redes industriales

COMUNICACIONES COMUNICACIONES INDUSTRIALESINDUSTRIALES

Roberto VignoniLaboratorio de Electrónica Industrial Control e

InstrumentaciónFacultad de Ingeniería UNLPvignoni@leici.ing.unlp.edu.ar

EvoluciónEvolución

Hace + de 50 años la instrumentación de procesos estaba basada en el estándar de señalización neumática 3-15 psi.

Hace + de 30 años: estándar analogico de corriente 4-20 mA.

Década de 1980: comunicaciones digitales

EstándarEstándar

¿Para que sirve un ESTANDAR? Para aprovechar la experiencia

adquirida por otras personas en el tema, y normalizar la presentación de información.

Organizaciones de EstandarizaciónOrganizaciones de Estandarización

Internacionales: ISO – CCITT -IEC

Nacionales:ANSI – DIN – IRAM

Institucionales:IEEE - ECMA

Lazo de corriente 20 mALazo de corriente 20 mA

En 1962 fue introducido el lazo de corriente de 20 mA utilizado por los populares teletipos Modelo 33.

Digital: permite transformar datos digitales en flujo o no flujo de corriente.

Se utilizó hasta mediados de los ’80 Versiones Simplex y Full-Duplex

Lazo analógico de corriente 4-20 mALazo analógico de corriente 4-20 mA

Cada lazo de corriente 4-20 mA, permite transmitir o recibir el valor de una sola magnitud.

A diferencia del lazo de 20 mA que transmite información digital en forma de corriente.

El valor de la corriente, variable entre 4 y 20 mA, es la que nos da la información de la magnitud en cuestión.

La IEC estandarizó:La IEC estandarizó:

Transmisores y Receptores: entregar o recibir una corriente cte. entre 4 y 20 mA.

Entregar dicha corriente a impedancias de carga entre 0 y 600

La tensión de salida debe variar entre 1 y 5 V sobre una resistencia no mayor a 250 .

Se trato de compatibilizar en:Se trato de compatibilizar en:

a) El número de cables necesarios para la operación del transmisor

b) La interdependencia entre la capacidad de carga del transmisor y su fuente de alimentación.

c) Las características de aislamiento del transmisor.

d) “Ripple” y nivel de ruido de la señal de salida.

EjemplosEjemplos

Transmisor

Fuente de alimentación

++

--

Receptor

Tierra de señal

Transmisor

Fuente de alimentación

++

--

Receptor

Transmisor

Fuente de alimentación

+

+

--

Receptor

Tierra de señal

Comunicaciones digitales purasComunicaciones digitales puras

Distancia (m)1 10

Buses

1000100

LANs WANs

Nivel de Paralelismo

ParaleloParalelo1:1

– Centronics1:n

– IEC-488– GPIB

m:n– ISA – EISA – PCI– CAMAC– Multibus– VME

SistemaSistema

Serie1:1 1:n m:n

RS232 Bus de Campo LAN

RS42220 mA

Comunicación ParaleloComunicación Paralelo Buses:

– NIM fines de los ’50 (instrumentación)– UNIBUS (DEC PDP11)– CAMAC– Multibus I y II (Intel)– FASTBUS – VME– PC XT– PC AT– Future-Bus– NU-bus– PCI

Comunicación SerieComunicación Serie

REDES– LAN (Local Area Network)– WAN (Wide Area Network)

Modelo OSIModelo OSI

1978 ISO y CCITT1984 Modelo OSI

Open System Interconnect

Sistema Abierto comoModelo de Referencia

Presentación

Sesión

Aplicación

Transporte

Red

HDLC

Física

VentajasVentajas

Independencia entre capasFexibilidad Facilita la Estandarización

Capa Física: Transmisión de bits a lo largo de un canal de comunicación.

Capa de Enlace: Control de acceso al medio. Enlace Lógico. Control de errores.

HDLC (High Data Link Control)– LLC, SDLC, LAP-B, FR, PPP

Capa de Red: Control de la subred. Ruteo de mensajes. Rutea mensajes entre nodos adyacentes en la red.

IP, SLIP

Capa de Transporte: Abstracción del hardware. Tipo de servicio. TCP, UDP, RIP, OSPF

Capa de Sesión: Control de comunicación. Sincronización. Half-Full-Duplex

Capa de Presentación: Sintaxis y semántica, Compresión, Encriptación

Capa de Aplicación: Prog. de aplicación comunes y propios de los usuarios. Telnet, FTP, FTAM

Redes LocalesRedes Locales

IEEE 802 (HDLC)

802.3 802.4 802.5

IEEE 802.2Control Lógico

Control de Acceso al Medio

Capa Física

Subcapa MACSubcapa MAC IEEE 802.3 - CSMA/CD

– CS Sensado de portadora – MA Acceso Múltiple (Multiple Access)– CD Detección de Colisiones

Ethernet (Xerox, DEC, Intel) Fines de los ’70– (10_B_5), (10_B_2), (10_B_T), (10_B_F)– Codificación Manchester– Exponential Back off Algorithm– No Determinístico

