Manual Redes y Comunicaciones Industriales

REDES Y COMUNICACIONES INDUSTRIALES

REDES DE COMUNICACIÓN INDUSTRIALES 1.- PIRÁMIDE DE LA AUTOMATIZACIÓN

Las comunicaciones a nivel de campo deben poseer unas características particulares para responder a las necesidades de intercomunicación en tiempo real que se deben producir y ser capaces de resistir un ambiente hostil donde existe gran cantidad de ruido electromagnético y condiciones ambientales duras. En el uso de comunicaciones industriales se pueden separar dos áreas principales, una comunicación comunicación a nivel de campo, y una comunicación hacia el SCADA. En ambos casos la transmisión de datos se realiza en tiempo real, o por lo menos con una demora que no es significativa respecto de los tiempos del proceso, pudiendo ser crítico para el nivel de campo. Según el entorno donde van a ser instaladas, en un ámbito industrial existen varios tipos de redes:

Red de Factoría: Para redes de oficina, contabilidad y administración, ventas, gestión de pedidos, almacén, etc. El volumen de información intercambiada es muy alto, y los tiempos de respuesta no son críticos. c ríticos.

Red de Planta: Para interconectar módulos y células de fabricación entre sí y con departamentos como diseño o planificación. Suele emplearse para el enlace entre las funciones de ingeniería y planificación con las de control de producción en planta y secuenciamiento de operaciones. Estas redes deben manejar manejar mensajes mensajes de cualquier tamaño, gestionar eficazmente errores de transmisión (detectar y corregir), cubrir áreas extensas (puede llegar a varios kilómetros), gestionar mensajes con prioridades, y disponer de amplio ancho de banda para admitir datos de otras subredes como pueden ser voz, vídeo, etc.

Red de Célula: Para interconectar dispositivos de fabricación que operan en modo secuencial como Robots, Máquinas de control numérico (CNC), Autómatas programables (PLC), Vehículos de guiado automático (AGV). Las características deseables en estas redes son: Gestionar mensajes cortos eficientemente, capacidad de manejar tráfico de eventos discretos, mecanismos de control de error (detectar y corregir), posibilidad de transmitir mensajes prioritarios, bajo coste de instalación y de conexión por nodo, recuperación rápida ante eventos anormales en la red y alta fiabilidad. 9


Bus de Campo: Para sustituir cableado entre sensores-actuadores y los correspondientes elementos de control. Este tipo de buses debe ser de bajo coste, tiempo real, permitir la transmisión serie sobre un bus digital de datos con capacidad de interconectar controladores con todo tipo de dispositivos de entrada-salida, sencillos, y permitir controladores esclavos inteligentes. Además, deben gestionar mensajes cortos eficientemente, tener capacidad de manejar tráfico de eventos discretos, poseer mecanismos de control de error (detección y corrección), transmitir mensajes prioritarios, tener un bajo coste de instalación y de conexión por nodo, poder recuperarse rápidamente de eventos anormales en la red y responder rápidamente a los mensajes recibidos. Por regla general, tienen un tamaño pequeño (5 a 50 nodos), utilizan tráfico de mensajes cortos para control y sincronización entre los dispositivos, y la transferencia de ficheros es ocasional o inexistente. Según la cantidad de datos a transmitir, se dividen en buses de alto nivel, buses de dispositivos (unos pocos bytes a transmitir) y buses actuador/sensor (se transmiten datos a nivel de bit), pero en ningún caso llegan a transmitir grandes bloques de información. En este nivel de integración, el esquema de control más habitual es el maestroesclavo, constituyendo un sistema de control centralizado que debe recabar información de la planta de producción. Esta integración maestro-esclavo se utiliza especialmente en muchos equipos basados en autómatas programables, dónde éste es el maestro y se encarga de gestionar módulos remotos de sensores, actuadores, y hasta otros autómatas de menor entidad encargados de gestionar procesos locales.

