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Cap ítu lo 7 Bus de Campo

M.C. Salvador Saucedo Flores 1

7.1 Introducción.

El mundo industrial está formado por una gran variedad de campos donde sepuede ejercer control. Uno puede pensar en una fabrica productora de algún tipo deartículo, en una planta procesadora de alimentos, en un relojero, etc. Sin embargo, todosellos son usuarios potenciales de un field bus, aunque ésta necesidad sea más aguda enalgunos campos de control que en otros, para algunos los buses de campo estánorientados al área de producción. Es por lo que el enfoque del bus de campo debe tomaren cuenta todas las necesidades.

El texto siguiente es una propuesta para un enfoque básico con el propósito deestimular a todos aquellos que tienen que hacer frente a la necesidad de un cambio.

7.2. Primer Enfoque.

Para comenzar intentaremos contestar la pregunta “Qué es un Field bus” con unaexplicación clara y sencilla. Field evoca algo geográfico o de límite contextual. Esto esverdadero para diferentes niveles de abstracción, como veremos más tarde cuandotratemos con integración y producción, como en la estructura CIM (Computer IntegratedManufacturing). Por otro lado, la palabra “bus” es una palabra bien conocida en el área dela computación: en pocas palabras, un bus es un grupo de líneas eléctricas comunesconectadas a varios circuitos para transferir datos entre ellos.

Sin entrar en detalles, nos gustaría sin embargo hacer mención de la relación entre“líneas comunes” y “varios circuitos”: conexiones punto a punto diferentes, las cuales solopermiten dos circuitos para el intercambio de datos, y un bus une usualmente un grannúmero de entidades que toman un papel activo en el intercambio de información.

Por otro lado, un bus de campo transfiere, en la mayoría de los casos, informaciónde manera secuencial (en forma serial, uno después de otros) con la excepción desolamente aplicaciones específicas, tales como la SCSI o IEEE-488, las cuales solo tratancon paquetes de bits, pero nada más que bytes, aunque los anteriores no pueden serconsiderados buses de campo sino sólo simples aplicaciones específicas de computación.La ventaja de una transferencia serial es que ésta requiere solamente de un número muylimitado de líneas o cables (alrededor de 2 ó 3 en casi todos los casos), por lo quedistancias más grandes pueden ser cubiertas.

Estos últimos comentarios apuntan hacia otro criterio para la comparación entrelas conexiones punto a punto y la serial: la topología de bus es diferente y la flexibilidadde instalación es más alta, porque es más fácil adicionar un nuevo circuito al sistemaexistente.

Cabe mencionar que la norma original ISA SP50.1 para la señal deinstrumentación de 4 - 20mA fue adoptada por IEC, haciéndola una norma mundialsencilla para conectar instrumentos eléctricos de campo, lo que provoca que la longitudde los cables no sea importante. Sin embargo, los 4 - 20mA son susceptibles a ruidoeléctrico lo que tiende a requerir blindaje, siendo incapaz de compartir cableado exceptoen cables de multipar.

Por otro lado, se reducen los errores de alambrado debido a que todos losinstrumentos de campo se pueden alambrar juntos en una caja de juntas de campo, yaque el field bus resuelve el problema de comunicación vía protocolo, no por cable,



identificándose los instrumentos por sí mismos y permitiendo que el sistema sedocumente por sí solo.

Para que esto funcione, la comunicación de bus no es como la comunicaciónpunto a punto. Si algunos de los dos nodos en la línea se enlazan entre sí, ellos son librespara mandarse información cuando y como ellos quieran (como es el caso de dosterminales conectadas vía RS-232), para el acceso al bus, se requiere de estrictas reglaspara permitir el flujo de información de transmisor a receptor. El conjunto de tales reglases llamado protocolo. Por otro lado, para el bus de campo es muy importante implementary definir un algoritmo de seguridad que asegure la transmisión correcta de datos decualquier nodo de la red.

Esto lleva a la siguiente cuestión: Cuál es el propósito de definir un bus sí esoimplica requisitos adicionales, los cuales a veces son difíciles de entender y realizar?

7.2.2 Por qué definir un bus?

Existen esencialmente dos argumentos que hablan en favor del bus de campo:La comunicación por medio de un bus permite una vía de intercambio de datos los cualesno puede ser transferidos de otro modo, o si se realiza, es con gran dificultad.

• La transferencia de datos sigue un mecanismo estándarizado.De éstos puntos principales se derivan una serie de argumentos. A continuación

se enumeran algunos de los más comunes:• Flexibilidad para expandir la red y conectar a ésta diferentes módulos sobre la

misma línea.• Distancias más grandes que con conexiones tradicionales.• Reducción substancial en el alambrado.• Gran aplicación en le campo de control• Reducción de costos globales.• Simplificación de la instalación y operación.• Reducción del costo de ingeniería (acumulación del conocimiento gracias a la

experiencia)• Disponibilidad de herramientas para instalación y diagnostico.• Posibilidad para conectar productos de diferentes fabricantes.Sin embargo existen algunas desventajas las cuales deben ser mencionadas:• Necesidad de mejor conocimiento en la instalación (más experiencia).• Alta inversión en equipo y herramientas (para monitoreo, mantenimiento, etc)• Costo aparente alto.• El problema de compatibilidad entre equipo de diferentes fabricantes se

mantiene a pesar de garantizar lo contrario.