Nombre Cable Long Nodos

10Base5 Coax. G 500 m 100

10Base2 Coax. F 200 m 30

10BaseT Par Trens. 100 m 1024

10BaseF Fibra 2000 m 1024

Estación 2

Estación 1 Estación 4

Estación 5 Estación 3

Bus Lineal

Est

EstEst

Est

Est

Est

Est

HUBHUB

Estación Estación

100 m

UTP

1 1 10 0 0

Codificación Manchester y

Manchester diferencial

Formato de trama 802.3

Pream.(7)

Dir. Dest.(2 o 6)

D C(1)

Dir.Fuent(2 o 6)

Datos(0 a 1500)

Pad(0 a 46)

CS(4)

Long(2)

Estación 2

Estación 1 Estación 4

Estación 5 Estación 3

Bus Lineal

Preámbulo: 7 Bytes de 1 y 0 altenados

D.C: 1 Byte todos unosDireccion de Destino: 6 bytesDireccion de Fuente: 6 bytesLongitud de los datos: 2 BytesDatos: 0 a 1500 Bytes Padding: 0 a 46 BytesChecksum: 4 Bytes

IEEE 802.5 Token RingIEEE 802.5 Token Ring

IBM + Texas Instruments 1985Conjunto de enlaces punto a punto

que forman un círculo – Longitud física del bit– Retardos– Mantenimiento

IEEE 802.4 – Token BusIEEE 802.4 – Token BusManufacturing Automation ProtocolMAP: Principio de los ‘80

– General Motors– Allen Bradley– Boeing– IBM

Compatibilidad de dispositivos Reducción del costo de las interfaces Compatibilidad de software Supervisión centralizada

Presentación

Sesión

Aplicación

Transporte

Red

HDLC

Física

OSI

Sesión

Aplicación

Transporte

Red

HDLC

Física

MAP

Capa Física:

– Broadband Para la Red troncal Multifrecuencia(PSK)RepetidoresCabeceras (headends) con y sin traslación de

frecuencias

Carrierband Monocanal para islas de automatizaciónHasta 1000 m y 32 nodos– Cable coaxil (CATV)

Est. 1 Est. n RepetidorCabecera

Est. 1 Est. n

fr

ft

RepetidorCabecera con conv. de frec.

Carrierband Monocanal para islas de automatizaciónHasta 1000 m y 32 nodos

Medio de transmisión– Par de conductores trenzados, blindados– Hasta 19,2 Kbps– Cable coaxil 50 o 75 – Fibra Optica

Control de Acceso al medioControl de Acceso al medio

Token PassingDeterminístico

Aplicación

HDLC

Física

MINIMAP

Manufacturing Message Specification

LLC Mapping

IEEE 802.2

IEEE 802.4

Carrierband, Coax 5 y 10 Mb, Fibra

BUSES de CAMPOBUSES de CAMPOHistoria cronológica Fines de los ’70 Modbus de Modicon 1982- Se inicia Grupo de trabajo FIP 1983-P-Net (Dinamarca) 1984-CAN 1985- Grupo Profibus 1985- Inicio trabajos de Normalización

Internacional:ISA SP50,IEC TC65/SC65C 1994-Fielbus Foundation

Consorcios y organizacionesConsorcios y organizaciones

Problemas en normalización ===> especificaciones de distintos proyectos:

Fielbus Foundation ISP : Interoperable System Project PTO: Profibus Trade Organisation ODVA: Open Device Net Vendor

Association World FIP.......Etc.

¿Qué es un Fieldbus?¿Qué es un Fieldbus? Un medio compartido (PTO,FF)

“Sistema de comunicación para intercambiar datos entre sistemas de

automatización y dispositivos de campo”

Columna vertebral de un sistema (Thom.)“Sistema de comunicación en tiempo real

basado en el modelo OSI”

¿Qué es un Fieldbus?¿Qué es un Fieldbus?

Criterio AmplioPuede estar en cualquier nivel CIM .No hay “subfieldbus” sino fieldbus diseñados para conexiones de bajo

costoCriterio estrictoTres tipos de redes industriales:

SENSORBUS/DEVICEBUS/FIELDBUS

RedRed

Conjunto de medios que permiten la comunicación entre dos procesos de

aplicación.

Elementos mínimos:Soporte de transmisiónProtocolos

Servicio y protocoloServicio y protocoloServicio ( de nivel N)

Función ofrecida por la capa N a la N+1

Protocolo ( de nivel N)Conjunto de reglas de codificación, cooperación e intercambio entre dos

o más entidades del nivel N para suministrar los servicios N

PerfilPerfil

Es un conjunto preseleccionado de servicios y protocolos organizados

en capas según modelo OSI

Dos equipos son comunicables si tienen igual perfil. (todas sus capas

ofrecen los mismos servicios y protocolos)

Red en tiempo realRed en tiempo real

Sistema de comunicación que provee servicios bajo restricciones temporales y está constituido por protocolos capaces

de gestionar estas restricciones.

