Modelo OSI (Open System Interconnection)

El Modelo OSI (Open System Interconnection) es un esquema que define siete niveles o capas. Cada nivel se comunica con su homólogo en otro sistema, utilizando como intermediarias las capas inferiores.

Capas del Modelo OSI

1. Capa Física: Define la señal y la transmisión binaria. Especifica las características mecánicas (conectores) y eléctricas del sistema físico de transporte. También define las topologías aceptadas y el modo de emisión (forma de la señal).
2. Capa de Enlace: Establece la forma de agrupar los datos en paquetes de longitud adecuada y añade mecanismos para la detección y corrección de errores (CRC). Realiza el control de envío y recepción de información por el bus. Se divide en dos subniveles: LLC y MAC.
3. Capa de Red: Determina la ruta e IP. Se ocupa del direccionamiento a través de enrutamiento (routing) y del control del flujo.
4. Capa de Transporte: Gestiona la conexión de extremo a extremo y la fiabilidad de los datos. Garantiza un enlace fiable entre terminales. Controla la gestión de los paquetes de información (orden de envío y recepción, peticiones de reenvío en caso de error, etc.).
5. Capa de Sesión: Se encarga de la representación de los datos. Administra las comunicaciones entre equipos (organización y sincronismo en el intercambio de datos). Coordina las comunicaciones mediante el establecimiento, mantenimiento y finalización ordenada de las mismas.
6. Capa de Presentación: Realiza la conversión de datos a un formato común, entendible por todos los equipos.
7. Capa de Aplicación: Ofrece servicios de red a las aplicaciones. Presta servicios al usuario, que comprenden la interacción directa con los procesos de aplicación, bases de datos, correo electrónico, etc.

Estándar ISA/SP50

• SP50.1: Estándar analógico 4-20 mA para señales de instrumentación y control.
• La tendencia actual es cambiar a la transmisión digital en bus de campo.
• Se implementan solo tres niveles OSI (físico, enlace y aplicación).
• Se proponen dos capas adicionales:
  • Nivel de Usuario: Permite la intercambiabilidad de instrumentos. Aplica modelos contenidos en bloques de función y bases de datos distribuidos para facilitar el control y la adquisición de datos.
  • Capa de Supervisión: Definirá las funciones de monitorización, parametrización, configuración de dispositivos, etc. (gestión de redes y sistemas).

Protocolo CIP

El Protocolo CIP (Common Industrial Protocol) trata de unificar la gestión de dispositivos (entradas, salidas, configuración, recogida de datos, etc.), aunque estén conectados a distintos tipos de redes. CIP es una aproximación basada en objetos. Se crean perfiles (clases) de distintos dispositivos. Cada objeto se compone de: atributos (datos), servicios (comandos) y comportamiento (reacciones a eventos).

Capa Física

Para transmitir información, se necesita un medio que transporte la energía que contendrá esa información.

Ruidos Eléctricos

Los ruidos eléctricos son cambios rápidos en el voltaje o la corriente (arranque de grandes motores, rayos, equipos de soldadura, subidas de tensión por fallo eléctrico). Se producen en función del acoplamiento de la fuente con el circuito afectado:

• Acoplamiento por Impedancia: Ocurre cuando varios circuitos comparten conductores comunes. Es producido por la señal de retorno de distintos circuitos. Una solución puede ser utilizar un cable de retorno para cada señal.
• Acoplamiento Capacitivo: La magnitud del ruido en cada hilo depende de la longitud afectada por la fuente, la distancia a la fuente (inversamente), la amplitud y la frecuencia del voltaje de ruido. Se reduce disminuyendo estos factores, además de apantallar los hilos creando caminos de baja impedancia y trenzándolos.
• Acoplamiento Inductivo: Similar al capacitivo, pero varía la intensidad.
• Acoplamiento Magnético: Se puede reducir trenzando los pares, ya que con esto se reduce el área y las corrientes inducidas se cancelan. También se puede realizar un apantallado, ya que se genera un campo magnético opuesto.
• Radiación en Radiofrecuencia: Induce acoplamientos inductivos y capacitivos. Se reduce apantallando, ya que, en caso contrario, el conductor actúa como una antena. También se reduce colocando condensadores que dirigen los voltajes inducidos a tierra.
• Aislamiento: Un circuito se puede aislar de otro para evitar el paso de ruidos. Es mejor cuanto más rápido sea el transitorio: por optoacoplamiento y por transformador.