Sin embargo las más grandes desventajas son solo temporales, puesto que soncausadas por el esfuerzo de aprender una nueva tecnología. Es por eso que esfuertemente recomendable considerar tales puntos antes de empezar.

7.2.3 Quién se interesa en los buses de campo?.



Hay tres categorías de gente profesional quienes se interesan en los buses decampo:

• Consumidores de un lado: todos aquellos que trabajan en un sistema basadoen un bus de campo. Mientras todo trabaja bien, este tipo de personas no valora laimportancia del sistema de bus, y es por eso que ignoran que dependen de el.

• Aquellos que construyen sistemas de automatización (personas o compañías)con buses de campo fabricados con materiales disponibles en el mercado (sistemasintegradores).

• Compañías que producen y venden productos para conectarse a un bus decampo.

• Fig1: Categorías de profesionales interesados en los buses de campo.

Los requerimientos de estas tres categorías no son las mismas. Para el primergrupo, el hecho de que el sistema instalado trabaje correctamente y sea económico es elfactor principal: que esto suceda gracias al bus de campo puede tener o no importancia.Para el segundo, aunque la relación costo / desempeño es importante, generalmente laelección de un bus de campo depende de la facilidad con que éste se instala: por lo tantoellos están interesados en equipo para instalar, configurar y monitorear la red - unareducción en el alambrado implica una ventaja directa en el precio -. Un bus de campo, dehecho, favorece la realización de sistemas modulares y de fácil expansión.

Aquellas personas que diseñan equipo y módulos de comunicación para un bus decampo se interesan en la complejidad de sus tareas, en la disponibilidad de componentesespecíficos, en el soporte para desarrollo, etc.

7.2.4 De dónde viene la nueva moda de los buses de campo?

Realmente, es más correcto preguntar de donde viene la tendencia para lautilización de buses de campo para propósitos de comunicación. En realidad, éstatendencia no es del todo una moda, porque el enfoque respaldado por los buses decampo y, en general, por los sistemas de comunicación es más natural que el cual unopodría ver a primera vista: esto es el resultado de la evolución tecnológica, la cual seremonta a los inicios del siglo, en la revolución industrial, y la cual aún continua. Sinembargo, en el campo de la comunicación, se descubre una ruta que va en direcciónopuesta con la evolución de, por decir, de la ingeniería mecánica y electrónica: la



mayoría de las capas abstractas de datos transfieren primero a la aplicación de control yteoría de automatización, y finalmente a los sensores y actuadores.

Hemos tratado de representar este fenómeno con la siguiente figura:

Figura 2. Evolución de la tecnología y la teoría del control.

Con la introducción de la máquina de vapor, una gama de invenciones aparecieronal comienzo del siglo, junto con ingeniosos sistemas con palancas u otros actuadorespara controlar y automatizar procesos. Tales mecanismos involucraron a los sistemascontrolados por levas, todavía usados actualmente. Sin embargo, una nueva línea detecnología, basada en neumática y vacío, llegó a ser popular rápidamente: gracias a quelos pistones proporcionaban mayor flexibilidad. Este fue el primer paso hacia unatecnología la cual procesa parámetros de entrada para transformarlos en señales decontrol lógicas, lo cual lleva a la idea de procesos automáticos por combinación lógica deseñales a través de válvulas neumáticas.

La electricidad ha facilitado todo lo necesario para reducir el volumen ycomplejidad de los sistemas neumáticos, sin sacrificar la flexibilidad. Los relevadoreseléctricos permitieron que un gran número de válvulas neumáticas fueran sustituidas porcircuitos electrónicos.

Un salto en flexibilidad fue hecho posible por la construcción de dispositivos omáquinas programables, fabricados gracias a la electrónica. Tales máquinas, desde elprimer dispositivo el cual sustituyó a los relevadores existentes, han crecido hasta llegar aser reales computadoras procesando e incrementando la cantidad de datos. En general,la introducción del software y hardware de computación han contribuido, por un lado, aldiseño de sistemas más complejos, con más demanda en el procesamiento de datos,requiriendo un gran incremento en el número de líneas y conexiones, pero por otro, latecnología de las computadoras ha permitido el desarrollo de los sistemas decomunicación.

El primer paso ha consistido en permitir que las computadoras se comuniquenentre ellas por medio de un nodo central, o configuración de red en estrella, con unaconexión punto a punto basada en RS-232. Uno de los ejemplos mejor conocidos es el delos sistemas de tiempo compartido con VAX´s conectados a terminales VT-100 -actualmente una norma para terminales. Sin embargo, gracias a la brecha tecnológica, lasconfiguraciones de estrella han ido desapareciendo para dar lugar a la configuración de



red en estructura de árbol -, la principal diferencia es que los usuarios están conectados ala misma línea y los datos transferidos son multiplexados en tiempo.

