Capitulo 4. Sistema de Comunicaciones

DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL AUTOMÁTICO Y MONITOREO PARA UNA ESTACIÒN DE BOMBEO DE AGUA POTABLE ING. DANILO GARCIA V.

CAPÍTULO 4 SISTEMA DE COMUNICACIONES COMUNICACIONES 4.1

Introducción

La necesidad de tener procesos distribuidos sobre grandes superficies, los cuales sean llevados a cabo de forma confiable y eficiente; obliga a mantener comunicados los diferentes componentes, mediante equipos de adquisición de datos y comunicaciones, desde los cuales se evalúen, controlen y reporten sus estados; además de permitir interactuar, en función de dichos estados, con otros componentes del proceso. En el presente capítulo se describen los principios de funcionamiento de los sistemas de comunicaciones que se utilizan para transmisión de datos y se detallan también las características básicas que debe poseer dicho sistema para ser implementado en el presente proyecto.

4.2

Redes y Transmisión de Información

Las redes forman parte de la vida cotidiana; unas, por ejemplo, realizan el transporte de energía eléctrica y otras, distribuyen el agua o el gas natural. Las redes de gas o de agua están formadas por tuberías y canales de diversas secciones; mientras que, las redes eléctricas están formadas f ormadas por conductores. Actualmente, gran parte del intercambio de información se hace por medio de redes eléctricas. La red eléctrica o electrónica más sencilla une un punto con otro: es el enlace punto a punto. Cuando se necesita unir varios puntos se debe construir una red más compleja; en este caso, una parte de la red puede ser común a varios puntos. Los canales eléctricos de transmisión de información son de varios tipos: 1. Cable, para transmitir información binaria (presencia/ausencia (presencia/ausencia de tensión), 2. Corriente portadora por la que que se envía una señal señal eléctrica o PLC (Power (Power Line Carrier superpuesta superpuesta a 50 o 60 Hz), 3. Línea especial: par trenzado o cable coaxial. 4. Ondas electromagnéticas, electromagnéticas, llamadas ondas de radio; en este caso un canal canal corresponde a una banda de frecuencia dada. Pueden emplearse varios canales juntos para difundir informaciones diferentes. 5. Fibra óptica: esta técnica, transporta señales señales luminosas que permiten la transferencia de gran cantidad de información a elevadas velocidades. velocidades. La información se transporta de dos formas: 1. Forma analógica: emplea emplea la tensión o la corriente en una gama continúa continúa de valores: ondas radio, de teléfono (a nivel de terminales); por ejemplo, el uso de 0 a 10 V o de 4 a 20 mA es frecuente en la industria, en mediciones y regulación. La forma analógica de transmisión tiene un gran inconveniente: 99


es sensible al ruido y a los parásitos. Un chisporroteo en una transmisión telefónica no es muy molesto, pero las máquinas no tienen la misma capacidad de filtrado y puede dar lugar a falsa información. 2. Forma digital: en todo momento se transmite transmite uno de los dos estados 1 ó 0 (on u off). Esta información (la más simple que se transmite), se llama bit. Un conjunto de bits representa una información más completa y se denomina byte 1 o palabra2. La asociación de bits permite transmitir cifras o letras según una codificación particular (figura 4.1). El principio del lenguaje codificado no es nuevo; el ejemplo probablemente más conocido es el de Morse que se utilizaba en el telégrafo.

Fig. 4.1 Ejemplos de Codificación Binaria

Para establecer una comunicación confiable y eficiente entre equipos, éstos deben cumplir los siguientes requisitos: 1. 2. 3. 4.

Hablar sin ambigüedades. Hablar el mismo lenguaje. Tener un vocabulario común. Tener un un comportamiento comportamiento bien definido.

4.2.1 Transmisión de Datos La transmisión de datos utiliza una técnica denominada conmutación de paquetes, que aprovecha la posibilidad de transferir bloques de datos entre terminales sin establecer una conexión punto a punto 3. Por el contrario, se transmiten de enlace a enlace 4, quedando almacenados temporalmente y en espera de ser transmitidos cuando se establece el correspondiente enlace. Las decisiones sobre su destino se toman basándose en la información de direccionamiento contenida en la “cabecera” que va al principio de cada bloque de datos.

1

Byte: Conjunto de 8 bits. Palabra: Conjunto de 16 bits. 3 Conexión punto a punto es un tipo de conexión en la cual a un transmisor (emisor) le corresponde únicamente un receptor. En una red punto a punto todas las máquinas tienen los mismos derechos de acceso, es decir; no hay un servidor dedicado y todas las Pc's de la red pueden ser Servidores o Clientes en un momento determinado. 4 Transmisión de enlace a enlace es un tipo de comunicación en la cual no hace falta una conexión permanente para intercambiar datos entre dos equipos. Una explicación más detallada sobre lo que es un enlace se encuentra en la siguiente sección en el punto Nivel 2 ( Enlace de Datos). 2

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El término “paquete” abarca la cabecera más el bloque de datos. Este tipo de conexión suele ser más eficaz que una conexión punto a punto entre ambas partes, mantenida hasta el final de la comunicación. En la práctica, un mismo enlace físico puede ser compartido por más de un usuario, gracias a una técnica llamada multiplexación. El precio a pagar por el mayor rendimiento es el retraso que sufren algunos paquetes. Un pequeño error de transmisión de datos puede echar a perder todo un proceso. Por tal razón, la comprobación y prevención de errores constituye un requisito básico de cualquier tipo de comunicación de datos. La protección contra los errores suele efectuarse añadiendo bits adicionales a los paquetes que contienen los datos a transferir. Alrededor del 4% de los bits en un paquete de datos se dedican a la detección de errores. El método más sencillo de aprovechar estos bits es fijar un bit de paridad, un único dígito que se coloca para que la suma de una determinada secuencia de bits sea 1 o 0. Es una forma muy eficaz de detectar errores de bits aislados, pero no sirve cuando hay errores que afectan a 2 o 4 bits. Normalmente se utilizan otras técnicas más depuradas conocidas como sumas de control (Checksum 5, CRC6, etc.). Se fundamentan en complejos cálculos matemáticos y resultan eficaces para detectar diferentes tipos de errores. Más enrevesadas resultan las técnicas de corrección de errores, que suelen precisar un porcentaje mayor de bits, pero que son capaces de corregir realmente errores de transmisión eliminando la necesidad de retransmitir paquetes enteros por culpa de un único bit.

4.2.2 Tipos de Redes y Conexiones Las redes responden a necesidades que pueden ser muy diferentes. A. Según su extensión geográfica: geográfica:

(a)

(b)

(c)

Fig. 4.2 Tipos de redes según su extensión extensión 5

Checksum: (suma de control): es un código detector de errores; consiste en una información reduntante, transmitida generalmente al final de la trama, y que permite detectar err ores simples.

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CRC: (Cyclic Redundancy Code): código de repetición cíclica. Es un código detector de errores; consiste en una información redundante, calculada según un algoritmo particular, transmitido generalmente al final de la trama, y que permite detectar errores sobre varios bits a la vez. Existen varios tipos de CRC:CRC16, CRC CCITT, etc.

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1. WAN (Wide Area Network o red a gran distancia): cubre necesidades nacionales o internacionales (figura 4.2 a). 2. MAN (Metropolitan Area Network o red ciudadana): cubre necesidades a escala de una ciudad (figura 4.2 b). 3. LAN (Local Area Network o red local): cubre necesidades limitadas a uno o varios edificios próximos entre sí, que pueden ser de uso industrial, comercial o doméstico (figura 4.2 c). B. Según sus campos de aplicación: • • • • •

Telecomunicaciones Informática Control de procesos industriales Control de utilidades para edificios Control de la distribución eléctrica Los tipos de conexiones (figura 4.3) pueden ser los siguientes: 1. Conexión serie o de enlace simple: se utiliza para redes unifilares (la palabra serie se aplica a la transmisión de información y no al modo de conexión). Consta de: Medio7: un par de hilos o cable coaxial. Transmisión de datos en serie: uno tras otro, en forma de bits. • Conexión de equipos o unidades: se "cuelgan" de la red o línea: por derivación desde un cable principal, en cadena de eslabones sucesivos. • •

2. Conexión paralelo o de enlace compuesto: se utiliza en redes multifilares. Es el caso de diferentes elementos que trabajan en muy estrecha colaboración por medio de un sistema de BUS 8. Estos bus paralelo se emplean en autómatas programables y ordenadores, asegurando uniones entre las diversas tarjetas. El bus VME es un ejemplo. Fig. 4.3 Tipos de conexiones 7

Medio: soporte físico de un canal de transmisión de información (por ejemplo, un par trenzado); normalmente conocido como «BUS».

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Bus: conjunto de líneas conductoras de hardware utilizadas para la transmisión de datos entre los componentes de un sistema informático. Un bus es en esencia una ruta compartida que conecta diferentes partes del sistema, como el microprocesador, el controlador de disco, la memoria y los puertos de entrada/salida (E/S), para permitir la transmisión de información. El bus que conecta componentes internos de la computadora se llama bus local o bus del procesador. También se puede hablar del bus de red, un cable que conecta todas las estaciones de la red. Por extensión, se denomina bus de software a una interfaz de programación que permite la transferencia de datos entre módulos de software.

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Consta de: Medio: varios hilos, por ejemplo la conexión VME (norma IEEE 996) en su configuración más sencilla consta de 96 hilos, para datos y direccionamiento. • Transmisión de datos: en grupo simultáneo (de 4, 8, 16, 24, etc.) • Conexión de los equipos o unidades: su conexión se realiza siempre con varios hilos en paralelo. •

4.2.2.1

Redes Informáticas

En el campo informático, la oferta de redes es muy completa y jerarquizada (figura 4.4). Para unir grandes ordenadores, se precisa de una red de muy alto rendimiento, como la FDDI (Fiber Distributed Data Interface) y además ATM (Modo de Transferencia Asíncrona ). Para unir varios mini o microordenadores entre ellos, se utilizan redes tales como Ethernet o Token Ring,

Fig. 4.4 Niveles de comunicación de las redes informáticas.

