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UNIVERSIDAD DE EXTREMADURA ESCUELA DE INGENIERIAS INDUSTRIALES

Jesús Lozano Rogado Área de Ingeniería de Sistemas y Automática

Tema 1 Introducción a las comunicaciones industriales

Automatización II

4º Grado en Electrónica Industrial y Automática

Índice

• Introducción a las comunicaciones • Sistemas de control en una red de

comunicación industrial • Conceptos básicos • Modelo OSI • Normas Físicas • Interconexión de redes

Introducción

• Historia: – Comunicaciones como un reto en la humanidad – Invención del teléfono como una de las bases de

las comunicaciones actuales – Actualmente las comunicaciones extendidas a

todos los ámbitos de la sociedad. – Comunicaciones industriales: evolución paralela

a la anterior – Necesidad de coordinación de varias máquinas

para poder obtener un resultado productivo

Introducción

• 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

Introducción

• Industria moderna: comunicaciones de datos entre sistemas, procesos e instalaciones -> pilares fundamentales

• Sistema de comunicación de datos industrial: más exigente cuanto más cerca del proceso. Comparativa características: – Volumen de datos. – Velocidad de transmisión – Velocidad de respuesta.

Introducción Volumen de datos

Velocidad de transmisión

Velocidad de respuesta

Aplicación

Red de ordenadores

Elevado Elevado Bajo Lectura de datos

Detector de proximidad

Muy bajo Bajo Instantánea Sistema de seguridad

Necesidad de organización de las redes de comunicación de datos en diferentes niveles para que cumplan con los diferentes exigencias funcionales solicitadas: Pirámide de comunicaciones Los fabricantes ofrecen diferentes alternativas para cumplir con los requisitos funcionales de cada caso. Cuanto más nos acercamos al proceso, mayor número de dispositivos intervienen en la red de comunicación para ese nivel.

Introducción

• Pirámide de comunicaciones:

Introducción

• Clasificación de las redes de comunicaciones: – Redes de datos:

• Redes de empresa y planta • Redes de célula

– Redes de control • Redes de controladores • Redes de sensores-actuadores

Introducción

• Principales características de cada uno de los niveles:

Introducción

• Beneficios de un sistema de comunicaciones integrado: – Reducción de costes de producción – Mejora de la calidad – Mejora de la productividad – Reducción del almacenaje – Mejora de la efectividad de sus sistemas – Reducción de los costes de mantenimiento

Sistemas de control en una red de comunicación industrial

• Clasificación del tipo de control según la complejidad del sistema o de los componentes que intervienen en la red de comunicación: – SISTEMA CENTRALIZADO: el control se

realiza por un solo sistema. – SISTEMA DISTRIBUIDO: el control se realiza

a través de diferentes sistemas conectados en red.


• Sistema de control centralizado:


• Sistema de control centralizado: – Es efectivo mientras el sistema no sea

excesivamente grande ni complejo. – Es fácil de mantener, ya que sólo hay un

único controlador. – Al existir un único controlador, no existen

problemas de Compatibilidad. – Son muy delicados a los fallos; si el

controlador falla, todo se detiene.


• Sistema de control distribuido:


• Sistema de control distribuido: – Para sistemas grandes o complejos. – La responsabilidad es repartida entre

diferentes controladores. – Todos los controladores deben de

comunicarse a través de una red. – Su capacidad tiende a ser superior a un

sistema centralizado. – Se caracteriza por ser un sistema más flexible

que el centralizado.


• Sistema de control distribuido: – Se pueden hacer ampliaciones con otros

controladores. Cuando éstos están programados y con un funcionamiento correcto, entonces se integra en la red de comunicaciones de los demás controladores.

– Se puede partir de un sistema básico e ir ampliando a medida que el sistema lo exija, añadiendo módulos u otros controladores.

– Permite la integración de dispositivos de diferentes fabricantes comunicables entre sí.