2.- REDES ACTUADOR SENSOR ASI El bus ASi (Actuator-Sensor Interface) nació en 1990 como un intento de eliminar el cableado existente entre los sensores y actuadores binarios (todo-nada) con la característica añadida de proporcionar la tensión de alimentación sobre el mismo cable (hasta 8A). Posteriormente, el bus ha evolucionado para comunicarse con elementos inteligentes y poder transmitir datos y parámetros además de las señales binarias. El bus ASi es considerado uno de los sistemas de comunicación más sencillos y con menos prestaciones, por lo que se emplea a nivel de campo en la parte más baja de la pirámide de automatización. ASi es un sistema abierto definido por el estándar europeo EN 50295 y el estándar IEC 62026-2. La figura Nro 1 muestra el esquema de distribución adoptado en estas redes.

a)

Figura Nro 1. de conexión.

b)

a) Esquema de distrib ución de una red ASi. ASi. b) Cable Cable ASi y método

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Las características principales que posee el bus son: •

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Funcionamiento Funcionamiento basado en la técnica de sondeo sondeo con un maestro y varios esclavos. El tiempo máximo de ciclo es de 5ms. Es Es decir, en 5ms se conoce el valor de todos los esclavos. Un maestro puede controlar hasta 31 esclavos, ampliable mediante repetidores Cada esclavo permite direccionar direccionar 4 entradas y 4 salidas digitales, y adicionalmente, 4 bits de parámetros por cada esclavo, con un máximo de 248 entradas/salidas digitales. Es posible la comunicación con módulos módu los analógicos El direccionamiento direccionamiento de los los esclavos es electrónico, electrónico, mediante el maestro, maestro, o un dispositivo específico de direccionamiento. direccionamiento. Admite cualquier cualquier topología de la red, con una longitud longitud máxima de 100 metros metros sin repetidores con caída de tensión máxima de 3V. La tensión tensión de operación de los esclavos esclavos debe estar entre entre 26,5V y 31,6 V. Típicamente la corriente de consumo consumo de cada esclavo esclavo es de 200 mA. mA.

Figura Nro 2

a) Módulo ASi ASi de 2E/2S 2E/2S..

b) Dispositi vo actuador con Asi

3.- BUSES ORIENTADOS A DISPOSITIVOS. 3.1.- CAN Bus. El protocolo CAN es un estándar que viene descrito en el estándar ISO 11898, inicialmente impulsado por el fabricante f abricante alemán BOSCH para simplificar el cableado en los automóviles Merceds-Benz. Merceds-Benz. Este protocolo está basado en el principio “productor/consumidor” donde cada equipo está siempre a la escucha y las transmisiones se realizan bajo el control de un equipo especial (el árbitro de bus). Las peticiones de información se construyen de acuerdo a una tabla de órdenes que contiene identificadores de variables. Al decodificar el nombre de variable asociado a la información que él produce, un dispositivo transmite los valores actuales correspondientes. Esta información es consumida por todos los receptores que reconocen el nombre de la variable. Este modo de funcionamiento garantiza que todos los dispositivos consumidores actualizan su información del proceso de forma simultánea. Todos los nodos, incluido el transmisor están activos mientras hay actividad en el bus, revisan si existen errores (hasta cinco diferentes chequeos de error) y fuerzan la retransmisión en caso de error; todos los nodos deben aceptar el mensaje, en caso contrario se entiende que hay error. En el caso de los receptores, éstos envían un mensaje de “mensaje recibido” cuando el mensaje llega correctamente. El bus CAN emplea un acceso al bus por prioridades mediante la técnica CSMA/CR (Carrier Sense Multiple Access / Collision Resolution), resolviendo los conflictos de acceso al 11


bus mediante técnicas no destructivas, permitiendo un tiempo de inactividad garantizado en el caso de colisión. CAN no utiliza utiliza direcciones físicas para el nodo, dado que todos los nodos reciben todos los mensajes, mensajes, cada uno de ellos decide si el mensaje va dirigido a él o no; esta decisión es tomada según la programación de cada nodo, o el hardware asociado. Pueden emplearse diferentes técnicas de gestión del bus como maestro/esclavo, multiplexado por división en el tiempo (TDMA) Como característica esencial del bus CAN está la necesidad del uso de un protocolo para capas más elevadas capaz capa z de realizar la conexión de la aplicación. CAN constituye únicamente una especificación de bajo bajo nivel. Las posibilidades posibilidades de CAN vienen determinadas determinadas en gran medida por el protocolo de las capas superiores elegido; este protocolo se elegirá dependiendo de mercado al que se oriente la aplicación, los requerimientos de tiempo real, etc. Por ejemplo, protocolos basados en CAN son CANopen, CANopen, Devicenet Devicenet y SDS.