Gracias a la mejora de los protocolos de comunicación, es posible reducir eltiempo necesario para la transferencia y aseguramiento simultáneo de la protección dedatos, garantiza la sincronización de procesos provenientes de diferentes células deproducción, y satisface los requerimientos de señales críticas en el bus de campo.Aunque el bajo nivel en componentes para buses de campo, como sensores y/oactuadores, existieron solo por muy pocos años, los buses de campo se han vuelto muypopulares en años recientes. Los buses para las tareas más críticas, como para lasincronización de movimientos, emergen para la configuración industrial, por supuestosolo después de una incubación en los laboratorios de pruebas.

7.3 Base teórica.

7.3.1 El modelo OSI.

El modelo OSI es la referencia oficial para comunicación. Sin embargofrecuentemente, es mal entendido, desconocido, o mal interpretado el declarar que lossistemas de comunicación propuestos se adhieren a ésta norma. Por lo que se piensaque es necesario dedicar algunas palabras sobre el tema.

El modelo OSI (Open System Interconnection) de ISO (International StandardOrganization) es una base de referencia (modelo) para identificar y establecer unaclasificación de las diferentes funciones de los sistemas de comunicaciones. Por lo tanto,éste modelo representa solo el punto de referencia, y no un arreglo de prescripcionespara que un sistema se adhiera al modelo.

En éste modelo se definen siete capaz de funciones para un sistema decomunicación. No es obligatorio tener las siete capaz en un sistema dado, por quedependiendo de a aplicación algunas capas medias pueden ser omitidas.

A continuación se muestra el diagrama de las capas del modelo OSI:

Figura 3.| El modelo OSI.



En los siguientes párrafos se ilustra brevemente el papel que juega cada capadentro de la comunicación:

• Capa 1 (capa física): Define las características físicas de una porción de lacomunicación en un circuito, como lo son: niveles de voltaje, corriente, dispositivos deconexión, el sistema de codificación óptico o eléctrico, etc. La línea real de comunicaciónno está incluida dentro de este nivel, puesto que el modelo OSI define solo laspropiedades de comunicación de un nodo dentro de la red, no de la red misma.

• Capa 2 (capa de enlace de datos): Define los formatos de la trama y sucodificación lógica, así como el mecanismo de protección como lo es el CRC - inserciónautomática de bits de repetición para evitar la transmisión de secuencias muy grandes deseñales idénticas (bit de relleno) -.

• Capa 3 (capa de red): En ésta capa, son descritas las características de trabajoen red, para asegurar que las tramas de información sean dirigidas al cliente por la rutaque haya sido elegida por la fuente. Esta capa es obligatoria cuando están disponibles yactivadas diferentes rutas a la vez.

• Capa 4 (capa de transporte): Esta capa define como se van a establecer lascomunicaciones, así como la forma en que el canal de comunicación es entre dos nodoses realizado. Por otro lado administra la conexión de extremo a extremo incluyendo elcontrol de flujo y errores, teniendo como función básica asegurar que el transporte dedatos se realice en forma segura.

• Capa 5 (capa de sesión): Una vez que un canal lógico de comunicación entredos puntos es establecido, las capas anteriores pueden comenzar a sincronizar susaplicaciones y abrir una sesión de trabajo. Tales operaciones son definidas en ésta capa.

• Capa 6 (capa de presentación): Sí dos nodos de comunicación utilizan unformato diferente para la representación de datos - tales como el ASCII y un código de 16bits extendido - ésta capa se encarga de definir la correspondencia de representación dedatos.

• Capa 7 (capa de aplicación): Esta es la capa superior la cual define lasinterfaces de aplicación. Se encarga del intercambio de información entre el usuario y elsistema. Los protocolos de éste nivel se encargan del transporte de los programas deaplicación (claves de acceso, transferencia de archivos, estadísticas de gestión de red,correo electrónico, etc.).

La aplicación en sí misma no se incluye, debido a que no es parte del sistema decomunicación.

El flujo de información a través de un sistema de comunicación está sujeto a untratamiento similar al cual recibiría un paquete mandado por mensajería. A cada capa delmodelo OSI le corresponde una función bien definida. En la recepción final, para unpaquete de información, cada capa OSI desempaca el dato empaquetado por la capacorrespondiente durante la transmisión final. Existe entonces lógica horizontal entre lascapas del modelo OSI, opuesta al flujo vertical de datos.



Figura 4. Flujo de datos y relaciones lógicas.

7.3.2 Elementos de comunicación.

En una red de comunicación de un cierto tamaño no es suficiente con conectarnodos sobre una línea, sino que se vuelve necesario insertar circuitos para aislarporciones de la red, para mejorar sus características. En otros casos el bus se debeconectar a otro sistema de comunicación, el cual requiere equipo adicional. En lospróximos párrafos se describirán los elementos de comunicación más importantesdisponibles, utilizando un enfoque teórico basado en el modelo OSI.