Normas sobre las comunicaciones

• Normas de facto: sistemas realizados por grandes empresas y que de una forma u otra acaban de imponerse en el mercado. Se generan solas y acaban aceptándose

• Normas de iure: son las que alguna organización o institución ha decidido promulgar. Pueden ser propuestas por gobiernos nacionales y organismos nacionales o internacionales


• Organismos de normalización: – Normas internacionales:

• ISO: International Standards Organization • IEC: International Electrotechnical Commission • ITU: International Telecommunication Union

– Normas continentales: • CEN: Comité Européen de Normalisation • CENELEC: Comité Européen de Normalisation

Electrotechnique • ETSI: European Telecommunications

Standards Institute


• Organismos de normalización: – EEUU:

• ANSI: American National Standards Institute • EIA: Electronics Industries Associate • TIA: Telecommunications Industries

Associate • IEEE: Institute of Electrical and Electronics

Engineers

– Normas nacionales: • AENOR: Agencia Española de

Normalización

Normas sobre las comunicaciones Organismo Norma Contenido EIA RS-232C Norma física RS-232 de comunicación serie EIA/TIA RS-422 Norma física RS-422 de comunicación serie EIA RS-485 Norma física RS-485 de comunicación serie IEEE 802 Redes de área local (LAN) IEEE 1284 Norma sobre las comunicaciones en paralelo UIT V.92 Normas sobre los módems de 56 kbps AENOR UNE-EN 50173 Cableado de sistemas de información AENOR UNE-EN 50174 Redes de cableado estructurado CENELEC EN 50170 Buses de campo industriales de prop. general CENELEC EN 61131-5 Comunicaciones en PLCs CENELEC EN 61158-1 Vía de datos en los sist. de control industriales IEC IEC 61158 Buses de campo industriales

Conceptos Básicos • Sistemas de transporte de señal • Sistemas de transmisión de la señal • Modos de transmisión de datos • Codificación de señales • Protocolos de comunicación • Tipos de sincronización • Topología de redes • Formas de comunicación • Modos de diálogo • Relaciones entre estaciones • Entradas y salidas • Tiempo real • Técnicas de control de flujo • Técnicas de control de errores • Métodos de acceso al medio

Conceptos Básicos • Sistemas de transporte de señal

– Cable eléctrico: par o coaxial – Fibra óptica – Enlace óptico – Radiofrecuencia (f < 1GHz) – Microondas (f > 1GHz) – Satélite

• Sistemas de transmisión de la señal – Niveles de tensión – Bucle de corriente – Señal modulada (Banda base o portadora)

Conceptos Básicos • Modos de transmisión de datos

– Paralelo – Serie

• Codificación de señales: ASCII, codificación Manchester

• Protocolos de comunicación:

Conceptos Básicos • Topología de redes:

– Redes centralizadas – Redes distribuidas

• Configuraciones básicas: – Punto a punto – Anillo – Estrella – Bus – Árbol – Red

Tipos de sincronización • La sincronización de los equipos de una red se

realiza a través de una señal de reloj. Para su configuración existen dos sistemas: – Asíncrona: se configuran de forma local los

parámetros de configuración en cada una de las estaciones. El envío se inicia con una señal de START. El resto de parámetros (velocidad de transmisión, Bit de start, bits de datos, bit de paridad, bit de stop) deben coincidir.

– Síncrona: dos formas de configurar el reloj: • No incorporada en los datos. Existe una señal independiente • Incorporada en los datos: mediante la utilización de una

codificación apropiada (ej. Manchester) o el envío de caracteres de sincronismo

Conceptos Básicos

• Configuraciones básicas: – Punto a punto

– Anillo

Conceptos Básicos

• Configuraciones básicas: – Estrella

– Bus

Conceptos Básicos

• Configuraciones básicas: – Árbol

– Red

Conceptos Básicos • Formas de comunicación:

– Comunicaciones cíclicas – Comunicaciones acíclicas

• Modos de diálogo: – Simplex – Half Duplex – Duplex

• Relaciones entre estaciones – Modos de comunicación

• Punto a punto • Productor-Consumidor

– Formas de organización de nodos: • Maestro-esclavo • Cliente-servidor • Productor-consumidor

Conceptos Básicos • Entradas y salidas

– Locales: E/S cableadas al PLC – Remotas: E/S lógicas que conectan punto a

punto el maestro con los esclavos • Tiempo real

– Medida relativa – Capacidad de respuesta del sistema medido

como tiempo de respuesta – Cuando el tiempo de respuesta es menor que el

tiempo en el que una variable o condición determinada tardan en provocar un cambio en el sistema se dice que opera en tiempo real

Técnicas de control de flujo • Problemas: cuando el emisor es más rápido en enviar

la información que el receptor en procesarla (ej. Ordenador conectado a una impresora)

• El emisor ha de estar informado de esta situación para que deje de enviar información en un determinado momento