Figura Nro 3 Formato de trama CAN (DLC (DLC = Data Data Length Code). Code). 3.2.- LONworks. LONworks referencia el nombre del bus, pero éste siempre se utiliza en conjunto con un protocolo llamado LONtalk. LONtalk consiste en una serie de protocolos que permiten la comunicación inteligente entre los dispositivos de la red. Este protocolo ha sido incluido en el estándar ANSI/EIA 709.1 en 1999 y el principal impulsor de este bus es Echelon Corporation. LONworks (Local Operating Networks) emplea como concepto básico para definir su red como una “red de control”, en contraste con las “redes de datos” que tradicionalmente se conocen. Las redes de control están orientadas a la transmisión de pocos datos, pero de modo seguro y con un tiempo tiempo restringido. La comunicación comunicación LONworks entre entre los nodos puede hacerse por control distribuido de igual a igual (peer to peer) o bien maestro/esclavo. Pero en cualquier caso, la inteligencia en los nodos (capacidad de computación) permite la distribución d istribución de la carga computacional de procesado para, por ejemplo, usarse en sensores inteligentes, inteligentes, realizando un análisis de los datos sensados, convertirlos en otros formatos, o analizarlos, para sólo realizar comunicación en casos concretos. Esta distribución de las funciones de control permite un incremento muy significativo del rendimiento y la robustez. Para ello, cada nodo incorpora la denominada “neurona” (neuron chip), consistente consistente en 3 procesadores procesadores de 8 bits en paralelo, paralelo, dos de ellos optimizados para el protocolo de comunicaciones, y un tercero para la ejecución de aplicaciones en el nodo. Esta técnica asegura que la complejidad de una aplicación no interfiere negativamente con el rendimiento de la red. Además, dado que toda la neurona queda incorporada en el mismo chip, el coste económico no no es significativamente elevado, pudiendo incluso incorporar dentro del mismo, dispositivos como temporizadores, memoria, o incluso funciones específicas realizadas por hardware, h ardware, facilitando así el e l desarrollo desarr ollo del software. Actualmente, el pr otocolo es abierto y puede ser implementado implementado en software por cualquier fabricante. LONworks es capaz de funcionar en múltiples medios físicos de transmisión (utilizando los transceiver adecuados para cada uno de ellos), la tabla siguiente muestra algunos de los medios físicos posibles. Utiliza dos hilos y dependiendo del medio de transmisión el rendimiento rendim iento es diferente. Puede emplear como medio físico la línea eléctrica de potencia y la topología de red que se emplee no influye siempre y cuando no se superen los límites marcados. La siguiente tabla muestra las características caracterís ticas de la transmisión transmis ión dependiendo del medio físico empleado. Tabla. Medios físicos y prestaciones correspondientes para comunicaciones LONworks. 12


Nombre del transceiver

Medio Medio f ísico

Velocidad

Num. Max.

Máx. Máx. distanci a

Disp. Par trenzado, TP/FT-10

topología libre

TP/XF-1250

PL-20

IP-10

Par trenzado, topología de bus

500 mts (topol. libre) 78 kbps

64- 128

1,25 Mbps

64

Línea eléc tric a

5,4 kbps

LONworks sobre IP

Fijado por la red IP

Depende emplazamiento Fijado por la red IP

2200 mts. (topol. bus)

125 mts. del

Depende emplazamiento

del

Fijado por la red IP

Cada dispositivo posee varias clases de direcciones: 1) dirección física, identificador único llamado “neuron ID” que se asigna en su fabricación y no es posible modificar. 2) Dirección del dispositivo. Dirección asignada en la instalación, el empleo de esta dirección mejora la instalación pues es más fácil la sustitución de elementos averiados; consta de identificador de dominio, id. de subred, id. de nodo. El uso de tres identificadores mejora el encaminamiento de paquetes. 3) Dirección de grupo. Para definir un conjunto con junto de nodos nodo s independientement indepen dientemente e de su situación física, por ejemplo, para agrupar f uncionalidad, etc. 4) Dirección de difusión (broadcast). Esta dirección identifica todos los nodos que pueden recibir mensajes al mismo tiempo. Cada paquete enviado contiene de forma necesaria la dirección de destino (una o varias de las direcciones antes descritas) y la dirección del nodo transmisor (origen del paquete). También existe un identificador de dominio de tal modo que dos redes LONworks pueden coexistir en el mismo medio físico (cada una funcionando en un dominio distinto).