Para unir terminales e impresoras, se emplea la unión punto a punto; existe una gran variedad de uniones de este tipo, entre ellas destacan: 1. Conexión Centronics, destinada a las impresoras, 2. RS-232C/V24: Para transmisiones síncronas o asíncronas, generalmente punto a punto (líneas telefónicas especializadas, unión de terminales a corta distancia (máximo 18 mts.), los parámetros que caracterizan este tipo de comunicaciones son: • • • • • •

Velocidad Paridad Bits de datos Bits de parada Distancia Control de Flujo

Cuando se requieren velocidades mayores es posible aumentar la distancia mediante dispositivos especiales denominados LAN-DRIVERS. Estos permiten

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alcanzar distancias de varios kilómetros a razones de transferencia máxima de 9600 bps. 3. RS-422A/V11: Es una interfaz multipunto que puede soportar hasta 10 estaciones con una velocidad de transferencia de 1 Mbps, permite la transmisión en entornos perturbados y a distancias aproximadas a 1Km en 2 o 4 hilos (half-duplex, full-duplex). 4. RS-485: Es una versión mejorada de la RS-422 adaptada a las redes locales industriales en una versión half-duplex (2 hilos), la cual puede soportar hasta 32 emisores y otros tantos receptores.

4.2.2.2

Redes de Control de Procesos

En el campo del control de procesos industriales (GTP o Gestión Técnica de Procesos), la oferta es también muy completa y jerarquizada. Cuando los sensores y actuadores pasan a ser inteligentes, las uniones punto a punto se reemplazan por BUS de terreno. Los sensores y actuadores dialogan entre ellos y con los autómatas, utilizando redes de automatismos, como por ejemplo, JBUS o FIP. A nivel superior, los ordenadores de gestión y de supervisión de taller dialogan gracias a una red MAP (Manufacturing Automation Protocol) o Ethernet (figura 4.5).

Fig. 4.5 Niveles de comunicación en la Gestión Técnica de Procesos.

En el campo del control de servicios para edificios existen algunos equipos programables sencillos, y algunas realizaciones de GTC (Gestión Técnica Centralizada) muy completas, pero en general desarrolladas enteramente a medida, con componentes de tipo autómata programable y calculador, tales como: Automatismos de confort (calefacción, alumbrado, maquinaria) y de seguridad (incendio, intrusión). Se emplea la inteligencia distribuida, y de ahí una previsible evolución de la Gestión Técnica Centralizada, y la necesidad de un BUS con prestaciones adecuadas.

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4.2.2.3

Descripción del Bus VME

El bus VME (Versa Module Europa) es un sistema de bus abierto flexible que hace uso de la norma Eurocard. Fue introducido por Motorola, Phillips, Thompson, y Mostek en 1981. El bus VME fue proyectado para ser un medio flexible que sopote una variedad de tareas intensas de computación, y ha llegado a ser un protocolo muy popular en la industria de las computadoras. Se define por la norma IEEE 1014-1987. El uso del bus fue desarrollado desde un punto de vista computacional, el cual lleva un completo trazo esquemático de la memoria. Cada dispositivo puede verse como una dirección, o bloque de direcciones. Bajo VME, las direcciones y datos no son multiplexados. Una transferencia de bloque, sin embargo, es posible mediante aplicaciones en modo ATM (Asynchronous Transfer Mode). El bus permite múltiples maestros, y contiene un potente esquema de interrupción. Para manejar las interrupciones se requiere un recurso del administrador. El bus VME es un backplane basado en TTL el cual, aunque el sistema es asíncrono, transfieren bloque de datos a una velocidad de aproximadamente 20 Mbytes por segundo. Una transferencia típica consiste de un ciclo de arbitraje (para ganar el control del bus), un ciclo de dirección (para seleccionar el registro) y el ciclo datos actuales. Leer, escribir, modificar y bloquear transferencias son soportados. El sistema de bus VME consta de 4 sub buses: el bus de Transferencia de Datos, el bus de Arbitraje, el bus de Interrupción de Prioridad y el bus de Utilidad. La transferencia de datos es asíncrona soportando módulos con una amplia variedad de tiempos de respuesta.

4.3

Protocolos de Comunicación.- Características

Los protocolos de intercambio de datos, son señales mediante las cuales puede tener lugar la comunicación o la transferencia de información. Los protocolos de intercambio se pueden controlar tanto con hardware como con software. Un protocolo de intercambio de hardware, como el existente entre un ordenador o computadora con una impresora o con un módem, es un intercambio de señales, a través de cables específicos, en el que cada dispositivo señala su disposición para enviar o recibir datos. Un protocolo de software, normalmente es el que se intercambia durante las comunicaciones del tipo módem a módem, consiste en una determinada información transmitida entre los dispositivos de envío y de recepción. Un protocolo de intercambio de software establece un acuerdo entre los dispositivos sobre los conjuntos de normas que ambos utilizarán al comunicarse. Hay protocolos de muy diversos tipos. Unos se ocupan de aspectos bastante primarios como, por ejemplo, el de asegurar que el orden de los paquetes 105


recibidos concuerda con el de emisión. A un nivel algo superior hay protocolos para garantizar que los datos enviados por una computadora se visualicen correctamente en el equipo receptor. La informática moderna utiliza muchos protocolos distintos. Debido al auge de Internet, uno de los más empleados es el protocolo TCP/IP. La norma establecida por la International Standards Organization (ISO) y conocida como “modelo de 7 niveles”, recoge la estructura general común a todos los protocolos. Este modelo define cómo se efectúa la transferencia del mensaje entre un emisor y un receptor. Un nivel representa un subconjunto de funciones a aplicar para permitir que diferentes sistemas puedan comunicarse entre sí. Cada nivel ofrece unos servicios al nivel superior y utiliza los servicios del inferior. A cada nivel se le asocian uno o varios protocolos, descritos por normas básicas (figura 4.6).

Fig. 4.6 Modelo Open System Interconnection (OSI)

Este desglose en niveles permite separar las tareas y describir de una manera sencilla las sucesivas operaciones necesarias para la transferencia de mensajes: El nivel 1, FÍSICO, transmite una sucesión de bits (0 y 1) en el medio. El nivel 2, ENLACE, controla los accesos al BUS (flujo), define tramas, detecta y corrige los errores de transmisión. El nivel 3, RED, maneja las posibles rutas de la información en la red, a través de eventuales subsistemas. El nivel 4, TRANSPORTE, controla la correcta transferencia de todas las informaciones. Se ocupa del formato y su misión es asegurar que una secuencia recibida de bits se transforme en datos significativos. Este nivel supone la existencia previa de una conexión fiable. El nivel 5, SESIÓN, organiza y sincroniza de principio a fin el diálogo entre los usuarios; este nivel constituye un elemento inherente del propio diseño. El nivel 6, PRESENTACIÓN, determina la presentación de datos y permite, eventualmente, la codificación y decodificación de los mensajes.

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El nivel 7, APLICACIÓN, determina el mecanismo de utilización de los servicios de la red, por parte de los usuarios. El modelo OSI no permite resolver todos los problemas de intercambio, de ahí la necesidad de la elaboración de normas de acompañamiento específicas a cada tarea u oficio (tema y vocabulario comunes).

Fig. 4.7 Ejemplo de trama

Existen redes que solamente utilizan una parte de las funciones descritas anteriormente. Los niveles esenciales son: 1, 2 y 7, que son los dos extremos de la cadena, desde el soporte físico hasta el usuario; también realizan los principales mecanismos internos (figura 4.7). Las redes en tiempo real destinadas al control de equipos sólo utilizan los niveles 1, 2 y 7.

4.3.1 Nivel 1 (Físico) Define las topologías aceptadas, el modo de emisión y el soporte de transmisión. A. La topología (figura 4.8) de la red indica las formas que ésta puede adoptar:

Fig. 4.8 Diferentes topologías

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1. Una topología en BUS caracteriza una red lineal sobre la que se conectan todos los puntos. A resaltar que una estructura arborescente es corrientemente considerada como si fuese de tipo BUS. 2. Una topología en estrella consiste en n enlaces punto a punto conectados al mismo punto central. 3. Una topología en anillo conecta todos los puntos sucesivamente y se vuelve a cerrar sobre el primero conectado. 4. una topología en malla o red combina las diferentes topologías. B. El modo de emisión define la forma de la señal eléctrica sobre el soporte de transmisión. La transmisión de las informaciones puede ser hecha en banda base (Base Band) o por onda portadora: 1. En banda base: la sucesión de bits que representan los datos es codificada por medio de un codificador de banda base (por ejemplo, 0 corresponde al nivel 0 V y 1 corresponde al nivel 15 V). La señal elaborada por el codificador no experimenta ninguna transformación antes de ser emitida sobre el soporte (figura 4.9 esquema A), 2. Por onda portadora: la señal en banda base se emplea para modular otra señal de forma senoidal llamada portadora (figura 4.9 esquema B). Este modo de emisión es muy utilizado en el ámbito de la radio y emplea las técnicas de modulación de amplitud (AM), de modulación de frecuencia (FM) o de modulación de fase. Pero se trata de informaciones en forma analógica y no digital. En el caso de redes locales, estos mecanismos se utilizan muy poco (figura 4.9 esquema C).

Fig. 4.9 Ejemplos de modos de transmisión de las comunicaciones.

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C. El cable es el soporte de transmisión más frecuente. Puede ser un cable coaxial, un par trenzado o un cable específico (4 hilos con blindaje): El par trenzado es, en la mayor parte de los casos, el soporte de transmisión más sencillo.

4.3.2 Nivel 2 (Enlace de Datos) Controla el acceso a la red. Define el método de acceso al BUS y detecta los errores de transmisión. El acceso al BUS puede ser controlado por un equipo único, que concede el tiempo de palabra a los demás (por ejemplo en forma de pregunta). Este tipo de mecanismo, empleado por FIP o JBUS, se considera entonces como Maestro/ Esclavo o centralizado, condicionado por un derecho. La condición de acceso se llama testigo: su poseedor puede emitir un mensaje y a continuación transmitir el testigo al equipo siguiente. Es un mecanismo de tipo semicentralizado. Se emplea Profibus, y todavía en MAP, aleatorio o descentralizado. El equipo que quiere emitir verifica que la línea está libre. Si dos equipos toman la palabra a la vez, habrá colisión. El nivel ENLACE define la conducta a seguir: prioridad a uno de los dos emisores o retransmisión tras un retardo aleatorio. Estos mecanismos de acceso corresponden a los protocolos CSMA (Carrier Sense Multiple Access). Se emplean especialmente en Ethernet y en BatiBUS.

Tabla 4.1 Comparación de las principales redes.

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El nivel 2 controla también que el mensaje que llega de la red esté bien direccionado (ignora los demás). Define los mecanismos de direccionamiento; éste puede ser directo (dirección personal) o para grupo físico o lógico (por cable o por ciudad) o en modo difusión (para todos los buzones), el nivel 2 controla, en suma, la correcta transmisión del mensaje: define los mecanismos del intercambio garantizando al emisor de un mensaje que el receptor lo ha recibido bien. En la tabla 4.1, se observa una tabla comparativa de las características de las diferentes redes de comunicación. Ethernet (802,3) no define normalmente más que los niveles 1 y 2. Otros protocolos (OSI, TCP/IP, Decnet) se implantan generalmente en los niveles superiores.