La solución tradicionalLa solución tradicional

INPUTS

OUTPUTS

CPU

SENSOR 1SENSOR 2

SENSOR 3SENSOR 4

SENSOR 5SENSOR N

ACTUADOR 1ACTUADOR 2

ACTUADOR 3ACTUADOR N

Enlaces 4-20 mA

La solución fieldbusLa solución fieldbus

SENSOR N

ACTUADOR NACTUADOR 2

SENSOR 1SENSOR 2

SENSOR 3

ACTUADOR 1

Otra solución, intermediaOtra solución, intermedia

CPU

SENSOR N

ACTUADOR NACTUADOR 2

SENSOR 1SENSOR 2

SENSOR 3

ACTUADOR 1

MASTER

Otra solución, intermediaOtra solución, intermedia

Master

Módulos I/O Módulos I/O Módulos I/O

Niveles de redes industrialesNiveles de redes industriales

FIELDBUS

DEVICEBUS

Tipo dedatos

Funciones

Bit Byte Paquetes

SENSORBUS

CtrlLógico

Ctrl. deProcesos

Sensorbus Devicebus Fieldbus

Aplicaciones Discretas-Máquina Discretas-Máquina Proceso

Control Típico PLC/PC PLC/PC Distribuido

Basado en p NO SI SI

Inteligencia Int. NO Algunos SI

Diagnóstico NO Simples Sofisticados

Tiempo de resp. 5 ms o menos 5 ms o menos 100 ms

Ejemplo Sensor de Sensor Fotoelec. Válvula InteligenteProximidad con Diagnóstico c/PID y Diagnost.

ClasificaciónClasificación

SensorbusesSensorbuses

ASICANbusLonWorksSeriplexSensoplex

CANbusDeviceNetSDSInterBus-SLonWorksPROFIBUS DPFIPIO

Devicebuses

FieldbusesFieldbuses

IEC 61158– Fieldbus Foundation

PROFIBUS LonWorksWorldFIP

Capa Física RS-485Capa Física RS-485 Los Términos Genéricos RS 422/485

responden a los estándares EIA/TIA-422 y EIA/TIA-485

Sistemas diferenciales balanceados

Sistema Desbalanceado RS-232Sistema Desbalanceado RS-232 Cada señal transmitida aparece como una

tensión referida a la tierra de señal

Tensión negativa = línea en reposo Alternará entre ese nivel negativo y un nivel

positivo en presencia de datos enviados

A

B

C

+6 volts

Voltage VAB

Rangopermitido

Rangopermitido

+2

-6 volts

-2

RS-422 y RS-485RS-422 y RS-485

Sistema diferencial balanceado, la tensión de salida generada por el driver, aparece sobre un par de cables componiendo una sola señal

A

B

C

+6 volts

Voltage VAB

Rangopermitido

Rangopermitido

+2

-6 volts

-2

Enable : en RS-422, puede o no estar presente RS-485, esta línea es imprescindible

Sistema RS-422 de 4 cables

A

B

A

BT R100Ω½ W

Configuración de tierra opcional

TGConfiguración de tierra opcional

A

B B

A

TG

R T

100Ω

½ W

100Ω

½ W

100Ω½ W

T Transmisor R ReceptorTierra de señalTierra de chasisTG Tierra general

Estándar EIA-485 Estándar EIA-485

Hasta un máximo de 32 pares de dispositivos transmisores/receptores.

Rango de tensión de modo común Vcm, tolerable por transmisor y receptor es de +12 a –7 V.

Terminaciones en ambos extremos, no así en las derivaciones intermedias. (para altas velocidades y distancias largas)

RS-485 de 4 Cables

A

B

A

BT R100Ω½ W

Configuración de tierra opcional

TGConfiguración de tierra opcional

A

B B

A

TG

R T

100Ω

½ W

100Ω

½ W

100Ω½ W

T Transmisor R ReceptorTierra de señalTierra de chasisTG Tierra general

RS-485, 2 cables multidropRS-485, 2 cables multidrop

TG

A

B

AB T

RTX EnableRX

100Ω

½ w

T TransmisorR ReceptorTierra de señalTierra de chasisTG Tierra general

TG

A

100Ω

½ w

A

B

B

TXEnable

RX

T

R

½ w

100Ω

½ w

100Ω

A

100Ω

½ w

A

B

B

T

R

½ w

100Ω

TG

A

100Ω

½ w

A

B

B

TXEnable

RX

T

R

½ w

100Ω

Rt Rt

1.220 m

Resistencias de terminación solo en los dos extremos

Adaptación de Impedancias

Ventajas:– No existe reflexión. Altas velocidades

Desventajas:– Se carga mucho los drivers– Complejidad en la instalación

Usar Cuando el tiempo de propagación de la linea es << ancho de un bit

Terminación acoplada en CC

A

A

B

B

Rx

Tx RT120

Terminación acoplada en CATerminación acoplada en CA

A

A

B

B

Tx

Rx

RT120

C100 nf

PolarizaciónPolarización

Red Inactiva (todos los nodos escuchan) – Transmisores en alta impedancia – estado de la linea desconocido