Figura Nro4 Esquema modular del interfaz LONworks de un nodo de su red. LONworks define cuatro tipos de mensajes (tres de ellos esenciales): 1) Mensajes reconocidos, de modo que al enviar un mensaje se debe esperar la recepción 13


de reconocimiento de mensaje recibido por parte del receptor o receptores, pudiendo configurar un número de reintentos o tiempo límite para el caso de fallo. 2) Mensajes repetidos, no necesita del reconocimiento del receptor, pero para asegurar su llegada éstos son enviados varias veces, es útil en el caso de una difusión múltiple ya que evita el tráfico masivo de mensajes de reconocimiento de recepción. 3) Mensajes sin reconocimiento, el mensaje sólo se envía una vez y no se espera confirmación de llegada. Genera poco tráfico en la red y es válido en redes fiables. 4) Servicio Servicio de autenticidad, permite que un receptor pueda determinar determinar si si el el emisor emisor de un mensaje está autorizado para hacerlo, de modo que se garantiza que sólo quien esté autorizado puede enviar cierto tipo de mensajes. Esta seguridad se implanta en la instalación introduciendo claves de 48 bit entre los dispositivos para poder cifrar/descifrar ciertos mensajes. Además, LONworks dispone de lo que denomina “variables de red”. r ed”. Mediante estas variables es posible crear una “conexión virtual” entre dos d os nodos de modo que una vez configurada configura da ya no es necesario ejecutarla de nuevo. Esta conexión permite que se asocie el valor de una o varias variables de entrada en un nodo con otras variables de salida en el otro nodo, de modo que cada vez que se produce un cambio en las entradas, éste se refleja en las salidas sin necesidad de que la programación del sistema esté pendiente de ejecutar la rutina de actualización de esas entradas remotas, creando lo que denominan “cable virtual”. Esta utilidad permite la fácil interconexión entre dispositivos de diferentes fabricantes, ya que no es necesario conocer en detalle cada dispositivo, pues existen funciones estándar de enlace virtual (SNVT, Standard Network Variable Type) que se encargan de ello.

4.- BUSES DE CAMPO: PROFIBUS, DEVICENet, COMPOBUS A pesar de tratarse de estándares abiertos, cada protocolo suele estar impulsado por un fabricante diferente, por lo que existe una pequeña batalla enmascarada por el control del mercado a través de la filosofía de sistemas abiertos. Entre los diferentes protocolos existen ciertas diferencias, pero generalmente es posible realizar el mismo tipo de aplicaciones sobre cualquiera de ellos. Aunque no entraremos de lleno en todos los protocolos, realicemos una revisión somera de los mismos.

HART, este protocolo proporciona proporciona comunicación digital bidireccional con dispositivos de campo inteligentes mientras conserva la compatibilidad y familiaridad de los tradicionales sistemas 4 20 mA. Su protocolo utiliza la norma Bell 200 que permite la superposición simultánea a niveles bajos de una señal de comunicaciones digital (el (el "1" lógico lógico es represent repr esentado ado por 1.200 Hz, mientras el "0" lógico corresponde a 2.200 Hz) en la parte superior de la señal analógica 4-20 4- 20 mA. m A. Ya que q ue HART fue diseñado diseñ ado para ampliar las comunicaciones con los instrumentos instrumentos de medición y control que tradicionalmente tradicionalmente se comunicaban con señales de 4 - 20 20 mA, es aplicable a todo tipo de industrias de proceso. Por tratarse de una superposición a un sistema existente, HART ofrece una solución sin ningún riesgo para poder gozar de los beneficios que resu ltan de una comunicación comunicac ión más amplia con los dispositivos inteligentes.

FIP y WORLDFIP, FIP es una norma de bus de campo desarrollada en Francia. FIP se propone ser un sistema de gestión de una base de datos industrial, en tiempo real y distribuido, para lo que se basa en el modelo PDC. De acuerdo a este modelo, los programas de aplicación que se ejecutan en las estaciones pueden cumplir tres funciones: 1) Productor de datos: programa de aplicación responsable de la producción de un dato o variable. Por ejemplo, un transmisor es responsable de la producción de un dato que 14