7.3.2.1 Repetidor.

Un repetidor o amplificador, es un dispositivo para mejorar las señales eléctricas,permitiéndoles a éstas viajar grandes distancias entre los nodos, además de permitir laadición de más nodos a la red. En suma, esto hace posible adaptar



Figura 5 Repetidor.

diferentes medios físicos entre los nodos - tal es el caso de una RS-486 a una fibra óptica-. De a cuerdo con el modelo OSI, éste dispositivo codifica y decodifica señales solo en lacapa 1 de la capa física.

Con una simple modificación, un repetidor se transforma en un separador. Este esun dispositivo amplificador con varios conectores, el cual recibe la señal en un puerto y latransmite por todos los demás.

Fig. 6 Separador (un repetidor modificado).

7.3.2.2 Puentes (Bridges).

Un puente pertenece tanto a la capa 1 como a la 2 del modelo OSI. El puentepermite la conexión entre dos secciones diferentes de una red que tengan característicaseléctricas y de codificación diferentes. En particular, un puente puede unir dos redes detrabajo distintas, permitiendo con esto la comunicación y el uso de aplicacionescompartidas a través de la red. Sin embargo, la mayoría de las redes de trabajofuncionales sufren cuando esto debería superar a la menos funcional de ellas. Un puenteno es inteligente y por lo que, para un mensaje proveniente de un sistema, el puente



retransmite éste mensaje como una versión equivalente para el otro sistema sin másinterpretación.

Figura 7 Puente.

7.2.3 Ruteador.

Un ruteador, como su nombre lo dice, cambia las tramas de comunicación entrediferentes segmentos de red, definiendo la ruta más eficiente de datos entre dossegmentos de red. A los ruteadores no les importa saber que tipo de topología oprotocolos de nivel de acceso se utilizan en los segmentos de red. Para hacer esto, elruteador debe interpretar las señales de la capa número tres del modelo OSI.

Figura 8 Ruteador.

7.3.2.4Compuertas (Gateways).

Una compuerta es algo parecido a un puente pero con la suficiente inteligenciacomo para decodificar señales de la capa número 7 (de aplicación), del modelo OSI.Como veremos después, éste dispositivo permite la conexión de buses de diferentescaracterísticas, permitiendo que las aplicaciones se puedan comunicar a través de lacompuerta. Lo anterior, gracias a sus recursos y al hecho de que son fáciles de



configurar, permitiendo optimizar la comunicación en ambos lados. Se utilizan cuando setienen que interconectar sistemas que se construyen totalmente con base en diferentesarquitecturas de comunicación.

Figura 9 Compuerta.

Este tipo de dispositivo, a pesar de su importancia, es muy raro, tal vez por sucomplejidad y un mercado limitado. Frecuentemente se afirma que las compuertas sonsimples puentes, sin embargo, es impropio el uso de la palabra.

7.3.3 Topología de red.

La comunicación entre dos nodos se lleva acabo en un línea punto a puntosiempre y cuando los dos nodos estén presentes. En tal caso, son usadas las conexionespropias, frecuentemente basadas en el protocolo de la RS-232 o de la RS-422.

Conforme el número de nodos que deben ser conectados juntos crece, la preguntade topología de red surge sorpresivamente. Topología no es nada más que la forma queuna red tiene, basado en los nodos y elementos de comunicación, así como de el tipo deconexiones.

Existen varios modelos típicos de topologías. Las más comunes son:

Anillo.

Estrella.

Árbol.

7.3.3.1Anillo.

Esta estructura permite la conexión de todos los nodos en cascada. De un nodo alsiguiente, la comunicación es solamente en una dirección. Cuando un nodo manda



Figura 10. Red en Anillo.información, el nodo siguiente procurará la repetición de la señal recibida y adicionará supropia información cuando sea necesario. Esta estructura tiene dos ventajas principales:primera, la señal se actualiza en cada nodo, por tanto distancias más grandes pueden sercubiertas, segunda, el flujo uni-direccional es ideal para fibras ópticas, puesto que cadasegmento de red es similar a una conexión punto a punto con comunicación en una soladirección, permitiendo con esto el ahorro en alambrado (líneas de conexión).

Sin embargo, existen dos desventajas las cuales no pueden ser ignoradas:primera, no es posible extender la red mientras ésta se tenga en funcionamiento, porqueal hacer esto se podría provocar la ruptura del anillo; segundo, en forma similar, sí algunode los nodos deja de funcionar o algún segmento se pierde, la red completa se cae.

7.3.3.2 Estrella.

La estructura de estrella exhibe características las cuales son totalmente opuestasa las de anillo. Esta estructura se basa en un nodo con funciones especiales - como lasde maestro o servidor -, el cual funciona como punto central para conexiones bi-direccionales hacia cada nodo. Esta estructura permite la inclusión de más nodos sininterrumpir a la información, el nodo siguiente procurará la repetición de la señal recibida yadicionará su propia información cuando sea necesario. Esta estructura tiene dos ventajasprincipales: primera, la señal se actualiza en cada nodo, por tanto distancias más grandespueden ser cubiertas, segunda, el flujo uni-direccional es ideal para fibras ópticas, puestoque cada segmento de red es similar a una conexión punto a punto con comunicación enuna sola dirección, permitiendo con esto el ahorro en alambrado (líneas de conexión).