Para mantener un mínimode 200 mV se usanresistores de Pull-upy Pull-down

Rx

Tx

A

A

B

B

+5 V

Rp

Rp

ENABLE

12 K

Ejemplo de cálculo– Sistema con 10 nodos– Impedancia de carga de c/nodo 12 K– Imped. equivalente (paralelo) 1200 – 2 Res. de terminación 120 en // 60 – Impedancia total 57

Nivel de tensión entre A y B 200mV– 3,5 mA mínimo y con alimentación 5 V– Necesitamos 1428 ; tenemos 57 – Agregamos pull-up = pull-down de– 685

Selección del Cable– a) Cantidad de conductores– b) Aislación– c) Características del cable

Modelos de transitoriosModelos de transitorios

IEC 1000-4-5: 1991 y IEEE C62.41-1991 definen una forma de onda transitoria “1.2/50 s – 8/20 s” 1.2 s de tiempo de crecimiento y 50 s de tiempo de caída en un circuito abierto

IEC 1000-4-5: 1991 y IEEE C62.41-1991

8s de crecimiento y20 s de caída en un cortocircuito. Los niveles de tensión para las pruebasvarían de 1 a 6 kV para polaridades positivas y negativas.

IEEE C62.41-1991IEEE C62.41-1991

onda oscilatoria con tiempo de crecimientode 0.5 ms, que decae en forma oscilatoria con una frecuencia de 100 kH considerando una impedancia de fuentede 12 . Las

Amplitudes 1 a 6 kV

ProteccionesProtecciones

Por aislaciónOpto-aisladoresTransforamadoresFibra Optica

Protección contraTransitorios de modocomún

Puerto

Vcc

Líneas de salida de datos

Aislación optica

Fuente aislada

Protecciones por derivaciónProtecciones por derivación

Buena conexión a tierra actúa como referencia para supresores de transitorios (gaseosos)

Tierra General

A A

B

A

B T

R

TX Enable

RX

100Ω

½ w

100Ω

½ w

A

B

B

TXEnable

RX

T

R

Tierra General

Protecciones combinadasProtecciones combinadas

La tierra general está accesible

Dispositivo

Puerto

Vcc Fuente aislada Dispositivo de derivación

Líneas de datos

Tierra de señal

Tierra general

Protecciones combinadasProtecciones combinadas

Tierra general de dificil acceso Protege al nodo de transitorios diferenciales

Dispositivo

Puerto

Vcc Fuente aislada

Dispositivo de derivación

Lineas de datos

Tierra de señal

Protecciones combinadasProtecciones combinadas

Si existe posibilidad de cortocircuitos con conductores de potencia agregar fusibles

DispositivoVcc

Líneas de datos

Tierra de señal

Fusible de 125mA

Modelo de red - Capa MACModelo de red - Capa MAC

No deterministico

Deterministico

Técnicas de acesso al medio y Técnicas de acesso al medio y modelos de comunicaciónmodelos de comunicación

CSMA: CD e BApasaje de tokenmaestro/esclavotoken híbridodatos cíclicosproductor/consumidordirigido a estado

CSMACSMACarrier sense multiple accessCarrier sense multiple access

I/O 1 I/O 2 I/O 3

CD: Collision detection– se transmite cuando el bus está desocupado– si hay colición, se repite la tentativa después

de un tiempo aleatorio– ejemplo: Ethernet

I/O 4

CSMACSMACarrier sense multiple accessCarrier sense multiple accessBA: Bitwise Arbitration

– se transmite cuando el bus esta desocupado

– si existe colición :• bit 0 es dominante• bit 1 es recesivo

– el dominante continua a transmitiendo – es más eficiente que CSMA/CD

CSMA/BACSMA/BA

Vcc

Vcc

BUS

0 1 1 1

Vcc

Vcc

0 0 0 1

CSMA/BACSMA/BA

Vcc

Vcc

BUS

0 1 1 1

Vcc

Vcc

0 0 0 1

00

CSMA/BACSMA/BA

Vcc

Vcc

BUS

0 1 1 1

Vcc

Vcc

0 0 0 1

0011

CSMA/BACSMA/BA

Vcc

Vcc

BUS

0 1 1 1

Vcc

Vcc

0 0 0 1

0011 00

CSMA/BACSMA/BA

Vcc

Vcc

BUS

0 1 1 1

Vcc

Vcc

0 0 0 1

0011 00

0 0

CSMA/BACSMA/BA

Vcc

Vcc

BUS

0 1 1 1

Vcc

Vcc

0 0 0 1

CSMA/BACSMA/BA

Vcc

Vcc

BUS

0 1 1 1

Vcc

Vcc

0 0 0 1

01

CSMA/BACSMA/BA

Vcc

Vcc

BUS

0 1 1 1

Vcc

Vcc

0 0 0 1

0110

CSMA/BACSMA/BA

Vcc

Vcc

BUS

0 1 1 1

Vcc

Vcc

0 0 0 1

0110 01

CSMA/BACSMA/BA

Vcc

Vcc

BUS

0 1 1 1

Vcc

Vcc

0 0 0 1

0110 01

0 0

Identificador único que determina la prioridad Identificador único que determina la prioridad del mensaje.del mensaje.Mensaje con alta prioridad gana el acceso al Mensaje con alta prioridad gana el acceso al bus.bus.Mensajes de baja prioridad son retransmitidos Mensajes de baja prioridad son retransmitidos

en el siguiente ciclo de busen el siguiente ciclo de bus

Cálculo del número de nodos conectados al Cálculo del número de nodos conectados al busbus

