP trabaja con protocolos en capas superiores, como protocolos de transporte

(UDP, TCP), y protocolos de aplicación (DNS, DHCP, FTP, HTTP, NTP).

Su función es enviar paquetes (o datagramas), entre máquinas (o hosts), fragmentándolo si

fuese necesario (haciendo cambios en la capa de enlace), y enviándolos según su dirección

IP.

A la hora de realizar el direccionamiento, el protocolo IP divide un paquete de 32 bits en

paquetes de 4 bytes con notación de puntos decimales (Por ej. 193.145.98.254). Después,

utiliza los bits más significativos como identificador de red (193.145.98.0) y crea una máscara

de red. Los bits menos significativos serán el identificador de host.

El protocolo IP versiones 4 y 6, tiene una cabecera con varios campos. El IHL, será la longitud

de dicha cabecera. Campos contenidos serán Fragment Offset, Flags, e ldentification (para

el fragmentado y reconstrucción de los paquetes de datos); Protocol (que indica el

protocolo utilizado en la capa superior); y Time to Uve (TTL)(indica el número máximo de

saltos).

Las direcciones IP tienen clases. Según un principio, el tamaño de la red dependerá de la

clase. Hay clases de la A a la E. Sin embargo, surge un problema en el reparto, y en 1993 se

soluciona con el CIDR (Classless lnter-Domain Routing) que permitía mayor flexibilidad al

dividir rangos de direcciones IP en redes separadas, añadiendo indicaciones de bit de red

(Ej. 193.145.98.0/24). De esta forma, el esquema jerárquico de reparto permite diferenciar

entre IP global e IP local.

El protocolo IP tiene una serie de Rangos reservados para uso especial, como son el

Broadcast y el Multicast.

El ARP (Adress Resolution Protocol) es un protocolo utilizado para convertir un número IP a

dirección de capa física, es decir, convierte la dirección IP en una dirección Ethernet. Para

ello, se realiza un envío Broadcast ethernet solicitando la dirección ethernet para una

dirección IP, y cuando el propietario contesta con la información, se guarda en el caché ARP

(-apr, -a, -v). Este protocolo sólo sirve para direcciones en la misma red. Para un Host en

otras redes, se contacta con el router (default gateway) (route -n).

El DNS (Domain Name System) es otro protocolo que establece un sistema jerárquico de

nombres de dominios independiente de la IP (.Es, .Com). La información almacenable por el

caché DNS es:

• A: dirección IP asociada al nombre.

• NS: servidor de un subdominio.

• SOA: información de una zona.

• MX: servidor de correo del dominio.

• CNAME: alias de un nombre.

El DNS tiene una resolución inversa de la dirección (in_addr.Arpa.) y no todas las máquinas

tienen.

Existe además un servicio DNS que permite realizar búsquedas en DNS. Cada dominio tiene

dos servidores, uno primario y otro secundario, y cada información tiene un tiempo de

validez (cacheable). En máquinas de núcleo Unix, se acede desde /etc/reso/11.Confy muestra

la dirección IP de servidores a utilizar.

El protocolo DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) permite la configuración dinámica

de los parámetros de red IP. Los parámetros mínimos que debe contener son Dirección IP,

Máscara de red, Routers, Servidores de nombre. Otros parámetros que puede contener son

el Servidor de Tiempo, el Nombre de la Máquina, Servidor de Impresión, y ServidorWINS.

Protocolo U DP

En la capa de transporte encontramos principalmente los siguientes protocolos:

• ICMP: Utilizado para diagnóstico y control, se genera cuando hay errores (como

cuando un paquete es descartado). Sus principales utilidades son ping y traceroute.

• IPsec: Utilizado para encriptación y autenticación a nivel IP.

• UDP: User Datagram Protocol.

• TCP: Transmission Control Protocol.

Estos protocolos definen su propia cabecera, la cual se añade a los datos de la capa superior.

Estos formarán parte de los datos de la capa IP.

El protocolo UDP, se utiliza para envíos sin conexión ni confirmación, y está orientado a

transacciones sin diálogo. Además, tiene un CRC para comprobar errores en los datos y

comprobaciones de recepción a nivel superior. Posee también los números de puertos para

acceder a distintos servicios. Este protocolo se utiliza cuando no se necesita mantener una

conexión, para servicios de tiempo real (donde su uso reduce la sobrecarga); y donde no

tiene sentido la retransmisión (streaming).

El protocolo UDP es usado por otros protocolos como el DNS, DHCP, o el NFS (Network File

System), que mantiene sistemas de archivos en red en las máquinas Unix.

Un protocolo dentro del UDP es el Bootp (Bootstrap Protocol), que permite la carga del

sistema operativo desde un servidor. Lo usan dispositivos que no necesitan

almacenamiento secundario (disco duro, memoria flash). Puede también conseguirse con

DHCP.

Otro protocolo dentro de UDP es TFTP (Trivial File Transfer Protocol), utilizado como parte

del arranque remoto.

También está el SNMP (Simple Network Management Protocol), que permite la gestión de

dispositivos en red y mantener una base de datos MIB (estructura jerárquica de

información).

Y el NTP (Network Type Protocol), que se encarga de la sincronización del reloj del sistema,

y mantiene una estructura jerárquica de servidores de tiempo.

Protocolo TCP/IP

Este protocolo tiene una serie de funcionalidades y carácterísticas:

• Proporciona una conexión fiable, ya que el destinatario debe confirmar la recepción

del paquete

• Es ordenada, porque sus bytes están numerados y aunque haya pérdidas o retrasos

se recontruyen en orden.

• Está protegida de errores con CRC.

• nene un control de flujo persistente, asegurándose de que la conexión sigue activa,

donde el receptor indica cuántos más datos es capaz de procesar, deteniéndose

cuando llega a O.

• nene un control de la congestión que adapta la velocidad de transferencia.

La comunicación en TCP pasa por varios estados (CLOSED, LISTEN, ESTABLISHED, TIME

WAIT … ). Además, sus paquetes tienen más sobrecarga que los de UDP.

En cuanto a los servicios de TCP/IP tienen puertos normales (sockets) de 16 bits (O a 65535),

consultables en el fichero etc/setvices, y puertos reservados (aquellos cuyos numeras son

menores a 1024), y entre otros están asignados a protocolos como:

• FTP (20) (File transfer protocol), que era el único medio antes de la WWW para

transferir ficheros entre máquinas.

• Telnet (23), que da acceso a línea de comandos para terminales RS-232 como una IP.

• SSH (22)(Secure Shell), que ofrece acceso seguro a línea de comandos evitando las

vulnerabilidades de Telnet.

• SMTP (25)(Simple Mail Transfer Protocol), que permite envío y almacenamiento de

E-mails en combinación con DNS(MX)

• HTTP (SO)(Hypertext Transfer Protocol), que también puede utilizar el puerto (8080)

y se basa en la WWW.

• SSL (443){Secure Sockets Layer), que permite uso de comunicaciones encriptadas

usando claves simétricas X.509, y sirve para dar seguridad a otros protocolos como

HTTP o IMAP.

Programación de aplicaciones de red

Programación en UNIX

El Cliente puede:

• Crear un socket-+ sacket(}

• Conectar con el servidor – cannect(}

• Enviar y recibir datos -+ read(} y write(}

El Servidor puede:

• Crear un socket-+ sacket(}

• Enlazar un socket al puerto -+ bind(}

• Escuchar conexiones -+listen(}

• Aceptar conexiones – accept(}

• Enviar y recibir datos -+ read() y write(). En el caso de haber varios clientes

simultáneos se crea un hilo o se separa en procesos hijos.