4.3.3 Nivel 7 (Aplicación) Según las posibles aplicaciones de una red, se proponen diferentes servicios a los usuarios (mensajería, transferencia de ficheros, etc.). El nivel 7 determina los mecanismos de empleo de estos servicios. El usuario puede ser un operador humano o un programa informático, incluso un automatismo muy sencillo. Por ejemplo, la norma ISO/IEC- MMS (Manufacturing Message Specifications) define un conjunto de servicios de mensajería: • • • • • • •

• •

Context Management Services: se utilizan para iniciar, acabar y parar la comunicación a otro usuario MMS, Virtual Manufacturing Device Support Services: se utilizan para obtener el código de un equipo alejado y para identificarlo, Domain Management Services: se utilizan para manejar los «sectores», es decir: ficheros y tablas. Variable Access Services: se utilizan para el acceso a las diferentes variables, Program Invocation Management Services: se utilizan para la gestión de tareas, Semaphore Management Services: se utilizan para sincronizar, controlar y coordinar los recursos compartidos entre usuarios, Operator Comunication Services: proporcionan un mecanismo de comunicación con una estación operadora y permiten la entrada y la visualización de datos, Event Management Services: se utilizan para definir y controlar los resultados, Journal management services: permiten el trazado gráfico y la gestión de un diario de a bordo de la aplicación.

Una red de automatismos como la JBUS/MODBUS define servicios de aplicación que permiten intercambios entre PLC’s. Las informaciones en general están constituidas por algunos octetos. Los diferentes programas de 110


automatismo tienen un conocimiento «a priori» de su significado. Los servicios ofrecidos específicamente por JBUS/MODBUS son los siguientes: 1. Lectura de n bits, 2. Lectura de n palabras, 3. Escritura de 1 bit, 4. Escritura de 1 palabra, 5. Lectura rápida de 8 bits, 6. Diagnóstico de los intercambios, 7. Lectura del contador de acontecimientos, 8. Lectura del buffer señal, 9. Escritura de n bits, 10. La red FIP constituye una base de datos repartida trabajando en tiempo real. Permite: 1. La identificación lógica de las informaciones, 2. El reparto de informaciones (por oposición a los enlaces punto a punto) empleando mecanismos de difusión, 3. Asegurar la coherencia de las informaciones, 4. Una gestión global de las preferencias de paso de la transmisión. Los intercambios se basan en la emisión por árbitro del BUS hacia todas las estaciones, de una llamada (identificador) destinada a UN único abonado productor y a todos los consumidores interesados, una respuesta emitida por ESTE abonado hacia todas las estaciones y utilizable por TODAS las estaciones que estén interesadas (consumidores). Una red de informática ofrece servicios de aplicación tales como: transferencia de ficheros, mensajerías, partición de disco duro, compartir impresoras, copias de seguridad, etc. Estos servicios son accesibles bien a través de menús o bien manejados por el ordenador de manera transparente.

4.4

Descripción de Protocolos de Comunicación

Existen diversos protocolos según cada fabricante y agrupación de fabricantes, de equipos de control, cada uno de ellos con diferentes prestaciones y campos de aplicación; algunos de los más conocidos en nuestro medio, son los siguientes:

4.4.1 Profibus Es el protocolo abierto, diseñado e impulsado por los principales fabricantes alemanes (ABB, AEG, Bosch, Siemens, etc.) para cumplir con una variedad de requerimientos y aplicaciones. Está estandarizado bajo la norma DIN 19.245 y en el estándar Fieldbus europeo EN501070.

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Se puede usar Profibus para transmisiones de datos entre controladores de tiempo crítico y a alta velocidad (tiempo real ≈ 10 ηseg), entradas/salidas y comunicaciones complejas entre controladores programables. La familia Profibus consta de 3 versiones compatibles: DP, FMS y PA. Profibus DP (Decentralized Periphery): Orientado a sensores/actuadores enlazados a procesadores (PLCS) o terminales . Está diseñado para

comunicaciones de alta velocidad con una relación costo-beneficio muy buena entre controladores industriales y entradas/salidas distribuidas, este puede reemplazar la transmisión de señal paralela con 24 V DC o la de 4 a 20 mA. En Profibus DP se distingue entre: maestro clase 1 (estaciones de monitorización y diagnóstico), maestro clase 2 (elementos centralizadores de información como PLCS, PCs, etc.), esclavo (sensores, actuadores). El transporte en Profibus-DP se realiza por medio de tramas según IEC 870-51. La comunicación se realiza por medio de datagramas en modo broadcast 9 o multicast. Se utiliza comunicación serie asíncrona por lo que es utilizable una UART genérica. Profibus DP prescinde de los niveles ISO 3 a 6 y la capa de aplicación ofrece una amplia gama de servicios de diagnóstico, seguridad, protecciones etc. Es una capa de aplicación relativamente compleja debido a la necesidad de mantener la integridad en el proceso de paso de testigo (un y sólo un testigo) Está diseñado para comunicación entre células de proceso o equipos de automatización, usando el estándar internacional Fieldbus para sensores y actuadores. Profibus FMS (Fieldbus Message Specification):

Profibus FMS es una compleja capa de aplicación que permite la gestión distribuida de procesos al nivel de relación entre células con posibilidad de acceso a objetos, ejecución remota de procesos etc. Los dispositivos de definen como dispositivos de campo virtuales, cada uno incluye un diccionario de objetos que enumera los objetos de comunicación. Las plataformas hardware utilizadas para soportar Profibus se basan en microprocesadores de 16 bits más procesadores de comunicaciones especializados o circuitos ASIC como el LSPM2 de Siemens. La PNO (Profibus User Organization) y la PTO (Profibus Trade Organisation) se encargan de comprobar y certificar el cumplimiento de las especificaciones PROFIBUS.

9

Red broadcast es aquella donde hay un único canal de comunicación compartido por to das las máquinas de la red.

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Profibus PA (Process Automation): Para control de proceso y cumpliendo

normas especiales de seguridad para la industria química (IEC 1158-2, seguridad intrínseca 10). Profibus PA utiliza la norma IEC 11158-2 (norma de comunicación síncrona entre sensores de campo que utiliza modulación sobre la propia línea de alimentación de los dispositivos y puede utilizar los antiguos cableados de instrumentación 4-20 mA) y para el nivel de proceso se tiende a la utilización de Ethernet. También se contempla la utilización de enlaces de fibra óptica. Existen puentes para enlace entre diferentes medios, además de gateways que permiten el enlace entre perfiles y con otros protocolos. Se distingue entre dispositivos tipo maestro y dispositivos esclavo. El acceso al medio entre maestros se arbitra por paso de testigo, el acceso a los esclavos desde un maestro es un proceso de interrogación cíclico (polling). Se pueden configurar sistemas multimaestro o sistemas más simples maestro-esclavo. Profibus PA utiliza el protocolo Profibus DP extendido para la transmisión de datos. Se pueden integrar dispositivos Profibus PA en redes Profibus DP utilizando acopladores de segmentos. El bus EIA RS485 es la capa física utilizada con más frecuencia en aplicaciones Profibus; sus características son las siguientes: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Tensión de emisión: nivel 0: +1,5 V a +5 V; nivel 1: -1,5 V a -5 V Nivel de recepción: nivel 0: > +0,2 V, nivel 1: < -0,2 V Velocidad mínima: 9.6 Kbits/s Velocidad máxima: 10 Mbits/s Enlace multipunto, en la práctica: 28 emisores/receptores como máximo Longitud máxima: 1200 m. (depende de la velocidad de transmisión)

4.4.2 Device Net Originalmente desarrollado por Allen Bradley. Es una red de bajo nivel diseñada para conectar dispositivos industriales como sensores y actuadores a dispositivos de alto nivel como controladores. Se enfoca en la intercambiabilidad de dispositivos simples y de bajo costo, utilizados a menudo en aplicaciones de fabricación, tales como: interruptores fin de carrera, sensores fotoeléctricos, arrancadores de motores, lectores de código de barras, reguladores de frecuencia variable e interfases de operador. Una meta de Device Net fue alcanzar el mismo nivel de intercambiabilidad para 120 y 240 VAC y 24 VDC de dispositivos discretos utilizando comunicaciones digitales como sea posible, con entradas/salidas cableadas. Las características de la capa física son las siguientes: 10

La seguridad intrínseca es un tipo de protección por la que el componente en cuestión no tiene posibilidad de provocar una explosión en la atmósfera circundante. Un circuito eléctrico o una parte de un circuito tienen seguridad intrínseca, cuando alguna chispa o efecto térmico en este circuito producidos en las condiciones de prueba establecidas por un estándar (dentro del cual figuran las condiciones de operación normal y de fallo específicas) no puede ocasionar una ignición.

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1. Topología de las Líneas: Buses de pares trenzados separados para la señal y la distribución de potencia. 2. Inserción en caliente de dispositivos sin remover la potencia de la red. 3. Diseño opto-aislado opcional de tal manera, que los dispositivos externos puedan compartir el cable de bus con los dispositivos que llevan señal y potencia. La tabla 4.2, muestra las tasas de datos y longitudes de cables para la capa física de Device Net. Tasas de Datos

Longitud de Cables

125 Kb/s

500 m

250 Kb/s

250 m

500 Kb/s

125 m

Tabla 4.2 Tasa de Transmisión en Device Net

Device Net ha sido construido sobre el protocolo CAN desarrollado originalmente por la organización Robert Bosch en automóviles usando el modelo OSI. CAN especifica solo porciones de la capa física y de la capa de datos (1 y 2), mientras que Device Net adiciona el resto de estas capas además de la capa de medios y la capa de aplicación (0 y 7). CAN define la forma del movimiento de los datos; mientras que Device Net, define el significado de los datos movidos. Algunas características específicas de las comunicaciones de Device Net son las siguientes: 1. Hasta 64 direcciones de nodos en una sola red. 2. Comunicación punto – punto priorizada, basada en un esquema de arbitración de bits no destructiva en modelo CAN. 3. Modelo productor-consumidor para la transferencia de datos.