Sin embargo, existen dos desventajas las cuales no pueden ser ignoradas:primera, no es posible extender la red mientras ésta se tenga en funcionamiento, porqueal hacer esto se podría provocar la ruptura del anillo; segundo, en forma similar, sí algunode los nodos deja de funcionar o algún segmento se pierde, la red completa se cae.



Fig.11 Estrella.

7.3.3.3Árbol.

La estructura de árbol posee ventajas y desventajas que son una combinación delas características de las dos primeras topologías. En principio, una de árbol

permite la bifurcación, por tanto ésta estructura es similar a la de estrella, pero además,permite que al mismo tiempo varios nodos puedan ser conectados en serie en una rama.Por otro lado, por la forma ideal de árbol en la cual una simple rama, la cual parece unanillo, sin embargo dentro de él los nodos no están en forma de anillo, sino que en lugarde estar en serie están en paralelo, por lo que la falla de cualquier nodo no pone a losdemás fuera de servicio. Sino que otra vez, uno es libre de incluir a la red una nuevarama.

Esta es la topología más popular para buses de campo, típicamente, conconexiones físicas de RS-485.

7.3.4 Características físicas.

A diferencia de lo que frecuentemente se piensa, no es suficiente con conectarjuntos y de la misma manera todos los nodos y simplemente verificar la polaridad en lasuniones. Existe en cambio, una teoría de líneas eléctricas más complicada la cual, aunqueno la vamos a explicar aquí, se debe ser tomada en cuenta para evitar los problemas máscomunes, los cuales se incrementan debido a las características físicas de la red. Acontinuación mencionaremos un poco.

Fig. 12 Árbol.



En una línea que maneja altas frecuencias, cada terminal provoca una reflexión dela señal que perturba la comunicación. Estas perturbaciones se pueden eliminarincluyendo una resistencia final (o de limitación) en el extremo final de cada segmento dered.

En cada rama adicional existen riesgos de reflexión de señal, por lo que deben serevitados en lo posible o detectados con un separador (splitter).

La mayoría de los nodos cargados a un segmento de red están generalmenteconectados por buses de campo, como la interfaz RS-485, para la cual, 32 nodosconectados es el número máximo aceptable. Aun cuando una red parezca trabajarcorrectamente con tal cantidad de nodos conectados, es conveniente incluiramplificadores en la red.

Como los amplificadores retrasan la señal de propagación, es necesario reducir elnúmeros de retrasos entre cada par de nodos conectados. Algunos buses, como porejemplo aquellos del tipo multi-maestro (multi - master) como el CAN, que establececondiciones estrictas: como un repetidor simple provoca una reducción en el promediomáximo de mensajes transmitidos, es mejor escoger una estructura de estrella, con unseparador simple, en lugar de repetidores en cascada.

La longitud de cada línea debe ser elegida en forma óptima para reducir ladispersión de señal y la probabilidad de ruido electromagnético del exterior. El número decables en la línea debe ser lo menor posible, y además, los cables de la alimentaciónnunca deben correr en paralelo con los cables de la comunicación, porque esto provocamás perturbaciones.

El blindaje de los cables es una medida efectiva contra las señales deperturbación, sin embargo, esto se debe hacer en forma correcta. En particular, pararedes amplias (de algunos cientos de metros), todos los blindajes deben ser conectadosjuntos, pero aterrizados en un punto común - ya que varias conexiones de tierra generanflujos de corriente, causadas por diferencias de potencial en los diferentes puntos detierra, dichos flujos de corriente pueden adicionar perturbaciones peores que si los cablesno se hubieran blindado.

Una red completa debe ser planeada por adelantado para encontrar un diseño quese acerque lo más posible a lo ideal. Por otro lado es conveniente hacer chequeos de lared de manera regular, para hacer que el trabajo de mantenimiento se haga más sencillo.



Fig. 13 Estructura de una red.

Si se le da mucha importancia a los aspectos anteriores, un cable comprendido porun simple par de alambres trenzados y blindados (con un tercero para la tierra), seríasuficiente para la mayoría de aplicaciones. El uso de cables coaxiales o fibras ópticas noes obligatoria, aún en situaciones donde las perturbaciones externas son inevitables. Estoha sido demostrado en instalaciones sobre máquinas para fricción eléctrica y enlaboratorios de física - electrónica, donde se generaron chispas eléctricas capaces deborrar EPROM´s, y a pesar de las perturbaciones generadas el bus de campo trabajó sinproblemas.

7.3.5 La pirámide CIM.



Figura 14 La pirámide CIM

Antes de elegir la solución para un problema, es necesario realizar un pequeñoanálisis, independientemente de cualquier consideración económica, política o comercial,sin importar que tan difícil sea evitar lo anterior.