• A esto se llama: Control de flujo. Dos mecanismos: – Control de flujo por hardware: el control se realiza

mediante un cable físico que une el emisor con el receptor (Tx/Rs, RTS/CTS y DTR/DSR)

– Control de flujo por software: se utilizan dos caracteres especiales de control (XOFF/XON) que indican al emisor que detenga o reanude el envío de datos

Técnicas de control de errores • Error: el hecho de que un bit de un mensaje sufra una

inversión durante una transmisión. • Dos problemas que resolver mediante:

– Métodos de detección de errores => acompañados de la petición de retransmisión

– Métodos de corrección de errores => no se utilizan en aplicaciones industriales

• Técnicas para detectar y corregir errores: – Métodos basados en el control de la paridad:

• Bit de paridad – Métodos algebraicos:

• Suma de comprobación • Ecoplexión • Códigos de redundancia cíclica o CRC

Métodos de acceso al medio • Colisiones: varias estaciones transmiten a través del mismo

canal de comunicaciones. Pueden provocar: – Información errónea en la recepción – Pérdida de la información

• Para evitarlo => Técnicas conocidas como métodos de acceso al medio, basados en dos sistemas: – Métodos de acceso a la red con control, llamados centralizados

(un equipo realiza la función de centro de control) • Métodos de sondeo y selección • Métodos de paso de testigo:

– En bus – En anillo

– Métodos de acceso a la red aleatorios, llamados de contienda (sin prioridad en ninguna estación y cada ordenador controla su comunicación escuchando si el canal está ocupado y en caso afirmativo, espera un tiempo aleatorio y lo vuelve a intentar)

Modelo OSI (Open System Interconection)

Modelo OSI (Open System Interconection)

Nivel Nombre Función Características (objetivos)

7 Aplicación Funciones de usuario y servicios de comunicación

R/W Start/Stop HTTP, FTP (Intercambio de información: los ficheros)

6 Presentación Conversión de los datos a un formato común entendible por todos los equipos

Lenguaje propio del equipo para transmitir y recibir (Idioma del intercambio: formato y encriptado de datos, seguridad y compresión)

5 Sesión Control de las sesiones de comunicación (inicio, transcurso y final)

Coordinación y fiabilidad de la transmisión (hablar por turnos)

4 Transporte Garantizar un enlace fiable entre terminales. Formación y gestión de los paquetes de información

Transmisión segura. TCP/UDP (medio de comunicación: fragmentación y reconstrucción de datos)

3 Red Direccionamiento a través de sistemas y control de flujo

Comunicación entre redes. IP, ARP (caminos utilizados: routing)

2 Enlace Método de acceso. Control de la transmisión de bits y detección y corrección de los errores

CRC CSMA/CD Token (utilización del medio: control de errores, generación y envío de tramas)

1 Físico Características mecánicas y eléctricas del sistema físico de transporte

Tipo de cable. Coaxial, PAR (adaptación al medio)

Modelo OSI para comunicaciones industriales

• Capas más utilizadas: – FÍSICA: Se encarga de la transmisión de bits al canal de

comunicación, define los niveles de la señal eléctrica con la que se trabajará y controla la velocidad de transmisión (duración de un bit). Tiene tres subniveles:

• MEDIO: Canal de transmisión, si es cable, FO, radio, etc.

• MAU (Media Attachment Unit): electrónica de los niveles eléctricos.

• PLS (Physical Logical Signal): Codificación en la emisión de la información binaria a señales eléctricas y viceversa.

Modelo OSI para comunicaciones industriales

• Capas más utilizadas: – ENLACE: Se encarga de establecer una comunicación libre de

errores entre dos equipos, forma la trama organizando la información binaria y la pasa a la capa física. Tiene dos subniveles:

• MAC (Media Acces Control): Control del canal de transmisión para que en el momento que esté libre, pueda enviar la información.

• LLC (Logical Link Control): Controla y recupera los errores, también codifica la información (hexadecimal o ASCII) a enviar a formato binario o decodifica la información binaria recibida a hexadecimal o ASCII.

– APLICACIÓN: Es la capa más próxima al usuario y puede ofrecer servicios tales como correo electrónico, acceso a base de datos, transferencia de ficheros, videoconferencia.