4.4.3 Foundation Fieldbus Es una red industrial diseñada para aplicaciones de control de procesos distribuidos. Esta fundación incluye el trabajo de la Sociedad Internacional para Medición Y Control (ISA) y el Comité Electrotécnico Industrial (IEC) con estándares como Profibus, FIP y Hart. La tecnología Fieldbus, consiste de la capa física, la pila de comunicaciones y la capa de usuario, no implementa las capas 3, 4, 5 y 6 del modelo OSI porque los servicios de estas capas no son requeridos en una aplicación de control de procesos, una parte muy importante es la capa de usuario. Foundation Fieldbus utiliza 2 capas físicas: 1. Capa H1 (31.25 Kbits/seg) estandarizado por ISA e IEC

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2. Ethernet de alta velocidad (HSE), el cual ejecuta el mismo protocolo Fieldbus sobre Ethernet de 10 o 100 Mbits/seg. La pila de comunicaciones realiza los servicios requeridos a la interfase de la capa de usuario desde la capa física. Algunas características y funciones de la capa de base de datos son claves para las capacidades distribuidas y de tiempo real de Foundation Fieldbus: -

La capa de enlace de datos es un protocolo de paso de testigo. El sincronizador del enlace activo es un dispositivo que actúa como un arbitrador centralizado del bus y hace posible el control determinístico de la comunicación. El sincronizador del enlace activo sincroniza todos los dispositivos a un tiempo común. El control puede ser pasado entre maestros de enlace múltiple, proveyendo la redundancia en Fieldbus.

Foundation Fieldbus define una única capa de comunicación que es la capa de usuario, esta capa no existe en el modelo OSI. La capa de usuario define una interface mediante la cual se puede comunicar con un dispositivo a través de un conjunto de bloques en vez de una colección de puntos de datos simples. Los bloques de la capa de usuario son de 3 tipos: 1. Bloque de suministros: describe características de los dispositivos tales como: nombre, fabricante y número de serie. 2. Bloque de funciones: proveen el control y el comportamiento de las entradas/salidas de un dispositivo. 3. Bloque del transductor: desacopla los bloques de funciones, desde las funciones requeridas para leer y escribir hasta las entradas/salidas locales. Los bloques de funciones residen en dispositivos individuales, pero la sincronización completa de la ejecución es especificada y ejecutada a través de la red. Debido a la habilidad para interconectar diferentes funciones aún algoritmos de control que residen dentro de los mismos dispositivos de campo, Fieldbus provee una arquitectura para distribuir el control en el campo en vez de concentrar el control en controladores centralizados. Una segunda característica de la capa de usuario de Fieldbus es la descripción de dispositivos, este es un mecanismo que brinda interoperabilidad. La descripción es estandarizada y describe las funciones disponibles en un dispositivo. Usando esta descripción el anfitrión en un sistema de control por ejemplo una HMI, puede obtener la información necesaria para crear la interface humana para interactuar con el dispositivo, para configurar parámetros y para realizar calibraciones, diagnósticos y otras funciones.

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4.4.4 Hart Este protocolo fue desarrollado por Rosemount-Fisher; está orientado principalmente a la obtención de información desde los instrumentos de campo y opera en los siguientes modos: 1. Modo Maestro-Esclavo: Hart es un protocolo maestro-esclavo que permite

hasta dos maestros en la red. Generalmente, el primer maestro es un sistema de control, y el segundo es para configuración. En este modo Hart es un protocolo multidrop (conexión múltiple), que permite conectar varios transmisores a un mismo par de cables. La frecuencia de actualización es de aproximadamente 2 a 3 variables por segundo. 2. Modo Ráfaga (Burst): Algunos dispositivos Hart soportan este modo, que

permite una actualización más rápida (3 a 4 actualizaciones por segundo). En este modo el maestro instruye al dispositivo a transmitir un mensaje de respuesta en forma continua. El maestro recibe el mensaje con la frecuencia más alta, hasta que instruye al dispositivo a parar la transmisión. En general, el cableado de los dispositivos Hart no difiere del de la instrumentación de 4 a 20 mA. Se utiliza un par trenzado con malla, en par simple o multipar. La longitud máxima del cable es de 3000 m, apropiada para la mayoría de las instalaciones industriales.

4.4.5 Bitbus Introducido por Intel a principios de los 80. Es un bus maestro-esclavo soportado sobre RS485 y está reconocido por la normativa IEE 1118. Debido a su sencillez ha sido adoptado en redes de pequeños fabricantes o integradores. Existe una organización europea de soporte (Bitbus European User's Group). En su capa de aplicación se contempla la gestión de tareas distribuidas, es decir es, en cierto modo, un sistema multitarea distribuido. La estructura de la red Bitbus puede ser de varios tipos: 1. Básica: estructura lógica del tipo maestro-esclavo. 2. Árbol: se emplean repetidores para largas distancias, se considera todo un único bus y se opera en modo autoreloj (debido a que los repetidores no transmiten la señal de reloj). 3. Árbol multinivel: se emplean uniones esclavo-maestro para formar subbuses en varios niveles. Cada nivel puede operar a una velocidad propia y posee sus propias direcciones.

4.4.5.1

Tipos de Nodos

Todo bus Bitbus se compone de elementos básicos denominados nodos. Un nodo es cualquier dispositivo que contenga al menos una interfaz con el bus. Los nodos posibles son:

116


Maestro: permite controlar el acceso a un bus de cualquier nivel mediante un

protocolo de comunicación del tipo pregunta-respuesta. En cada nivel sólo existe un maestro, aunque es posible la existencia de un maestro flotante (desaconsejado por el estándar). Esclavo: es un bloque controlado por el maestro, el cual sólo transmite si el

maestro lo indica. El esclavo puede estar conectado a su vez con un maestro o un bloque de E/S. Repetidor: se encarga de regenerar la señal de datos del bus (no el reloj). Se

emplea para aumentar la longitud del bus. Expansión E/S: es cualquier dispositivo de E/S que se quiera conectar al bus o

a un esclavo.

4.4.5.2

Modos de sincronización de bits

En los buses Bitbus, existen dos modos de sincronizar bits: 1. Síncrono: en este modo los datos se transmiten por un par trenzado y el reloj mediante otro par adicional. No se admiten repetidores y la estructura del bus es completamente lineal (sólo hay un nivel). 2. Autoreloj: en este modo cada nodo genera su propio reloj, sincronizando con la línea de datos. Los datos se codifican en formato NRZI. Se permiten repetidores (obligatorio para más de 28 nodos). Las derivaciones a partir del repetidor requieren una línea de control además de la línea de datos, por lo que se emplean dos pares trenzados.

4.4.5.3

Codificación de Bits y Bytes

A nivel de bits la codificación se efectúa en dos modos: Modo síncrono: la codificación se realiza mediante el procedimiento NRZ (0 es nivel bajo y 1 es nivel alto). Modo autoreloj: la codificación se realiza mediante el procedimiento NRZI (0 es cambio de nivel y 1 es un NO cambio de nivel). A nivel de bytes se emplea un juego reducido del protocolo SDLC 11 de IBM. Este protocolo inserta un "0" después de cinco "1" consecutivos. Este sistema, combinado con la codificación de bit por NRZI, permite sincronizar el reloj en el receptor en modo autoreloj cada 6 bits como mínimo.

11

SDLC (Synchronous Data Link Control): protocolo introducido por IBM a mediados de 1973 para

trabajar en sus productos de comunicaciones; basado en un entorno centralizado (por sondeo) y estrategias de envío continuo y repetición

117


El controlador de Intel 8044 proporciona la inserción y eliminación de ceros del protocolo SDLC de forma automática.

4.4.6 ASI ASI (Actuator Sensor Interface), es un bus de campo desarrollado inicialmente por Siemens, para la interconexión de actuadores y sensores binarios. Actualmente está recogido por el estándar IEC TG 17B. A nivel físico, la red puede adoptar cualquier tipo de topología: estructura en bus, en árbol, en estrella o en anillo. Permite la interconexión de un máximo de 31 esclavos. La longitud máxima de cada segmento es de 100 metros. Dispone de repetidores que permiten la unión de hasta tres segmentos, y de puentes hacia redes Profibus. Como medio físico de transmisión, emplea un único cable que permite tanto la transmisión de datos como la alimentación de los dispositivos conectados a la red. Su diseño evita errores de polaridad al conectar nuevos dispositivos a la red. La incorporación o eliminación de elementos de la red no requiere la modificación del cable. El cable consta de dos hilos sin apantallamiento. Para lograr inmunidad al ruido, la transmisión se hace basándose en una codificación Manchester Cada esclavo dispone de hasta 4 entradas/salidas, lo que hace que la red pueda controlar hasta 124 E/S digitales. La comunicación sigue un esquema maestro - esclavo, en la cual el maestro interroga a las estaciones enviándoles mensajes (llamados telegramas) de 14 bits y el esclavo responde con un mensaje de 7 bits. La duración de cada ciclo pregunta respuesta es de 150 µs. En cada ciclo de comunicación se deben consultar todos los esclavos, añadiendo dos ciclos extras para operaciones de administración del bus (detección de fallos). El resultado es un tiempo de ciclo máximo de-5ms.

4.4.7 Modbus Marca registrada de GOULD INC. No está reconocido por ninguna normal internacional. Es un protocolo de tipo maestro - esclavo o tipo petición (pregunta) - respuesta: el maestro envía un pedido al esclavo y espera por la respuesta del mismo. En su definición inicial Modbus era una especificación de tramas, mensajes y funciones utilizada para la comunicación con los PLCs Modicon. Modbus puede implementarse sobre cualquier línea de comunicación serie y permite la comunicación por medio de tramas binarias o ASCII con un proceso pregunta respuesta simple. Debido a que fue incluido en los PLCs de la firma Modicon en 1979, ha resultado un estándar de facto para el enlace serie entre dispositivos industriales. La figura 4.10, muestra cómo podrían interconectarse diferentes dispositivos en una red que emplea protocolo Modbus.

118


Fig. 4.10 Panorama de Aplicación del Protocolo Modbus

Este protocolo define un mensaje estructurado que los controladores reconocen y utilizan, dependiendo del tipo de red que ellos estén utilizando para comunicarse. Describe el proceso que un controlador utiliza para permitir el acceso a otro equipo, cómo responderá éste al ser requerido desde otro equipo, y cómo serán reconocidos y reportados los errores. Establece un formato común para la extensión y contenido de los campos de mensaje. El protocolo Modbus provee el formato interno que los controladores utilizan para procesar mensajes. Durante las comunicaciones en una red Modbus, el protocolo necesita asignar una dirección de equipo a cada controlador, para que el equipo reconozca un mensaje direccionado a este; determina la clase de acción que será tomada y, extrae algún dato u otra información contenida en el mensaje. Si una replica es requerida, el controlador construirá el mensaje replica y lo enviará utilizando el protocolo Modbus.

4.4.7.1

Transacciones en redes Modbus

Los controladores pueden estar conectados a la red directamente o mediante módems y se comunican utilizando una técnica maestro-esclavo, en la cual solamente uno de los elementos puede iniciar las transacciones. Los otros elementos responden suministrando la respuesta de datos al maestro, o para tomar la acción requerida por el maestro. El maestro puede direccional individualmente esclavos, o puede iniciar un mensaje para todos los esclavos.