Por ejemplo, en una fábrica o planta manufacturera existen varios niveles deprocesamiento de datos, para los cuales se tienen requerimientos diferentes. Laadministración (nivel alto de la pirámide CIM) trabaja con megabytes de datos, pero eltiempo de respuesta no es crítico y cae en un intervalo de pocos minutos hasta horas oaún días (los respaldos son ejecutados una vez al día, los reportes escritos a lossupervisores pueden demorarse algunas horas sin ningún daño).

Otro ejemplo se observa en la producción, la cual es la principal área donde se usael bus de campo, misma que tiene diferentes requerimientos. En el nivel más bajo,encontramos buses que transfieren solo unos pocos bytes, con un tiempo de reacción deunas décimas de microsegundo.

Tales diferencias definen un primer criterio para la evaluación del tipo de bus decampo a adoptar. Dicho criterio involucra al tiempo de respuesta y a la cantidad de datos(los cuales son conocidos de acuerdo a la aplicación que se tenga), aunque todo loanterior no sea fácil de integrar dentro de un concepto bien estructurado como lo es lapirámide CIM.

Se debe de observar que esta representación es ideal y que se debe de usar solocomo una referencia. La realidad de las empresas, en especial en Suiza, no correspondeen lo más mínimo al modelo de integración, porque las razones para justificar talesinversiones raramente son alcanzadas.

7.3.6 Clasificación de los sistemas de comunicación.

Excepto por el cell bus , el bus de campo es una clasificación para prácticamentetodos los buses de comunicación industrial. Entre los buses de campo existen importantesdiferencias en cuanto a sus características. Los alemanes comienzan su definición condos clases:

Buses de campo reales (Field bus).Buses de campo a bajo nivel (Sensor-Aktor-Bus), los cuales serán referidos aquí

como buses sensor - actuador.

Aunque la clasificación anterior define dos categorías principales, existe unatercera, la cual agrupa a los buses de campo especiales dedicados principalmente paraaplicaciones específicas.

Cabe hacer mención de los elementos que soporta o que se pueden conectar a unfield bus, los cuales se enumeran a continuación:

Transmisores, válvulas, PLCs, DCSs, medidores de flujo, motores, bombas,analizadores, lectores de código de barras, etc.

7.3.6.1 Cell bus.



Este es el punto de inicio para cualquier clasificación de comunicación a nivelindustrial. Sin embargo, los cell buses no son buses de campo, por lo que solo algunospuntos esenciales serán discutidos aquí.

(segundo nivel) Uno de los buses más populares en la jerarquía por capas es elMAP. Este usa Ethernet como medio físico. Sus características más importantes son:“message passing” en el servicio de aplicaciones, y la definición de una máquina virtualpara simular cualquier tipo de máquina y la forma en que es accesada, esto facilita lacomunicación entre la máquina real y otra.

Este es el nivel en el cual las fases de producción se sincronizan. Puesto que enSuiza las compañías son más pequeñas - excepto por un cierto número de compañías - laexistencia de este nivel en la pirámide es frecuentemente puesto en duda.Frecuentemente, la red de trabajo del nivel más alto, con TCP/IP en plataforma Ethernet,se expande para incluir PC’s industriales, actuando como compuertas para las capas másbajas. En tal caso, es recomendado separar el segmento de red de la capa deadministración con un puente, éste puente permite separar el tráfico y proporcionarindependencia a los segmentos de red.

7.3.6.2 Field buses.

(tercer nivel de la pirámide CIM) Esta categoría agrupa a aquellos buses quepermiten la transmisión de tramas con tamaños que van desde docenas de bits hasta 256bytes. En ésta capa, el tiempo de respuesta es generalmente de uno pocos milisegundos.Los buses de campo tienen la tarea de conectar unidades inteligentes que cooperan en elprocesamiento del trabajo, es por eso que necesita de más tiempo de respuesta críticoque el que se necesita en las capas más altas. Puesto que los nodos trabajan juntos, enla mayoría de los casos un nodo coordina y distribuye las tareas. Es por esta razón quelos buses de campo se construyen en relación a la jerarquía de maestro - esclavo: elmaestro controla las comunicaciones y las operaciones por medio del poleo cíclico a losesclavos, los cuales pueden regresar el mensaje solo cuando el maestro lo desee, graciasa esto se elimina cualquier confusión en la red, debido a que el protocolo establecido solopermite que un nodo transmita información en instante dado. A pesar del tipo deestructura, ésta tiene su talón de Aquiles: sí el maestro deja de operar adecuadamente,todo la red se cae. Por lo que los recientes buses de campo, tales como el Profibus FMSo el nuevo Bitbus (IEEE-1118), tienen la capacidad de cambiar el papel de maestro a otronodo si se desea o si el maestro se inhabilita.

Es posible cubrir una parte de la capa inmediata superior con un bus de campo,aunque en forma limitada. Sin embargo, esto requiere de una medición estimada de lacantidad global de datos que viajarían sobre la red, para evitar sobre flujo.

En resumen, la mayoría de los buses de campo permiten el acceso a los recursosde las capas inferiores (como el PLC (input/output)), y cubren por lo tanto algo de lascapas inferiores. En ese caso también es importante establecer exactamente si lacapacidad de comunicación del sistema es suficiente: la carga de la red debe ser reducidatanto como sea posible, para permitir la reacción rápida a los cambios en el estado de lasseñales.