TokenToken

Solo el Maestro con el token envia mensajes (tmax)

no periódico

Maestro 4

Maestro 3Maestro 2

Maestro 1

Maestro/EsclavoMaestro/Esclavo

• PLC o PC o Scanner: maestro• dispositivos I/O: esclavos

• esclavos solo hablan con el maestro • determinístico, pero no periódico

Maestro/EsclavoMaestro/Esclavo

Maestro

I/ORPM Motor

Maestro

I/ORPM Motor

Maestro

I/ORPM Motor

Producción de Datos CíclicosProducción de Datos Cíclicos

cada 1000 mscada 250 ms

datos enviados según la configuración del usuário

más eficiente para aplicaciones con cambios lentos de I/O (analógicos): periódico

puede ser usado: maestro/esclavo, productor/consumidor, etc.

I/O 1 I/O 2 I/O 3cada 25 ms

Maestro

Productor/ConsumidorProductor/Consumidor

• el dato es identificado por su contenido:• sin especificación de fuente o destino• sin el concepto de maestro de control

• desempeño superior, eficiencia del bus

Arbitro

I/O 3RPM Motor

Arbitro

I/O 3RPM Motor

AS-I AS-I (Actuator Sensor interface)(Actuator Sensor interface)

Fundado en 1992 Bus de campo de bajo nivel (sensor bus) Maestro/esclavo secuencial Comunicación y alimentación por un mismo

cable (especial) Los elementos de campo pueden ser

inteligentes o convencionales binarios o analógicos

Capa FísicaCapa Física Cable plano especial con polarización

mecánica. Alimentación 24 Vcc, hasta 100 mA por esclavo, 2 A máximo.

Topología: Arbol Velocidad de transmisión : 150 kbaudios Codificación: Mánchester Cantidad de nodos: 1 maestro y hasta 31

esclavos con 4 I/O binarias c/u Tiempo de ciclo: 5 ms Longitud: 100 m sin repetidores (2 rep. Máx.)

sin resistor de terminación alta imunidad al ruido

MASTER

SensorASI

ActuadorASI

ActuadoresConvencionales

ActuadorSensor

Cont ASI

Sensores

Convencionales

Fieldbus

Formato del Mensaje (Maestro)Formato del Mensaje (Maestro)

ST- START BITSB- CONTROL BITA0...A4- ADDRESSI0....I4- INFORMATIONPB- CHECK BITEB- END BIT

Formato del Mensaje (Esclavo)Formato del Mensaje (Esclavo)

ST - START BIT I0...I3 - INFORMATION PB - CHECK BIT EB - END BIT

Red AS-iRed AS-i

InterBus-SInterBus-S

proyectado en 1987, por Phoenix Contact inicio de instalaciones en 1990 maestro/esclavo solo el maestro escribe sobre los esclavos único host determinístico

InterBus-SInterBus-Stopología en anillobus:

– local– remoto (interface con Bus Terminals)

12,8 km bus remotomaestro/esclavo entre host y

maestroatualización instantanea de I/Os

InterBus-SInterBus-SHOST

CPU

Local

Remoto

InterBus-SInterBus-S

500 Kbps 16 bits por nodo de entrada o salidarápido: 4096 I/Os en 7ms256 nodos x 16 I/Os = 4096 puntos

digitales

SERCOS (Serial Realtime SERCOS (Serial Realtime Communication System)Communication System) Especialmente diseñado para aplicaciones

de tiempo real. (1991) Por ejemplo control de posición y velocidad Alta resolución (32 bits) Muy robusto contra interferencias

Características del sistema Características del sistema (Sercos)(Sercos) Configuración maestro/esclavo (un solo

maestro) Broadcast a todos los esclavos. (sincronización) Los esclavos responden en ventanas de tiempo

prefijadas Permite mejor manejo y análisis de errores, al ser

conocidos el tiempo de transmisión Tx y la longitud del telegrama.

Capa Física (Sercos)Capa Física (Sercos)

Topología: Anillo Físico, configuración M/E Medio de Transmisión: Fibra Optica Veloc. de Transmisión: 2…..4 Mbaud Longitud: 60 m (plástico), 250 m (vidrio) Nº de esclavos: hasta 254 Tiempo de ciclo: 0.062, 0.125…..1 ms

(dependiendo del nº de esclavos y longitud del telegrama)

Tipos de telegramaTipos de telegrama

Desde el Maestro (sincronismo)– Broadcast. Sincroniza todas las acciones

tiempo-dependientes.Desde el maestro (datos)Desde los esclavos

– En ventanas de tiempo predeterminadas

HARTHART

Highway Addressable Remote Trasducer Presentado a principios de los ’90 Fisher Rosemount No es un bus de campo Protocolo de comunicaciones digitales

que puede operar encima de la señal analógica de 4-20 mA

Características FísicasCaracterísticas Físicas

Utiliza el estándar Bell 802 (FSK) con tonos senoidales

Al ser utilizada con la instalación para 4-20 mA

– Linea típicamente desbalanceada (conectada a tierra en un extremo).