119


El protocolo Modbus establece el formato para las peticiones del maestro, colocando en el dispositivo la dirección, un código de la función que define la acción solicitada, los datos a ser enviados y un campo para chequeo de errores. El mensaje de respuesta (contestación) del esclavo; que también se construye utilizando el protocolo Modbus, contiene los campos que confirman la acción tomada, todos los datos de retorno y un campo para chequeo de errores. Si un ocurriera un error en la recepción del mensaje, o si el esclavo es incapaz de realizar la acción solicitada; construirá un mensaje de error y lo enviará como respuesta. Soporte

Línea serie

Modo

Conexión CS31 half-duplex

Número de puntos de conexión

1 único maestro Máx. 1 esclavo con interfase RS232 Máx. 12 esclavos con interfase RS485 incorporada Máx. 255 esclavos con repetidores

1 esclavo con interfase RS485 Máx. 255 esclavos con repetidores

Protocolo

MODBUS  (maestro / esclavo)

MODBUS (esclavo)

Control de la transmisión

CRC 16

CRC 16

Velocidad

Hasta 19 200 Baudios

Hasta 76 800 Baudios

Longitud Máxima

En RS485: 1 200 m a 19 200 Baudios 1 500 m a 300 Baudios

En RS485: 600 m a 76 800 Baudios 1 200 m a 19 200 Baudios 1 500 m a 300 Baudios

Tabla 4.3 Descripción del protocolo MODBUS

Los dispositivos maestros en una red Modbus generalmente son unidades centrales, displays o sistemas de supervisión; en cambio, los esclavos son generalmente PLC’s, variadores de velocidad, actuadores, etc. Los puertos normalizados Modbus utilizan una interfase serial RS-232 o RS485 que define el tipo de conector, cableado, niveles de señal, rangos de baudios para la transmisión y chequeo de paridad como se puede observar en la tabla 4.3.

4.4.7.2

Ciclo Pregunta - Respuesta

Pregunta: El código de la función en la pregunta muestra la dirección del

dispositivo esclavo y que tipo de acción realizará. Los bytes de los datos contienen cualquier información adicional que el esclavo necesite para realizar la función. Por ejemplo, función código 03 pedirá al esclavo leer los registros guardados y responder con su contenido. El campo de datos debe contener la información que le indica al esclavo cual es el registro donde debe empezar cuantos registros debe leer. El campo de chequeo de errores proporciona un método al esclavo mediante el cual puede validar la integridad del mensaje contenido (figura 4.11).

120


En resumen, la información de Modbus transmitida por el maestro contiene la siguiente información: 1. La dirección de Modbus del esclavo interrogado (1 byte) 2. El código de función que define la petición del maestro (1 byte) 3. La información a intercambiar (N bytes) 4. El código de control CRC16 (2 bytes) Esta cadena de información tiene una longitud máxima total de 240 bytes en consecuencia esto permite el intercambio de un máximo de 100 datos tipo palabra ó 255 datos del tipo binario. Respuesta: Si el esclavo da una contestación normal, el código de la función

en la respuesta es una imagen del código de la función en la pregunta. Los bytes de datos recolectados por el esclavo contienen los datos tales como valores registrados o estatus. Si un error ocurre, el código de la función se modifica para indicar que la respuesta es errónea, y los bytes de los datos contienen un código que describe el error. El campo de chequeo de errores permite al maestro confirmar que los mensajes contenidos son válidos.

Fig. 4.11 Ciclo Pregunta – Respuesta

4.4.7.3

Modos de Transmisión Serie

Los controladores pueden ser conectados para comunicarse en redes Modbus utilizando indistintamente dos modos de transmisión: ASCII o RTU. El usuario puede seleccionar el modo deseado, junto con los parámetros del puerto serial de comunicación (la tasa de baudios, el modo de paridad, etc.) durante la configuración de cada controlador. El modo y los parámetros serial deben ser los mismos para todos los dispositivos en la red Modbus. . La selección del modo ASCII o RTU es posible solamente en las redes con estándar Modbus. El modo define la cantidad de bits que pueden contener los campos de mensaje transmitidos en serie en la red, además; determina como se condensará y decodificará la información de los campos de mensaje.

121


Modo ASCII : Cuando los controladores se configuran para comunicarse en

una red Modbus que usa el modo ASCII (American Standard Code for Information Interchange), cada byte (8 bits) del mensaje se envía como dos caracteres de ASCII. La ventaja principal de este modo es que permite tener intervalos de tiempo de un segundo entre los caracteres sin causar un error. Modo RTU : Cuando los controladores se configuran para comunicarse en una

red Modbus usando el modo RTU (Unidad Terminal Remota), cada byte del mensaje contiene dos caracteres hexadecimales de cuatro bits. La ventaja principal de este modo es que su mayor densidad de caracteres permite una mejor transferencia de datos que cuando se usa el modo ASCII con la misma tasa de baudios. Cada mensaje debe ser transmitido en un flujo continuo.

4.5

Selección del Protocolo de Comunicación

Para seleccionar el protocolo de comunicación con el cual se recomienda implementar la transmisión de datos en el presente proyecto; se ha considerado como principal parámetro: ¿Cuál es el protocolo de mayor uso en otras áreas de la empresa?, dado que se tiende a la unificación de tecnología y estandarización de equipos. Para ello se efectuó un sondeo dentro de la empresa, cuyo resultado consta en la tabla 4.4; el cual permitió determinar que el protocolo Modbus desarrollado por Modicon es el más difundido y utilizado dentro de la EMAAP-Q y, por lo tanto; el más recomendable para ser utilizado. Protocolo

Fabricante

Aplicaciones en la empresa %

Modbus

Modicon

85

Device Net

Allen Bradley

15

Tabla 4.4 Protocolos utilizados en la EMAAP-Q

4.6

Medios de Transmisión

Los medios de transmisión son los medios físicos que se utilizan para transferir información de un lugar a otro, y pueden ser tan cortos como unos cuantos milímetros hasta extenderse varios miles de kilómetros.

4.6.1 Par Trenzado o Multipar: Es el medio de transmisión más antiguo pero también es el más ampliamente utilizado. Consiste en dos alambres de cobre aislados, en general de 1 mm de espesor. Los alambres UTP (Unshielded Twisted Pair), se entrelazan en forma helicoidal; la forma trenzada del cable se utiliza para reducir la interferencia eléctrica con respecto a los pares cercanos

122


que se encuentran a su alrededor. El STP es cable con apantallamiento que se usa para evitar el ruido electromagnético. El cable multipar está compuesto por múltiples pares de hilos dentro de una misma estructura formando un cable, el cual sirve como enlace entre los nodos de una red. Aunque el par de hilos está destinado principalmente al tráfico de voz, su ancho de banda es mayor que el necesario para un circuito de transmisión de voz (0.3 - 3.4 kHz), también puede adaptarse para la transmisión de datos (digital) mediante el uso de módems en cada extremo logrando velocidades hasta de 38400 bit/seg., y con técnicas especiales (HDSL y ASDL), llegar a 8 millones de bit por segundo (8 Mbits/seg.) para lo cual los cables deben tener muy buenas características en sus parámetros de transmisión y la distancia no debe ser mayor a un kilómetro.

4.6.2 Cable Coaxial: Existen dos tipos de cable coaxial que se utilizan con frecuencia para la transmisión de información, uno es el cable de 50 ohms, que se utiliza para la transmisión digital y el otro cable es de 75 ohms, que se utiliza para la transmisión analógica. El cable coaxial consta de un alambre de cobre duro en su parte central, es decir, que constituye el núcleo, el cual se encuentra rodeado por un material aislante; este material aislante está rodeado por un conductor cilíndrico que frecuentemente se presenta como una malla de plástico protector. La construcción del cable coaxial produce buena combinación de un gran ancho de banda y una excelente inmunidad al ruido. El ancho de banda que se puede obtener depende de la longitud del cable; para cables de 1 km es factible obtener velocidades de datos de hasta 10 Mbps, y en cables de longitudes menores es posible obtener velocidades superiores. Se emplea frecuentemente en los sistemas de transmisión de televisión por cable CATV (Community Antenna Television System) para transportar en forma unidireccional, por difusión, varios canales de televisión. Los cables coaxiales, además de su ventaja de ancho de banda (tienen anchos de banda de alrededor de 10 MHz. hasta varios cientos de MHz), reducen al mínimo muchas formas de distorsión; su principal desventaja es el costo.

4.6.3 Fibra Óptica: El gran avance en el desarrollo de la tecnología óptica ha hecho posible la transmisión de información mediante pulsos de luz. Un pulso de luz puede utilizarse para indicar un bit de valor 1; la ausencia de un pulso indicará la existencia de un bit de valor 0. La luz visible tiene una frecuencia de 10 a la 8 MHz, por lo que el ancho de banda de un sistema de transmisión óptica representa un potencial mucho mayor; esto hace que sean uno de los medios más promisorios en el futuro inmediato para el desarrollo de la banda ancha tanto en la red LAN como la red WAN. Gracias a los recientes adelantos tecnológicos, las fibras ópticas tienen pérdidas de transmisión muy bajas, logrando distancias mayores a los 40 Km.,

123


sin necesidad de una repetidora. Es posible reunir en un cable de alrededor de 1 cm. de diámetro más de 100 fibras. Además de su ancho de banda más alto que todos los medios, las fibras ópticas son inmunes a muchos de los problemas que afectan a otros medios de transmisión, como por ejemplo la fuga de señal, la diafonía, la interferencia electromagnética y los ruidos. Esto las hace muy adecuadas para la transmisión sin ruido, ni errores en los sistemas digitales (mayor confiabilidad y un alto desempeño). Un sistema de transmisión óptica tiene tres componentes: el medio de transmisión, la fuente de luz y el detector. El medio de transmisión es una fibra ultra-delgada de vidrio o silicio fundido. La fuente de luz puede ser un LED (diodo emisor de luz), o un diodo láser; cualquiera de los dos emite pulsos de luz cuando se le aplica una corriente eléctrica. El detector es un fotodiodo que genera un pulso eléctrico en el momento en el que recibe un rayo de luz. Al colocar un LED o un diodo láser en el extremo de una fibra óptica, y un fotodiodo en el otro, se tiene una transmisión de datos unidireccional que acepta una señal eléctrica, la convierte y la transmite por medio de pulsos de luz y después, reconvierte la salida en una señal eléctrica en el otro extremo receptor.