Normas físicas

• Las más utilizadas en las comunicaciones industriales son: – RS-232 – RS-422 – RS-485

Norma física RS-232

• Definida por la EIA (conector y cable) • Idéntica a la V.24 definida por el UIT • Creada para comunicar un ordenador con un

modem (utilizado para diferentes periféricos) • Cubre cuatro áreas:

– Características mecánicas de la interface – Paso de señales eléctricas por la interface – Función de cada señal y subconjunto de señales

para ciertas aplicaciones


• Características mecánicas de la interface • Define la asignación de señales a los 25 contactos • Equipo que contiene el hembra • Longitud máxima recomendada del cable (25 m) • Máxima capacidad del cable (2500pF)

Conector hembra: PC

Conector macho: modem

Norma física RS-232 • Paso de señales eléctricas por la interface

– Creado para realizar comunicaciones serie punto a punto a velocidades <= 20kbps.

– Lo realmente limitado es la longitud del pulso (inverso a la velocidad)

– Señales de la interface RS-232

Negativo Positivo Tensión RS-232C (v) -3 a -15 +3 a +15 Tensión RS-232D (v) -3 a -25 +3 a +25 Tensión de transición (v) -3 a +3 Estado binario 1 0 Condición de señal Marca Espacio Función No activa (off) Activa (on)

• Señales por la interface RS-232:

• Estados: -12v y +12v • Sólo el 3% del tiempo de cada período de bit se

debe utilizar para realizar una transición • Capacidad del conductor: freno a los cambios de

tensión



• Función de cada señal y subconjunto de señales para ciertas aplicaciones


• Señales interconectadas entre emisor y receptor: – GND (1): Tierra de protección – SG (7): Tierra de señal

– TD o TxD (2) Transmisión de datos – RD o RxD (3) Recepción de datos

– RTS (4) Petición de envío – CTS (5) Preparado para transmitir


• Señales interconectadas entre emisor y receptor: – DSR (6): DCE preparado – DTR (20): Terminal de datos preparado – RI (22) Indicador de llamada – CD (8) Detección de portadora

Norma física RS-232 • Proceso seguido para una comunicación:

– Comprobación de que tanto el emisor (DTE) como el

receptor (DCE) están preparados, alimentados, sin ningún error, etc. (señales DTS/DSR)

– El emisor (DTE) quiere enviar datos y le pregunta al receptor (DCE) si está preparado para recibir (señal RTS del (DTE) al CTS del DCE)

– El emisor (DTE) espera que el receptor (DCE) le responda, activando la señal CTS del emisor (DTE) mediante el contacto RTS del receptor (DCE)

– El emisor (DTE) envía la señal de datos del contacto Tx al receptor (DCE) que la recibe por el contacto Rx

Norma física RS-232 • Tipo de transmisión:

– Tipo de transmisión simple (single-ended): • Utiliza un único hilo o cable, referenciado a una masa común

(no balanceado) • El dato se obtiene de la señal que llegue por ese hilo • Se emplea para distancias cortas y bajas velocidades de

transmisión

Transmisión RS-232 sin interferencias en el canal de comunicación

Transmisión RS-232 sin interferencias en el canal de comunicación


• Circuitos integrados comerciales que integran la norma RS-432:

MAX232, HIN232, AMD3202

Norma física RS-422 • Características:

– Utiliza dos hilos respecto a una masa – El dato recibido se obtiene de la diferencia de

tensiones entre dos hilos – Permite mayores distancias de transmisión que la

transmisión simple – Es más inmune al ruido eléctrico

• Zona de transición de 4v:


• Señales norma RS-422:

Señal Definición Tx+ o TD+ Señal no invertida transmitida al canal de

comunicaciones Tx- o TD- Señal invertida transmitida al canal de

comunicaciones Rx+ o RD+ Señal no invertida recibida a través del

canal de comunicaciones Rx- o RD- Señal invertida recibida a través del canal

de comunicaciones FG Masa de protección


• Tipo de transmisión: – Tipo de transmisión diferencial Full duplex:

• Utiliza dos hilos referenciado a masa • El dato se obtiene de la diferencia de señal entro

los dos hilos que componen el canal de comunicación

• Full-duplex: cada equipo puede enviar y recibir de forma simultánea al utilizar canales diferentes

• Velocidades de hasta 10 Mbps • Distancias de hasta 1200m • Red de hasta 32 estaciones de trabajo


• Transmisión diferencial:

Transmisión sin interferencias en un sistema diferencial

Transmisión con interferencias en un sistema diferencial


• Red de equipos en RS-422: – Máximo de 32 equipos – Se asigna a un equipo el estatus de estación

principal o primaria – El resto de equipos: estaciones secundarias – Se debe colocar resistencias terminadoras