– Sin adaptación de impedancias.– La capacitancias del cable atenúa las altas

frecuencias. HART utiliza bajas frecuencias No modifica la magnitud de la señal

analógica por su valor medio nulo En multidrop se inhabilita el lazo de

corriente

Ejemplo Ejemplo

MAC – Maestro/EsclavoMAC – Maestro/Esclavo

Permite hasta 2 maestros

Address: Del maestro y del esclavo (1byte formato corto o 5 bytes formato largo)

Command: 1 o 2 bytes con valor entero representa el comando:– Universales (presentes en todos los dispositivos HART)– Práctica- común (para funciones particulares)– Específicas de transmisor

Byte count: cantidad de bytes restantes exepto el chk

Status: solo en las respuestas de los esclavos

Datos: hasta 24 bytes (incluso 0). Entero sin signo, punto flotante o string ascii

Checksum: es un or-exclusivo de paridad longitudinal

Ejemplo de transacción (formato largo)Ejemplo de transacción (formato largo)

FF 82 A6 06 BC 61 4E 01FFFF B000

82: Formato largo de maestro a esclavo

1010 0110 0000 0110 1011 1100 0110 0001 0100 1110

Maestro Primario

Fabricante 38= Rosemount

Tipo de dispositivo 6= 3051C

Nº de identificación 12345678

Respuesta del esclavoRespuesta del esclavo

FF 86 A6 06 BC 61 4E 01FFFF

00

07

40 80 00 00 450600

86: Formato largo desde esclavo

Com: read PV

BC

Status: OK

psi

5,5CHK

Ejemplos de comandosEjemplos de comandos

Universales:– Read unique identifier– Read primary variable (PV) and units– Read up to 4 pre-defined dynamic variables– Read sensor serial number and limits– Write polling address

Práctica Común:– Write transmitter range– Calibrate (set zero, set span)– Perform self test

Específicas– Start, stop or clear totalizer– Read or write density calibration factor– Trim sensor calibration

CANBusCANBus

Bosch mensaje de datos de 0 a 8 bytes dirigido a estado CAN Data Link Layer - ISO 11898 (1993) CSMA/BA para los identificadores

combinado con productor/consumidor

sin restricción de velocidad, función de:– microprocessador– transceiver– medio de transmisión– distancia de transmisión

125 Kbps a 1 Mbps / 40m a 500m 140 millones de chips vendidos hasta

1999

CANBus

aplicaciones con especificaciones de protocolo diferentes (DeviceNet, SDS etc.) CiA (CAN in Automation) users group formado em 1992

CAL (CAN Application Layer) en 1993CANOpen: concepto de red con CAN

y CAL

CANBus

CANBus

CANmodulo

DIO

CANmodulo

AI

CANmodulo

DO

CANMaster

CAN CANCAN

Módulos I/O

CAN

CAN

CANMaste

r/

RS485

CAN

RS 485

CANBus

Codificación NRZ Par trenzado (mallado en lo posible)

El estándar ISO11898 recomienda que el diseño de ASICS de interface permita comunicación (de menor calidad) aún en caso de:– Alguno de los conductores del bus esté abierto– Alguno de los conductores este cortocircuitado a

masa– Alguno de los conductores este cortocircuitado a

Vcc

Formato del mensajeFormato del mensaje

SOF: Start of frame RTR: Remote Transmission Request:

– Discrimina entre mensaje de datos transmitido y mensaje para requerimiento de datos.

Campo de control: r0 y r1 reservados

SOF

11 bit Ident.

RTR

DLC Data 0-8 By

Arbitraje Control

r0 r1

Datos

15 b

CRC ACK EOF

Delimiters 2 Slot b

DLC: Data length code (4 bits) Campo de datos: de 0 a 8 bytes CRC: Cyclic Redundancy Check (15 bits) y 1

bit recesivo como delimitador Campo de reconocimiento ACK: 2 bits

– El primero, Slot bit se transmite como recesivo pero es reescrito como dominante por cualquier nodo receptor:

– El segundo es un delimitador. EOF: End of frame 7 bits recesivos INT: Interemission field 3 bits recesivos Bus Idle longitud arbitraria incluso cero

DeviceNetDeviceNet

Especificado por Allen Bradley Basado en la especificación BOSCH CAN

V2.0 introducido en 1992 grupo ODVA en 1995 2 pares tranzados blindados (señal y

alim.) 2 tipos de cable: Thick (8 A) ou Thin (4 A)