4.6.4 Radio Enlaces (Microondas): Los radio enlaces electromagnéticos por microondas compiten con los cables coaxiales para la transmisión del tráfico de telecomunicaciones análogas y/o digitales de alta capacidad y de larga distancia, así como para el transporte de la señal de televisión. La transmisión mediante microondas se lleva a cabo en una escala de frecuencia que va desde 2 a 40 GHz, correspondiendo a longitudes de onda de 15 y 0.75cm, respectivamente. Como las frecuencias de microondas, se transmiten o propagan en línea recta, es necesario instalar antenas parabólicas en edificios altos y en las cimas de las montañas en "línea de vista" una de otra generalmente a intervalos entre 35 y 55 Km. Un solo haz portador de una vía de televisión puede ser utilizado para transportar unos 1200 circuitos de telefonía (análogos). En sistemas de transmisión digital se puede llegar en PDH hasta 140 Mbits/seg y en SDH hasta 155 Mbits/seg para un par de frecuencias o circuito de radio (dos canales de radio). Lo que significa: 1900 circuitos telefónicos o de datos a 64 kbit/seg aproximadamente, 64 o 63 circuitos digitales de 2 Mbits/seg y 8 o 6 canales de televisión digital (unidireccional) a 34 Mbits/seg respectivamente. Los enlaces de microondas requieren menos repetidoras (amplificadores, uno para cada canal de radio) que los cables coaxiales para la misma distancia. Por ejemplo: en un sistema costa a costa en los Estados Unidos esto puede significar la diferencia entre 100 repetidoras de microondas y aproximadamente 1000 repetidores de cables coaxial. Sin embargo, al igual que otros sistemas de transmisión no ópticos, las microondas sufren efectos de interferencias 124


climáticas y son reflejadas o dispersadas por colinas, edificios y objetos artificiales grandes causando interferencias sobre otros sistemas. Las guíaondas se utilizan para transportar las señales de microondas sin interferencia externa. Estas guía ondas son hechas de tubos de cobre o latón de hasta 5 cm. de sección transversal en forma rectangular, circular o helicoidales. Están en uso desde hace tiempo como alimentadores de antenas de microondas (transporte de señal) y otros usos de corto alcance.

4.6.5 Satélite: La comunicación mediante satélite tiene algunas propiedades que la hacen atractiva en diferentes aplicaciones. Este tipo de comunicación puede imaginarse como si un enorme repetidor de microondas estuviese localizado en el cielo. Este medio está constituido por uno o más dispositivos receptor - transmisor, cada uno de los cuales escucha una parte del espectro, amplificando la señal de entrada y, después la retransmite a otra frecuencia, para evitar los efectos de interferencia con las señales de entrada. El flujo dirigido hacia abajo puede ser muy amplio y cubrir una parte significativa de la superficie de la tierra, o puede ser tan estrecho y cubrir una área de cientos de kilómetros de diámetro. Un satélite típico divide su ancho de banda de 500 Mhz en aproximadamente una docena de receptores-transmisores, cada uno con un ancho de banda de 36 Mhz. Cada satélite esta equipado con múltiples antenas y receptorestransmisores. Las señales que van o vienen del satélite viajan a la velocidad de la luz (300 000 km/s). El tiempo de tránsito de extremo a extremo oscila entre los 250 y 300 ms, dependiendo de la distancia que existe entre el usuario y la estación terrestre, así como de la elevación del satélite con respecto al horizonte. En la actualidad, hay muchos sistemas de satélite de comunicaciones en uso alrededor del mundo. Utilizan frecuencias de la banda C entre 4 y 6 GHz.; la separación mínima entre uno y otro debe ser de al menos 4 (grados), pronto se llegará a este limite en algunas partes del mundo. Por este motivo, se emplean la banda Ku de 12- 16 GHz. y se realizan investigaciones en la banda K (20 30 GHz.); los satélites en estas bandas de frecuencia no sólo tienen un ancho de banda mayor, sino que permiten el uso de estaciones más pequeñas y de costo más bajo. Una aplicación de los satélites en la banda Ku es el sistema de transmisión digital de televisión con más de 100 canales en forma directa al hogar (DTH Direct TV at Home y DirecTV.).

4.6.6 Redes Infrarrojas: Las redes de luz infrarroja están limitadas por el espacio y casi generalmente la utilizan redes en las que las estaciones se encuentran en un solo cuarto o piso, algunas compañías que tienen sus oficinas en varios edificios realizan la comunicación colocando los receptores/emisores en las ventanas de los edificios.

125


El principio de la comunicación de datos es una tecnología que se ha estudiado desde los años 70. Hewlett-Packard desarrolló su calculadora HP-41 que utilizaba un transmisor infrarrojo para enviar la información a una impresora térmica portátil, actualmente esta tecnología es la que utilizan los controles remotos de las televisiones y otros aparatos eléctricos de uso doméstico. El mismo principio se usa para la comunicación de redes, en las que se utiliza un “transreceptor” el cual envía un haz de Luz Infrarroja, hacia otro que la recibe. La transmisión de luz se codifica y decodifica en el envío y recepción en un protocolo de red existente. Uno de los pioneros en esta área es Richard Allen, que fundó Photonics Corp., en 1985 y desarrolló un “Transreceptor Infrarrojo”. En la actualidad Photonics ha desarrollado una versión AppleTalk/LocalTalk del transreceptor que opera a 230 Kbps. El sistema tiene un rango de 200 m. Además la tecnología se ha mejorado utilizando un transreceptor que difunde el haz en todo el cuarto y es recogido mediante otros transreceptores.

4.6.7 Módem: La palabra módem es una contracción de las dos funciones básicas: modulación y demodulación. Es una de las interfaces más utilizadas para la transmisión de datos; se trata de un equipo, externo o interno (tarjeta módem), utilizado para la comunicación entre PC’s o equipos similares, a través de líneas analógicas de transmisión de voz y/o datos. El módem convierte las señales digitales del emisor en analógicas las cuales son susceptibles de ser enviadas por una línea telefónica a la que deben estar conectados el emisor y el receptor. Cuando la señal llega a su destino, otro módem se encarga de reconstruir la señal digital primitiva, de cuyo proceso se encarga la computadora receptora. En la actualidad, cualquier módem es capaz de trabajar en modo full-duplex, con diversos estándares y velocidades de emisión y recepción de datos. Para convertir una señal digital en otra analógica, el módem genera una onda portadora y la modula en función de la señal digital. El tipo de modulación depende de la aplicación y de la velocidad de transmisión del módem. Un módem de alta velocidad, utiliza una combinación de modulación en amplitud y de modulación en fase, en la que la fase de la portadora se varía para codificar la información digital. El proceso de recepción de la señal analógica y su reconversión en digital se denomina demodulación. Los módems se programan para ser tolerantes a errores; esto es, para poder comprobar la corrección de los datos recibidos mediante técnicas de control de redundancia (CRC) y recabar el reenvío de aquellos paquetes de información que han sufrido alteraciones en la transmisión por las líneas telefónicas. Los primeros equipos eran muy aparatosos y sólo podían transmitir datos a unos 100 bits por segundo. Los más utilizados en la actualidad en los ordenadores personales transmiten y reciben la información a más de 33 kbits por segundo (33 K o 33 kbps). Hoy día casi todos incluyen funciones de fax y de contestador automático de voz. Mediante sistemas de compresión de datos 126


se mejora su eficiencia, de manera que éstos son transmitidos en paquetes comprimidos, que se descomprimen en el destino antes de ser procesados por la computadora receptora. Algunos de los módems más recientes permiten, además, la simultaneidad de la comunicación de datos vía módem y el uso del teléfono de voz, todo dentro de una misma línea física.

4.6.8 Radio Modem: Un radio módem o módem radio como lo llaman algunos, es un módulo electrónico que incluye por un lado un microcontrolador de control (módem) y por otro un transmisor y un receptor de radio que son controlados por el procesador. El radio módem (figura 4.12); ha sido diseñado para llevar a cabo una comunicación directa mediante modulación digital entre dos PC's o equipos similares, por ejemplo: PLC’s, microcontroladores, etc., a través de una línea de radiofrecuencia. La velocidad a la que se comunica el radio módem por el aire, es independiente de la velocidad de conexión local y varía de un modelo a otro, aunque la mayoría se comunica con velocidades superiores a los 19200 baudios, por lo que no presentan grandes retardos en las comunicaciones. El tiempo total de la transmisión es la suma del tiempo que se tarda el PC en enviar los datos desde al radio módem, más el tiempo que tardan en viajar los datos por el aire desde un radio módem al otro, más el tiempo que se tarda el otro PC en recibir los datos. Además hay que añadir unos cuantos milisegundos más, necesarios para las operaciones de control de errores y de protocolo de los radio módems.

Fig. 4.12

Ejemplo de Aplicación de Radio Modem

La mayor ventaja de su utilización es la ausencia de una línea física, con sus problemas asociados, tales como; corte de líneas, errores de conexión, distancias máximas, número de usuarios, etc.; otras de las ventajas es la de traspasos de archivos en una forma directa entre dos usuarios. Una de sus desventajas es la necesidad de utilizar una estación repetidora con el propósito de alcanzar mayores distancias. Si se utiliza una antena direccional se puede conseguir una distancia de alcance mucho mayor que cuando se utiliza una antena omnidireccional; la fiabilidad de la comunicación esta completamente ligada a la distancia que hay entre el transmisor y el receptor. Los principales parámetros que deben considerarse para la selección de un radio módem son los siguientes:   

Velocidad Máxima de Transmisión en kbps. Modos de Transmisión (Half Duplex, Full Duplex, etc.) Interfase Requerida (RS-232-C, RS-485, etc.) 127

DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL AUTOMÁTICO Y MONITOREO PARA UNA ESTACIÒN DE BOMBEO DE AGUA POTABLE ING. DANILO GARCIA V.   

Frecuencia Utilizada Potencia de Transmisión en Watios Requerimientos de Energía (en nuestro medio115/230 AC, 60 Hz)

Otro factor que debe ser considerado son las interferencias producidas por otros dispositivos, o bien cuando hay muchos PC’s transmitiendo a la vez. Para resolver este tipo de incidencias, es necesario implementar en el software algún tipo de control que limite el tiempo que se esta esperando una orden o una respuesta.

4.7

Modos de Transmisión

Los sistemas de comunicaciones electrónicas pueden diseñarse para manejar la transmisión solamente en una dirección, en ambas direcciones pero sólo uno a la vez, o en ambas direcciones al mismo tiempo. Estos se llaman modos de transmisión. Cuatro modos de transmisión son posibles: simplex, half-duplex, full-duplex- y full/full-duplex.