Cable Eléctrico

El cable eléctrico está formado por conductores rodeados de un aislante. Los conductores pueden ser un sólido grueso o hilos finos enrollados. Pueden tener un solo conductor (simple), dos (doble) o más (multihilo). Además, poseen una cobertura externa que mantiene los elementos juntos y los protege del ambiente.

Cable Coaxial

El cable coaxial está formado por un núcleo de cobre. Rodeando al núcleo hay una capa aislante dieléctrica que lo separa de una malla conductora. La malla de hilo trenzado actúa como masa y protege al núcleo del ruido eléctrico. Dicha malla debe estar separada del núcleo de cobre para evitar cortocircuitos. La impedancia del cable dependerá de los diámetros y de las propiedades del dieléctrico.

Ventajas:

• Se puede utilizar en múltiples aplicaciones, como transmisión de voz, datos y vídeo.
• Es fácil de instalar.
• Tiene un precio razonable.

Inconvenientes:

• Se daña con facilidad.
• Es más difícil de trabajar que los cables de par trenzado.
• Los conectores pueden ser caros.
• Puede presentar problemas como circuitos abiertos o cortocircuitos en los conectores y errores en la impedancia.

Cable de Par Trenzado

El cable de par trenzado consiste en dos alambres de cobre aislados que se trenzan de forma helicoidal. De esta forma, se anulan las interferencias de fuentes externas y la diafonía de los cables adyacentes. Un cable está compuesto por varios de estos pares (2, 4, 6, 50, 100). Para redes, típicamente se usan 2 o 4 pares. Dependiendo del apantallamiento, podemos distinguir entre:

• UTP (Unshielded Twisted Pair): No apantallado.
• STP (Shielded Twisted Pair): Presentan una malla para todos los pares.

Ventajas:

• Facilidad de conexión con dispositivos.
• El STP presenta un buen bloqueo a interferencias.
• El UTP es barato y fácil de instalar.

Inconvenientes:

• El STP es, a veces, voluminoso y difícil de manejar.
• El UTP presenta más interferencias que el cable coaxial o la fibra óptica.

Problemas típicos:

• A largas distancias, se produce una atenuación excesiva.
• Un cruce de pares provoca un error en el conector.
• Aparición de diafonía entre pares.

Fibra Óptica

Un conductor de fibra óptica consiste en un núcleo de material transparente que se utiliza para guiar señales luminosas por su interior (plástico más resistente; vidrio, menor atenuación). La información se va reflejando en el revestimiento. Una gran ventaja es que no sufre interferencias electromagnéticas. Los cables agrupan varias fibras que están protegidas por una cubierta. Existen dos tipos principales:

• Monomodo: Presentan un único haz de luz paralelo al eje. Tienen un diámetro muy pequeño y recorren grandes distancias (hasta 400 km) con un láser de alta intensidad.
• Multimodo: Presentan varios haces con distinto ángulo. Se usan para distancias menores (hasta 2 km). Tienen un núcleo más grande, lo que facilita su conexionado y manejo.

Ventajas:

• El núcleo absorbe poca energía, permitiendo largas distancias.
• Gran ancho de banda, lo que permite transmisiones más rápidas que por cable.
• Inmunidad electromagnética.
• Ligera y flexible, lo que facilita su instalación.

Inconvenientes:

• Los transmisores y receptores son caros.
• El conexionado es complicado.
• Las fibras son frágiles.