DeviceNetDeviceNet

Diferentes métodos de comunicación:– dirigido a eventos– maestro-esclavo– productor/consumidor

tiempo de barrido variable hasta 500 m

LonWorks LonWorks (Local Operating Network)(Local Operating Network)

especificada por Echeloninicialmente, control de predios y

sistemas de seguridadvelocidad de transmisión:

– de 600 bps a 1,25 Mbpshasta 32.000 dispositivosdiversos medios físicos

basado en los chips Neuron:– 3 microprocessadores:

• aplicación• red• control de acesso:

– CSMA/CD – maestro/esclavo (barridos

determinísticos para control de procesos)

– productor/consumidor

LonWorks

Familia ProfibusFamilia Profibus Está compuesta de 3 versiones compatibles: Profibus-DP: alta velocidad, bajo costo, diseñado

para la comunicación entre sistemas de control y E/S distribuidas a nivel de dispositivos.

Profibus-PA: conecta sensores y actuadores con un bus común, aun con seguridad intrínseca. Permite datos y energía utilizando 2 cables según norma IEC 1158-2.

Profibus-FMS: comunicaciones de alto nivel para propósitos generales.

ArquitecturaArquitecturaCumplen con el modelo ISOCumplen con el modelo ISO

DP: Utiliza las capas 1 y 2 y una interface con el usuario.

(DDLM) Direct Data Link Mapper posibilita un fácil acceso al nivel 2. Contiene funciones de aplicación y especificación de comportamiento de dispositivos.

En la capa física utiliza la norma RS-485 o transmisión por fibra óptica.

La capa 2, Fieldbus Data Link permite utilizar como técnicas de control de acceso al medio: pasaje de token y maestro esclavo.

FMS: Utiliza las capas 1,2,y 7. El nivel 7 esta compuesto por la Fieldbus

message Especification (FMS), que contiene el protocolo de aplicación y potentes servicios de comunicación y la Lower Layer Interface (LLI), implementa las formas de comunicación con el nivel 2 independientemente de los dispositivos.

El nivel 2. Fieldbus Data Link (FDL) maneja el control de acceso al medio y la seguridad de los datos.

El nivel 1, permite comunicaciones en RS-485 y fibra óptica.

FMS y DP, utilizan las mismas capas 1 y 2, por lo que pueden operar simultáneamente en el mismo cable.

PA utiliza un protocolo extendido de Profibus DP. Utiliza además el “perfil PA” que define el comportamiento de los dispositivos de campo.

La tecnología de transmisión, responden a la norma IEC 1158-2 que permite Seguridad Intrínseca y que los dispositivos de campo sean alimentados por el bus.

Dispositivos PA pueden ser pueden ser fácilmente integrados con redes DP utilizando acopladores de segmento.

Conexión PAConexión PA

Técnicas de TransmisiónTécnicas de TransmisiónRS-485RS-485

Topología: Bus lineal con terminación activa en ambos extremos. Stubs permitidos para baud rate < 1.5 Mbit/seg

Medio: Par trenzado mallado Nº de Estaciones: 32 por segmento, 127 con

repetidores Conectores: 9 pin D Velocidad de transmisión: desde 9,6 Kbit/seg hasta

12 Mbit/seg. Solo una velocidad se selecciona para todo el bus.

Distancia: 1200 m hasta 100 Kbit/seg

Transmisión: Digital, bit sincrónica, codificación Manchester.

Velocidad: 31,25 Kbit/seg Seguridad en datos: Preámbulo y delimitadores de

comienzo y final a prueba de errores. Cable: Par trenzado, mallado opcional Alimentación remota: Opcional vía las líneas de

datos. Topología: Bus lineal, árbol o combinación de

ambas Nº de Estaciones: Hasta 32 x segmento, hasta 126

con 4 repetidores.

IEC 1158-2Satisface los requerimientos de industrias químicas y petroquímicas. Permitiendo seguridad intrínseca.

Fibra Optica Utilizada en ambientes con alta interferencia

electromagnética. Fibra óptica plástica (bajo costo) hasta 50 m. Fibra óptica de vidrio hasta distancias de 1Km. Conectorizado especial

Protocolos de acceso al medioProtocolos de acceso al medio

Es uniforme para las tres versiones de Profibus. Es implementado en el nivel 2 por (FDL) Fieldbus Data Link.

Maestro - Maestro (Estaciones Activas) Maestro - Esclavo (Estación/es Activa - Pasiva) Híbrida Provee Broadcast y Multicast

Transacción Maestro/EsclavoTransacción Maestro/Esclavo

Campos de Output Data e Input Data

Token HíbridoToken Híbrido

Ejemplo de ImplementaciónEjemplo de Implementación

FFactory actory IInstrumentation nstrumentation PProtocolrotocol

A mediados de los ‘80 Cegelec y Telemecanique Consideraciones:

– Económicas: Reducción costos cableadoAhorro en el diseño, instalación y ajuste

– Consideraciones técnicas: Facil mantenimiento y modificaciones.Simplificacion del cableado tradicional Tiempo de respuesta garantizadoSeguridad y acceso a todas las variables