7.6.3 Buses sensor - actuador.



(nivel cuatro) Estos buses unen los nodos con inteligencia cero o limitada, parapermitir que otro nodo procese datos elementales, tal es el caso de los estados deentrada y salida de los sensores y actuadores. Una aplicación clásica es la de los PLC’scon módulos de I/O descentralizados. En tal caso, el programador de PLC’s no necesitatener cuidado de la comunicación.

Para realizar las tareas anteriores, una jerarquía maestro - esclavo no esnecesaria (en algunos buses ha desaparecido), pero el tamaño de los paquetesmandados a la red debe ser limitado a lo estrictamente necesario - aunque se obtengantiempos de transferencia más altos, cuando las distancias son más cortas.

Las soluciones para las cuales se usan los buses de esta clase varíanconsiderablemente, porque los características de cada clase son muy peculiares. Es poreso que dependiendo de la aplicación, una clase es mejor que otra.

En ciertos casos también es posible usar estos buses en capas más altas, sinembargo, el desempeño de estos buses puede ser inadecuado.

7.3.6.4 Buses especializados.

Esta categoría puede tener más subdivisiones - esto en función de los campos deaplicación de los distintos buses -, aun ante el riesgo de definir una categoría consistenteen un solo bus, por otro lado, los buses especializados no deben ser confundidos con losbuses de propietario, para los cuales existe un solo proveedor, tal es caso del bus IEEE -488 para instrumentos de medición (aunque este no sea un bus de campo).

Las aplicaciones para estos buses son variadas, por lo que serán mencionasalgunas:

• Control de movimiento, en particular para controlar la posición de motores.• Iluminación de edificios, donde la información que fluye se reduce a pocos bits,

pero el costo por nodo sea un factor crítico.• Automatización de vehículos (campo en el cual se desarrolló CAN)• Técnicas de medición y pruebas.• Fuerza aérea y armada, donde los requerimientos de confiabilidad son más

severos.

Muchos proveedores declaran que su bus es el mejor para todas las aplicaciones ypara todas las capas de jerarquía. Sin embargo, por la variedad de los requerimientos,tales declaraciones son cuestionables.

Por otro lado, en lugar de definir un nuevo bus para una campo particular, un busexistente es modificado de acuerdo a las necesidades, aun ante el riesgo de no alcanzardesempeño deseado.

7.4. Características principales de los buses de campo.

7.4.1 BITBUS.



Este bus reserva un lugar especial en cada presentación de buses de campo. Esun mérito que no es señal de que sea mejor que otros, además la representación delprimer sistema industrial para comunicación disponible para todos. De hecho, en lanaciente historia de los buses de campo, eran propiamente soluciones para el campo delos automóviles, eran sistemas que fueron desarrollados para incrementar laproductividad, pero a causa de la competición ha surgido la tendencia para desarrollarsistemas propietarios o particulares, es por eso que cada compañía automotriz tiene unopropio.

Bitbus fue hecho por Intel al inicio de los 80´s como un sistema de comunicaciónabierta y sus especificaciones fueron publicadas en 1983.En estas bases, Intel hadesarrollado un Chip, integrando todas las funciones de comunicación, ofreciendo a losdesarrolladores del circuito un acceso fácil a esta tecnología.

Su popularidad continua hoy en día a lo largo de cualquier sistema industrial. En1991 una comisión internacional comparo esto con el estándar de factibilidad IEEE - 1118,añadiéndole unas pocas características nuevas, las cuales de todas maneras no alteraronsu compatibilidad con equipo existente en el mercado. El hecho mas trascendente, es queBitbus está basado en tecnología que es apoyada por estándares modernos, como los delprotocolo SDLC, recurrentemente usados en computadoras de red y telefonía digital.Estas características son las siguientes:

• Estructura maestro - esclavo (con la posibilidad de cambiar de maestro (master))• Mensajes con arriba de 248 bytes• Rangos de 62.5 Kbit/s o 375 Kbit/s• Distancias hasta de 13.5 Km. por segmento a 62.5Kbit/s, o 1200 m a 375Kbit/s• Medio físico RS-485, con par trenzado, preferentemente blindado• Aplicación de Interfaz bien definida (funciones RAC en la capa 7 del modelo OSI)

Posibilidad de transmitir y procesar mensajes desde el maestro mandandomensajes a todos o solo un grupo selecto de esclavos (de acuerdo a las definiciones delnuevo estándar)

Posibilidad de conectar dos o tres repetidores en cascada.Popularidad mundial.

7.4.2 INTERBUS- S

Este bus fue hecho por la compañía alemana Phoenix, que esta especializada enla producción de plugs. Gracias a la experiencia en este campo, esta compañía haplaneado simplificar las cosas a los electricistas, con un sistema de comunicación quereduce el monto de las conexiones. Iniciando desde los plugs, el sistema no podría serpero uno al nivel mas bajo, como un sensor o un actuador.