4.7.1 Simplex (SX): Con la operación simplex, las transmisiones pueden ocurrir sólo en una dirección. Los sistemas simplex son, algunas veces, llamados sistemas de un sentido, sólo para recibir o sólo para transmitir. Una ubicación puede ser un transmisor o un receptor, pero no ambos. Un ejemplo de la transmisión simplex es la radiodifusión de la radio comercial o de televisión, la estación de radio siempre transmite y el usuario siempre recibe. 4.7.2 Half-Duplex (HDX): Con una operación half-duplex, las transmisiones pueden ocurrir en ambas direcciones, pero no al mismo tiempo. A los sistemas half-duplex, algunas veces se les llaman sistemas con alternativa de dos sentidos, cualquier sentido, o cambio y fuera. Una ubicación puede ser un transmisor y un receptor, pero no los dos al mismo tiempo. Los sistemas de radio de doble sentido que utilizan los botones oprima para hablar (PTT), para operar sus transmisores, como los radios de banda civil y de banda policíaca son ejemplos de transmisión half-duplex. 4.7.3 FuIl-Duplex (FDX): Con una operación full-duplex, las transmisiones pueden ocurrir en ambas direcciones al mismo tiempo. A los sistemas de fullduplex algunas veces se les llama líneas simultáneas de doble sentido, duplex o de ambos sentidos. Una ubicación puede transmitir y recibir simultáneamente; sin embargo, la estación a la que está transmitiendo también debe ser la estación de la cual está recibiendo. Un sistema telefónico estándar es un ejemplo de una transmisión full-duplex. 4.7.4 Full/Full-Duplex (F/FDX): Con una operación full/full-duplex, es posible transmitir y recibir simultáneamente, pero no necesariamente entre las mismas dos ubicaciones (es decir, una estación puede transmitir a una segunda estación y recibir de una tercera estación al mismo tiempo). Las transmisiones full/full-duplex se utilizan casi exclusivamente con circuitos de comunicaciones 128


de datos. El Servicio Postal de Estados Unidos es un ejemplo de una operación full/full-duplex.

4.8

La Antena.- Definición

Una antena es un dispositivo formado por un conjunto de conductores que, unido a un generador, permite la emisión (transmisión por el espacio) de ondas de radio frecuencia (ondas electromagnéticas), o que, conectado a una impedancia, sirve para captar las ondas emitidas por una fuente lejana.

4.8.1 Características de una Antena Característica de Radiación o Lóbulo de Radiación.- Es la forma en que una antena emite la energía que recibe. Dicha energía se puede transmitir en todas direcciones y en otros casos producir concentraciones en determinadas direcciones logrando en ellas una mayor intensidad de campo, lo que permite así enlaces a mayores distancias. Debido a la radiación en las antenas se presenta perdida de potencia. Por ello se ha establecido un parámetro denominado resistencia de radiación Rr, cuyo valor se define como el valor de una resistencia típica en la cual, al circular la misma corriente que circula en la antena, disipará la misma cantidad de potencia.

Impedancia de Entrada: Se define como la relación entre la tensión y la corriente en sus terminales de entrada de una antena. Dicha impedancia es en general compleja. La parte real se denomina resistencia de antena y la parte imaginaria, reactancia de antena.

Se define la resistencia de radiación como la relación entre la potencia total radiada por una antena y el valor eficaz de la corriente en sus terminales de entrada, elevada al cuadrado. Se define la resistencia óhmica de una antena como la relación entre la potencia disipada por efecto de pérdidas resistivas y la corriente en sus terminales al cuadrado. Por lo tanto la resistencia de antena la podemos considerar como la suma de la resistencia de radiación y la resistencia óhmica.

La eficiencia de una antena se puede obtener a partir de las resistencias de radiación y óhmicas, teniendo en cuenta que es la relación entre la potencia total radiada y la potencia entregada a la antena.

129


Directividad: Se define como la relación entre la densidad de potencia radiada en una dirección, a una distancia, y la densidad de potencia que radiaría a la misma distancia una antena isotrópica, a igualdad de potencia total radiada. La directividad se puede obtener en general a partir del diagrama de radiación de la antena. Ganancia: Aquellas antenas que radian por igual en todas las direcciones se llaman isotrópicas y su ganancia es de 1. Basados en esta definición, la ganancia de una antena se define como la relación entre la densidad de potencia radiada en una dirección y la densidad de potencia que radiaría una antena isotrópica, a igualdad de distancias y potencias entregadas a la antena. Es el parámetro que mejor caracteriza la antena. En la definición de Directividad se habla de potencia radiada por la antena, mientras que en la definición de Ganancia se habla de potencia entregada a la antena. La diferencia entre ambas potencias es la potencia disipada por la antena, debida a pérdidas óhmicas.

Eficiencia: Se puede definir como la relación entre la potencia radiada por una antena y la potencia entregada a la misma. La eficiencia (rendimiento) es un número comprendido entre 0 y 1 y puede también definirse como la relación entre la ganancia y la directividad . Si una antena no tiene pérdidas óhmicas, la Directividad y la Ganancia son iguales. Longitud Eficaz: Sobre una antena se inducen corrientes y voltajes. Por tal razón, a la antena receptora se le puede considerar como un generador ideal de voltaje (V), con una impedancia interna que resulta ser igual a la de entrada. Polarización: Las ondas electromagnéticas poseen un campo eléctrico que vibra en un plano transversal a la dirección de propagación de la onda, el cual puede tener diversas orientaciones sobre el mismo. La polarización de la antena se refiere a la orientación de este campo eléctrico radiado. Si un observador situado en un punto lejano a la antena pudiera visualizar el campo eléctrico; lo podría mirar describiendo una de las siguientes formas: • • •

Una elipse; en este caso se dice que la onda esta polarizada elípticamente. Una circunferencia; polarización circular. Una línea recta; polarización horizontal o vertical.

Es importante anotar que, para que una antena responda a una onda incidente, debe tener la misma polarización que la onda. Por ejemplo, un dipolo vertical responderá a una onda incidente si la polarización de dicha onda también es vertical.

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Ancho de Haz: Se puede definir el ancho de haz de una antena como el espaciamiento angular entre dos puntos determinados de potencia media (-3 dB), ubicándolos con respecto a la posición del lóbulo principal perteneciente al patrón de radiación de la antena. Ancho de Banda: Se puede describir como los valores de frecuencia para los cuales la antena desarrolla su trabajo de manera correcta. De igual forma, el ancho de banda de una antena depende de las condiciones de los puntos de potencia media. 4.8.2 La Naturaleza de las Ondas Cuando los electrones oscilan en un circuito eléctrico, parte de su energía se convierte en radiación electromagnética. La frecuencia (la rapidez de la oscilación) debe ser muy alta para producir ondas de intensidad aprovechable que, una vez formadas, viajan por el espacio a la velocidad de la luz. Cuando una de esas ondas encuentra una antena metálica, parte de su energía pasa a los electrones libres del metal y los pone en movimiento, formando una corriente alterna cuya frecuencia es la misma que la de la onda. Este es, sencillamente, el principio de la comunicación por radio. Como se ve en la figura 4.12, existen diferentes modos de propagación que pueden surgir como el resultado del lanzamiento de ondas electromagnéticas al espacio por medio de antenas de configuración adecuada. Si no existiera el aire ni las capas ionosféricas, esto es, en el vacío, las ondas de radio viajarían en línea recta. Sin embargo, debido a la presencia de gases de diferente composición en la atmósfera terrestre, la propagación de ondas se ve influenciada por una serie diversa de mecanismo.

Fig. 4.12 Diferentes Modos de Propagación de Ondas de Radio

El modo de propagación más sencillo es aquel en que la onda sigue una trayectoria recta entre la antena de transmisión y la de recepción. A este tipo de onda se le conoce como directa o de línea de vista, LOS (Line Of Sight). Las microondas son el ejemplo clásico de este mecanismo de propagación. En condiciones óptimas las microondas pueden considerarse como un haz concentrado de energía electromagnética que hace la travesía desde la antena 131


de emisión hasta la recepción desplazándose en línea recta. Más aún, debido a las longitudes de onda tan pequeñas en esta modalidad de aplicación, las antenas utilizadas, reflectores parabólicos, y en general todo el esquema de propagación, pueden analizarse como si fuera un sistema de características ópticas. Dependiendo del patrón de radiación de la antena involucrada, es posible que parte de la energía de la onda se dirija hacia tierra, a partir de lo cual, por reflexión, cambia su curso para dirigirse finalmente a la antena de recepción; esta onda es conocida como la onda reflejada de tierra. Adicionalmente, puede generarse una componente de onda cuyo modo de propagación es directamente sobre la tierra, desde el mismo momento de abandonar la antena de transmisión; esta onda, denominada de superficie o terrestre, continúa su curso sobre la tierra hasta llegar a su destino final en el sitio de la antena receptora. Finalmente, la onda electromagnética puede ser lanzada hacia el espacio, convirtiéndose así en una onda celeste u onda de cielo; dependiendo de la frecuencia de la onda y del ángulo de lanzamiento, esta puede atravesar la atmósfera y salir al espacio libre, o en caso contrario, puede ser refractada hacia la tierra para ser posteriormente captada por la antena receptora.

4.8.3 Tipos de Antenas Existen diferentes tipos de antenas, dependiendo de su uso y su construcción:

Antenas de Largo Alcance (Direccionales): Se trata de unas antenas fabricadas en aluminio. Concretamente es una guía de ondas de forma rectangular a la que se le hacen una serie de ranuras en una de sus caras, de manera que estas se convierten en pequeñas antenas que radian la señal. De esta manera se logra mucha directividad en la emisión (orientan la señal en una dirección determinada) y una elevada potencia Antenas Omnidireccionales: Son antenas de muy bajo coste pero, que no por ello dejan de ser efectivas. Se trata de antenas configuradas como suma de varios dipolos, las cuales, dependiendo de su longitud proporcionan una ganancia u otra, así pues a mayor longitud mayor ganancia. Orientan la señal en todas las direcciones, generalmente se utilizan para dar señal en los alrededores ( figura 4.13). La altura máxima permitida para la colocación de las antenas omnidireccionales no debe ser superior a 20 m con respecto al terreno. Fig. 4.13

Antena Omnidireccional

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Antena colectiva: Antena receptora que mediante la conveniente amplificación

y el uso de distribuidores permite su utilización por diversos usuarios. Antena de cuadro: Antena de escasa sensibilidad, formada por una bobina de

una o varias espiras arrolladas en un cuadro, cuyo funcionamiento bidireccional la hace útil en radiogoniometría. Antena de reflector o parabólica: Antena provista de un reflector metálico, de

forma parabólica, esférica o de bocina, que limita las radiaciones a un cierto espacio, concentrando la potencia de las ondas; se utiliza especialmente para la transmisión y recepción vía satélite. Antena lineal: La que está constituida por un conductor rectilíneo, generalmente

en posición vertical. Antena multibanda: La que permite la recepción de ondas cortas en una

amplitud de banda que abarca muy diversas frecuencias. Dipolo de media onda o dipolo simple: es una antena resonante ampliamente

utilizada en frecuencias superiores a 2 MHz; para frecuencias inferiores la longitud física de una antena de media onda sería descomunal. Al dipolo de media onda se le refiere por lo general como antena de Hertz. El patrón de radiación de espacio libre para un dipolo de media onda depende de la localización horizontal o vertical de la antena con relación a la superficie de la tierra. Antena Yagi: Antena constituida por varios elementos paralelos y coplanarios,

directores, activos y reflectores, utilizada ampliamente en la recepción de señales televisivas. Los elementos directores dirigen el campo eléctrico, los activos radian el campo y los reflectores lo reflejan (figura 4.14). Los elementos no activados se denominan parásitos, la antena yagi puede tener varios elementos activos y varios parásitos. Su ganancia esta dada por: G = 10 log n; donde n es el número de elementos por considerar.