Capa FísicaCapa FísicaPar trenzado mallado,

fibra o RF31,25 Kbps, 1Mbps, 2,5

Mbps y 5 MbpsBanda base con

codificación Manchester256 Estaciones2000 m de longitud

DLL

APLICACION

FISICA

Proceso de Aplicación

BUS

Capa de EnlaceCapa de EnlaceModelo productor/ consumidor

– Intercambio de variables identificadas– Transferencia de mensajes– En forma cíclica o acíclica

Direccionamiento de variables: identificadores unívocos de 16 bits

Direccionamiento de mensajes: Punto a punto o multipunto. Direcciones de transmisor y receptor. 24 bits (dirección segmento + estación)

Fieldbus FoundationFieldbus Foundation

Sistema de Comunicación:– Digital - Serie - Multidrop - 2 Vías

Que permite:– Control distribuido– Configuración - Calibración– Monitoreo - Diagnóstico de performance– Documentación para mantenimiento

Aplicación

Presentación

Red

Sesión

Física

Enlace de datos

Transporte

FMS

Enlace de datos

Física

FAS

Física

Stack de

Comunicaciones

Aplicaciones del UsuarioModelo OSI

Modelo Fieldbus

FMS: Fieldbus Message SpecificationFAS: Fieldbus Access Sublayer

Aplicaciones del Usuario

Fieldbus Message

SpecificationFieldbus Access

Sublayer

Física

Enlace de datos

Aplicaciones del Usuario

Preámbulo Start Delim. End Delim.(1)DLL PDU (>273)

DLL PCI (>15) Frame C.S (2)FAS PDU ( 5 a 256 )

FAS PCI (1) FMS PDU (>255)

FMS PCI (4) User Encoded Data (>251)

User Data

PDU: Protocol Data Unit PCI: Protocol Control Information

Capa FísicaCapa FísicaTipo H1

– Señal codificada Manchester – Caracteres especiales como

delimitadores de comienzo y final.– Se puede obtener energía directamente

del bus.– Operar sobre cables usados para 4-20

ma– Soporta seguridad intrínseca

Un transmisor entrega:Un transmisor entrega:

+/- 10 mA a 31,25 Kbit/seg sobre una carga de 50 ohms, creando un voltage de 1 Vpp modulado sobre la continua.

La tensión de continua puede ir de 9 a 32 V

Para casos de seguridad intrínseca, la tensión de alimentación depende de la barrera

CableadoCableado La longitud depende de:

– velocidad de transmisión– tipo de cable– alimentación desde el bus o no– seguridad intrínseca

Par trenzado mallado 1900 m max. sumando spurs

La longitud de los spurs depende del Nº de spurs y del Nº de dispositivos por spur.

Se pueden usar bridges como repetidores.

Modelo H2Modelo H2 FuturoFuturo Propuesto para:

– Control avanzado de procesos– Entradas/Salidas remotas– Alta velocidad

Alimentación propia o 2º par de cables Entrega: +/- 60 mA a 1.0 o 2.5 Mbits/seg sobre 75

ohms ( 9Vpp). Con SI portadora de 16 KHz en lugar de continua Sin spurs para evitar reflexiones conexión al cable por acoplamiento inductivo

Stack de comunicacionesStack de comunicacionesData Link LayerData Link Layer Maneja el acceso al bus mediante un

administrador de bus centralizado y determinístico. LAS Link Active Scheduler

Hay 3 tipos de dispositivos:– Dispositivos básicos, no pueden ser LAS– Dispositivos maestros (link master) pueden

ser LAS– Bridges se usan para interconectar fieldbuses

Comunicación ProgramadaComunicación Programada El LAS tiene una lista de tiempos de

transmisión de todos los buffers de todos los dispositivos que necesitan transmitir cíclicamente.

Cuando un dispositivo debe transmitir sus datos, el LAS genera un comando CD (compel data) para ese dispositivo. Cuando el disp. Recibe el CD realiza un broadcast o produce (publica) los datos para todos los disp del bus. Lo hacen aquellos configurados para recibirlos consumidores (suscriptores)

abc

LAS

data a data b data c

Message

FieldbusCD (a)

Productor Consumidor Consumidor

TCP/IP y MMS (Factory level)TCP/IP y MMS (Factory level)1983

Internet Protocol

Transfer Control Protocol

Manufacturing Message Specification

Fast Ethernet (100 Mb)Fast Ethernet (100 Mb)

Giga EthernetGiga Ethernet

ATMATM

Tenemos una aplicaciónTenemos una aplicación

Que elegimos?Que elegimos?

Como y por que?Como y por que?

Que pretendemos ?Que pretendemos ?

Mejor mantenimiento:– Mantenimiento del sistema global– Detección de fallas– Facilidad en la reparación – Facilidad en la configuración de

componentes

Mejor Modularidad y evolutividad– Dado que el cableado es simplificado– Se debe poder agregar y/o combiar

dispositivos (sensores, PLCs, etc.) con facilidad. También programas de aplicación.

Criterios de SelecciónCriterios de Selección

Complejidad.Escalabilidad.Distribución del Control.Modelo de red.Costo.Información disponible.Servicio pre y postventa