(Rt) en los extremos de cada canal para mantener en todo momento la impedancia en la linea

Norma física RS-422 • Red de equipos en RS-422:

• Posibilidades de comunicación: – La estación primaria puede comunicarse directamente con el

resto de estaciones, tanto par enviar como para recibir. – Las estaciones secundarias no pueden comunicarse entre sí, ni

para enviar ni para recibir, deben pasar por la primaria


• Configuración multifilar de una red


• Circuitos integrados comerciales que integran la norma RS-422:

Norma física RS-485 • Características:

– Definida por la EIA en 1983 – Versión mejorada de la RS-422 – Interface multipunto hasta 32 emisores-receptores – Dispone del tercer estado para evitar colisiones – Se basa en un sistema diferencial y es compatible

con la RS-422


• Las señales que utiliza son las siguientes:

Señal Definición A o D+

Señal de emisión/recepción no invertida transmitida al canal de comunicaciones

B o D- Señal de emisión/recepción invertida transmitida al canal de comunicaciones

FG Masa de protección

Norma física RS-485 • Tipo de transmisión: diferencial Half-Duplex que se

caracteriza por: – Utilizar dos hilos o cables, referenciado a masa – El dato se obtiene de la diferencia de la señal eléctrica

entre los dos hilos que componen el canal de comunicación

– Half-Duplex: cada equipo puede enviar y recibir pero no de forma simultánea.

– Velocidad de hasta 10 Mbps – Distancia de hasta 1200m – Configuración de red de hasta 32 estaciones de trabajo

• La norma RS-485 incorpora un tercer estado que permite que un equipo se pueda colocar en estado de alta impedancia, y por tanto no lee nada, es como si se encontrara desconectado de la linea.

Norma física RS-485 • Transmisión: normalmente la habilitación se

encuentra en estado de recepción “0”. Si se quiere transmitir basta con poner un “1”.


• Ejemplo: red Profibus

• Máximo nº de equipos: 32, pero con receptores de alta impedancia se puede llegar a 256


• Configuracion multifilar: Cada equipo del enlace dispone de un adaptador con las líneas TD/RD y habilitación (T/R) para controlar el modo de funcionamiento del equipo: • Cuando la entrada de control

tiene un “0”, el equipo se muestra en modo recepción y puede escuchar el tráfico en la red

• Cuando se pone a “1”, el equipo se pondrá en modo transmisión y es cuando puede enviar datos a la red.


• Configuración esquemática de una red en la norma RS-485:


• Circuitos electrónicos que integran la norma RS-485:

Resumen normas físicas

Interconexión de redes

• En el caso de producirse: – Ampliación de red – Conexión a otra red del mismo tipo – Conexión a otra red de distinto tipo

• Se utilizan los siguientes dispositivos: – Repetidor – Puente o bridge – Encaminador o router – Pasarela o gateway

Repetidor • Objetivo: regeneración de las señales eléctricas y

garantizar las conexiones entre los elementos de una red

• Operan en el nivel 1 • También pueden convertir la norma física o el

sistema de cableado.

Puente o bridge • Máquina de red con inteligencia • Realiza operaciones básicas en la red: almacenar y reenviar las tramas

recibidas en función del contenido • Une dos redes del mismo tipo, estructura y protocolo • Operan en la capa de enlace (nivel 2) • Su unidad de operación es la trama de red • Fases para pasar una trama de una red a otra:

– Almacena en memoria la trama recibida – Comprueba el campo de control de errores. Si hay error, elimina las tramas de la red – Si no hay errores, reenvía la trama al destinatario

Encaminador o router • Dispositivos software o hardware configurados

para encaminar o convertir paquetes entre sus distintos puertos utilizando la dirección lógica correspondiente (p. ej. 255.255.0.9)

• Opera en el nivel 3 (OSI) de red • Une dos redes de diferente configuración o

estructura pero que trabajan con el mismo protocolo

Pasarela o gateway • Es una puerta de enlace con una red • Une dos redes que puedan tener diferente:

– estructura (bus, anillo, estrella, etc.) – tipo (ethernet, token-ring, master/slave) – protocolo (TCP/IP,Profibus, AS-i, etc.)

• Funciones: – Reconocimiento y almacenamiento de los mensajes

correspondientes a las estaciones de la red origen – Adaptación de los formatos de datos de la red destino – Envío del mensaje a la red y estación destino – Conexión física de cada uno de los tipos de la red

conectados

Pasarela o gateway

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