Fig. 4.14 Antena Yagi

Para la antena yagi de tres elementos la distancia entre el reflector y el activo es de 0.15 L, y entre el activo y el director es de 0.11 L. Estas distancias de separación entre los elementos son las que proporcionan la óptima ganancia, ya que de otra manera los campos de los elementos interferirían destructivamente entre sí, bajando la ganancia.

Antenas VHF Y UHF: Para clasificar las ondas de radio se toman como medida

los múltiplos de diez en la longitud de onda. Por lo tanto la ondas de VHF 133


tienen una longitud de onda entre 1 Metro y 10 Metros mientras que las de UHF tienen una longitud de entre 10 Centímetros y un Metro. Como la relación es que la frecuencia es igual a la velocidad de la luz (misma velocidad que la de propagación de las ondas electromagnéticas, aproximadamente 300.000 Km./h) dividida por la longitud de onda, entonces tenemos que la banda de VHF va desde los 30 MHz a los 300 MHz y la de UHF va de los 300 MHz a los 3 GHz. Las actuales aplicaciones en comunicaciones de punto a punto o móviles que superan los 30 MHz son muy populares y han hecho que aparezcan un gran numero de antenas para estas aplicaciones. Cuando se usa polarización horizontal en transmisiones de UHF hay muchos tipos de antenas a ser considerados. En esta polarización es más fácil incrementar la ganancia que en la vertical por el método de "Stacking" (apilar).

4.9

Limitaciones del Sistema de Comunicaciones

Las dos limitaciones más significativas en el funcionamiento del sistema de comunicaciones son: el ruido y el ancho de banda.

4.9.1 Ruido: Constituye un problema grave en todos los receptores de radio. Hay diferentes tipos de ruido, como el zumbido, un tono constante de baja frecuencia (unas dos octavas por debajo del do), producido generalmente por la frecuencia de la fuente de alimentación de corriente alterna (por lo común 60 Hz) que se superpone a la señal debido a un filtrado o un apantallamiento defectuoso; el siseo, un tono constante de alta frecuencia, y el silbido, un tono limpio de alta frecuencia producido por una oscilación involuntaria de frecuencia audio o por un golpeteo. Estos ruidos se pueden eliminar mediante un diseño y una construcción adecuados. Sin embargo, ciertos tipos de ruidos no se pueden eliminar. El más importante en los equipos normales de AM de bajas y medias frecuencias es el ruido parásito, originado por perturbaciones eléctricas en la atmósfera. El ruido parásito puede proceder del funcionamiento de un equipo eléctrico cercano (como los motores de automóviles o aviones), pero en la mayoría de los casos proviene de los rayos y relámpagos de las tormentas. Las ondas de radio producidas por estas perturbaciones atmosféricas pueden viajar miles de kilómetros sin sufrir apenas atenuación, y, dado que en un radio de algunos miles de kilómetros respecto del receptor de radio siempre hay alguna tormenta, casi siempre aparecen ruidos parásitos. Los ruidos parásitos afectan a los receptores FM en menor medida, ya que la amplitud de las ondas intermedias está limitada mediante circuitos especiales antes de la discriminación, lo que elimina los efectos de los ruidos parásitos. Otra fuente primaria de ruido es la agitación térmica de los electrones. En un elemento conductor a temperatura superior al cero absoluto, los electrones se mueven de forma aleatoria. Dado que cualquier movimiento electrónico constituye una corriente eléctrica, la agitación térmica origina ruido al amplificarlo en exceso. Este tipo de ruido se puede evitar si la señal recibida desde la antena es notablemente más potente que la corriente causada por la

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agitación térmica; en cualquier caso, se puede reducir al mínimo mediante un diseño adecuado.

4.9.2 Ancho de Banda: Es un indicador de la cantidad de datos que pueden transmitirse en determinado periodo de tiempo por un canal de transmisión, por ejemplo un radiotransmisor, una antena parabólica o el cableado que conecta a dos computadoras. Por lo general, el ancho de banda se expresa en ciclos por segundo (hercios, Hz), o en bits por segundo (bps). Por ejemplo, un módem de 14.400 bps es capaz, en teoría, de enviar 14.400 bits de datos por segundo, mientras que una conexión Ethernet con un ancho de banda de 10.000 kilobits por segundo, puede enviar casi 700 veces más datos en el mismo periodo de tiempo. El ancho de banda de un sistema de comunicaciones es la banda de paso mínima (rango de frecuencias) requerida para propagar la información de la fuente a través del sistema. El ancho de banda de un sistema de comunicaciones debe ser lo suficientemente grande (ancho) para pasar todas las frecuencias significativas de la información. La relación entre el Ancho de Banda, tiempo de transmisión y capacidad de información fue desarrollada en 1920 por R. Hartley. De manera sencilla la ley de Hartley es: I&Bxt Donde: I = Capacidad de información B = Ancho de Banda (Hertz) t = Tiempo de Transmisión (seg) Para cada banda de frecuencias, es importante conocer que existen estructuras físicas apropiadas. Por ejemplo, la zona inferior a los 300 KHz permite utilizar cables paralelos (UTP). Por encima de esta frecuencia se comienza a preferir el cable coaxial; éste comienza a tener pérdidas muy grandes y problemas de radiación alrededor de los Giga Hertz. A partir de esta banda se aplican guías de ondas conductoras. Solo para frecuencias ópticas se emplean las conocidas fibras ópticas, que no son más que guías de ondas dieléctricas. Asimismo, dentro de cada banda existen normas internacionales y locales para la asignación de cada una de las frecuencias. Por ejemplo Radiodifusión AM se ubica en la banda de 540 a 1600 KHz. Radiodifusión FM en la banda de 88 a 108 MHz. Canales de televisión 2 al 6 entre 54 a 88 MHz. La tabla 4.5 muestra las asignaciones de frecuencia clasificadas y sus usos más comunes.

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Tabla 4.5 Clasificación y Usos de las Frecuencias

4.10 Selección del Medio de Comunicación La selección del medio de comunicación más recomendable para implementar la transmisión de datos en el proyecto; se ha efectuado considerando los siguientes parámetros: 1. Características de operación y funcionamiento del proyecto. 



Se necesita mantener comunicación entre la estación de bombeo (tanque bajo) y el tanque alto para conocer el nivel de agua del tanque alto; pues dependiendo de esta señal, el PLC dará la orden de encendido o apagado de los equipos de bombeo en la estación. Se necesita mantener comunicación entre la estación de bombeo y el tanque alto para monitorear y controlar la operación de los actuadores del tanque alto (válvula de distribución y válvula de desagüe), desde la estación.

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2. Ubicación geográfica del proyecto. 



Por la ubicación geográfica del proyecto, lo cual se detalló en el Capitulo 1. El modo de propagación más recomendable en este proyecto es aquel en que la onda sigue una trayectoria recta entre la antena de transmisión y la de recepción que se conoce como línea de vista, Si se utiliza una antena direccional se puede conseguir una distancia de alcance mucho mayor que cuando se utiliza una antena omnidireccional; la fiabilidad de la comunicación esta completamente ligada a la distancia que hay entre el transmisor y el receptor.

3. Proyecto de implementación (a futuro) de sistemas SCADA para diversos procesos de bombeo de agua tanto en pozos como en estaciones de bombeo de la EMAAP-Q. 

El medio de transmisión más idóneo para este proyecto es la comunicación inalámbrica vía Radio Modem; para evitar los problemas relacionados con la comunicación vía cable, por ejemplo corte de líneas, errores de conexión, distancias máximas, número de usuarios, etc.

En lo que se refiere a especificaciones técnicas, el medio de comunicación seleccionado, debe poseer las que se detallan a continuación: 1. Tener uso abierto para las aplicaciones de la Empresa. 2. Poseer alta inmunidad a interferencias aun en medio ambientes con bastante ruido. 3. Permitir una instalación simple y libre de problemas. Transmisor:

4. Rango de alcance: mínimo 10 kilómetros con línea de vista y usando antenas provistas con módem. 5. Potencia de salida: máximo 1 watt (+30 dBm). 6. Modulación: 144 Kbps -188Kbps. 7. Frecuencia de operación: radiofrecuencias VHF y/o UHF. Receptor:

8. Sensitividad: – 110 dBm @ 10-4 raw BER; 108 dBm @ 10-6 raw BER. 9. Sistema de ganancia: 135 dB RF Transmisión de datos:

10. Detector de errores. 32 Bit CRC con retransmisión de paquetes de datos. 11. Enlace de rendimiento: 115 Kbps 12. Rendimiento de Datos: 100 Kbps 13. Módulos de comunicación: RS 232 (RS 422 o RS 485), compatibles con el protocolo de comunicación Modbus (RTU y ASCII) que permitan una confiable y segura comunicación de PLC a PLC, PLC a PC y/o redes industriales.

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Antena:

14. Opción de antenas externas Omnis y/o Yagis Energía:

15. Voltaje de alimentación: 115 o 230 VAC a 12 VDC (transformador incluido) y/o 12VDC mediante energía solar o batería. 16. Corriente. 1000ma - 12 VDC - 1 Watt Modos de Operación:

17. Configuraciones: punto a punto, multipunto, maestro, esclavo, repetidor (para extender el alcance o eliminar obstrucciones) o esclavo/repetidor. Medio Ambiente de Operación:

18. Temperatura: 0° a 158° F ( 0° a 70° C) 19. Humedad: 0 a 95% humedad no condensada. Tomando en cuenta los parámetros y especificaciones mencionados; la mejor elección para cumplir con este propósito sería utilizar un sistema de radio modem.

Fig. 4.15 Diagrama de Bloques de un Sistema de Comunicaciones

En la figura 4.15 se puede observar el diagrama de un sistema típico de comunicación de datos, similar al que se requiere para la implementación de este proyecto.

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Capitulo 4. Sistema de Comunicaciones

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