La concepción básica es similar a eso de los registros de cambio: de hecho,Interbus-S es como un anillo largo en el cual el maestro cambia secuencialmente todoslos estados de salida, desde una palabra teniendo el tamaño de la red y reemplaza esosque viajan al nodo correspondiente con estados de salida cambiados en la entrada. Laventaja consiste en que todas las entradas y salidas son compartidas con cada ciclo yque el tiempo de un ciclo simple puede ser determinado de una manera exacta.

Como Intel con su bitbus, Phoenix rápidamente se dio cuenta que el único caminopara esparcir exitosamente su sistema es ofrecer soporte a los desarrolladores, con un



chip que contiene todas las funciones del bus. Además para evitar los buses depropietario, se han tomado pasos para tenerlo normalizado como DIN-19258.

Estas son las principales características de este bus:• Estructura Amo-Esclavo (Un amo simple)• Gran alcance de red hasta los 13Km, que es posible por la restauración de la

señal en cada nodo• Distancia entre nodos hasta de 400m.• Aplicación de Interfase bien definida• Esclavos sin inteligencia (en su mayoría)• Medio físico RS-486, con entrada y salida en el mismo cable• Rango de 500 Kbits/s• Hasta 4096 I/O pueden ser conectados en el anillo• Popular especialmente en Europa.

7.4.3 CAN

Este bus es muy interesante por su origen, y lo es mas por sus características.Este fue diseñado por Bosh en 1983-85 para reducir considerablemente el cableadoautomotriz. La idea básica fue la de reemplazar la conexión de elementos entre cada unocon una unidad de computo centralizada ejecutando un mensaje apropiado de passing, talque los elementos no concernientes deben simplemente ignorar el mensaje o seleccionarsolo las interesantes, cuando aceptan el mensaje pueden actuar coordinadamente sin serforzados a responder. Esta gran libertad de acceso aloja reducción de comunicación amensajes indispensables solamente y garantiza altos rendimientos.

De todas maneras, este tipo multi - master de acceso causa problemas de colisión,cuando dos nodos empiezan a mandar mensajes simultáneamente. Bosh ha encontradouna elegante solución a este problema: cada mensaje es identificado con un numeromandado al inicio de cada trama; mensajes con un bajo numero tienen una prioridadmáxima, y en caso de colisión el nodo mandando las noticias de mas baja prioridad einmediatamente para mensajes con alta prioridad continúan siendo mandados sininterrupción.

Las exigencias del campo automotriz han forzado a una realización orientada alnivel de los buses sensor/actuador, puesto que un mensaje no puede contener mas de 8bits. Bosh ha entrado en un acuerdo con Intel para realizar este bus y juntos ellos handesarrollado un chip integrando en todos los aspectos de la comunicación. Desdeentonces un impresionante numero de fabricantes han aceptado el uso de éste bus,iniciado a ofrecer chips implementando la interfase CAN. De todas maneras, la aplicacióncomo interfase no esta definida, por lo que el bus CAN puede ser usado con un protocolode propietario. Además existen diferentes estándares de especificaciones para larealización de sistemas con productos de diferentes distribuidores.

Las principales características de este bus son las siguientes:• Estructura multi-master con accesos múltiples• Rango de 20 Kbit/s• Sus rangos es posible que crezcan hasta 1Mbit/s• Dificultad para insertar repetidores.• Span limitado de red 40m a 1 Mbit/s,1 km a 50 Kbit/s• Medio físico similar al RS-485 con un par trenzado, preferentemente blindado• Todos los mensajes tienen un nivel de prioridad.



• El error de handling es enteramente implementado en los chips.• Hay aplicaciones de interfaces estándar.• La transmisión tiene un alto grado de seguridad.• Difusión a nivel mundial.

7.4.4 SERCOS

Sercos alcanza la categoría de buses de campo dedicados a aplicacionesespecificas. Este fue diseñado por el Instituto Alemán con el propósito de reducir eltamaño del cableado en los motores. En particular en el campo de las maquinasherramientas. Este es uno de los buses mas recientemente avalados en el mercado(desde 1989) y aloja interpolación que soporta 8 ejes simultáneamente, por elsincronización de ellos en el bus. Un alto numero de nodos puede ser conectado y sutopología es como un anillo. Nodos son interconectados con fibras ópticas, porque lacomunicación entre ellas debe ser rápida.

Una serie de parámetros de comunicación es provista, por lo que este buspresenta características que no son necesariamente simples, pero completa para lacuestión a la que fue diseñado. Un chip de comunicación ha sido implementado para estebus.

Sus principales características son las siguientes:• Estructura de Amo-Esclavo• Topología de anillo• Fibra óptica como medio físico• Arriba de 254 esclavos direccionables.• Segmentos de línea con una longitud hasta de 60 m de fibra sintetica,250 m

para fibra de vidrio.• Rango de 2 a 4 Mbits/s• Acceso de bus con un tiempo de ventana bien definido.• Popularidad limitada pero creciendo.

capas de modelo osi usadas por profibus.pdf

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