representa la variable monitorizada, mientras que un controlador es responsable de la producción de un dato que representa el porcentaje de apertura de una válvula. 2) Consumidor de Datos: es un programa de aplicación que requiere un dato o variable. Por ejemplo, un actuador requiere conocer el porcentaje de apertura al que debe estar la válvula, mientras que un controlador multilazo es consumidor de numerosas variables requeridas para cumplir sus funciones. 3) Distribuidor: el distribuidor es responsable de la validez de la transferencia de datos, así como de que esta se produzca en los plazos de tiempo requeridos por el proceso. Un productor puede producir datos que sean de interés para más de un consumidor, así como un consumidor puede requerir datos de más de un productor. Cada estación es autónoma, con el único requisito de producir las variables de las que es productor cuando el distribuidor se lo solicita. De esta forma, el distribuidor es el árbitro de la red, definiendo cuando las variables son producidas, conforme a los requerimientos de los consumidores.

FOUNDATION fieldbus constituye un subconjunto del estándar IEC/ISA (IEC61158 e ISA s50.02). Esta organización agrupa dos asociaciones, WorldFIP (World Factory Instrumentation Protocol) e ISP (Interoperable Systems Project) desde 1994. Su principal objetivo es la sustitución del cableado asociado a los elementos aislados tales como aquellos dispositivos funcionando con tecnología 4 - 20 mA (la mayoría de elementos neumáticos funcionan con este tipo de señales) por un bus capaz de proporcionar una compatibilidad con ellos mediante la inclusión en el dispositivo de un pequeño interfaz. Es intrínsecamente seguro, es decir, dispone de capacidad para ser empleado empleado en entornos agresivos (riesgo de explosión, agentes químicos, etc.). Esta tecnología emplea las capas 1, 2 y 7 del modelo OSI. Las señales del del bus se transmiten por un par trenzado con una amplitud de 1V de pico a pico moduladas sobre una tensión continua de valores entre 9 y 32 V (incluye la alimentación de los dispositivos en la misma línea), con una velocidad de transferencia de 31,25 kbit/s y con una impedancia equivalente de 50 ohmios (es necesario incluir terminadores en la línea). Permite transmisión transmisión gestionada por un dispositivo que otorga el e l control del bus (paso de testigo), y también transferencias asíncronas para mensajes con prioridad. Dado que los dispositivos incorporan cierta inteligencia, es posible su funcionamiento autónomo a pesar de interrupciones en la transmisión de datos. Admite hasta 32 elementos en el bus y 1900 metros de longitud (sin repetidores).

MODBUS. Es uno de los protocolos más veteranos, apareció en 1979 para transmitir y recibir datos de control entre los controladores y los sensores a través del puerto RS-232 (comunicación punto a punto), con un alcance máximo de 350 metros. No ha sido estandarizado por ninguna entidad, pero sus especificaciones están disponibles. Funciona mediante el sistema maestro/esclavo, y posee dos modos esenciales de funcionamiento, modo ASCII, enviando dos caracteres (2 bytes) para cada mensaje, pudiendo haber hasta 1 segundo de tiempo de diferencia entre ellos, y modo RTU (Remote Terminal Unit), donde se envían 4 caracteres hexadecimales (4 bits cada uno) para cada mensaje. Esta última opción es más empleada en transmisiones inalámbricas. Existe la versión MODBUS plus donde se emplea el puerto RS485 para permitir hasta 32 nodos y cubrir distancias de hasta 1500 metros con técnica técnica de transmisión de paso de testigo. testigo. Ambos emplean emplean como medio físico el par trenzado apantallado y la tensión de alimentación es independiente para cada dispositivo. Se trata de un protocolo con limitaciones limitaciones y donde donde sólo es recomendable usarlo en caso de instalaciones donde existan instalaciones de este tipo (para mantener compatibilidad), pero donde en la actualidad es posible emplear medios de comunicación con más prestaciones y un precio similar. Actualmente Actualmente se está impulsando impulsando el empleo de MODBUS sobre TCP/IP para aprovechar apro vechar las 15


infraestructuras que se están implantando para Internet, y usar protocolos industriales empleando las mismas líneas y empaquetando mensajes MODBUS dentro de los paquetes TCP/IP, de modo que son necesarios unos módulos de encapsulado y desencapsulado para conectar con módulos tradicionales MODBUS.

INTERBUS. Es una red de sensores/accionadores distribuidos para sistemas de fabricación y control de procesos continuos. Es un sistema con método de comunicación maestro-esclavo, abierto de alta prestaciones, de topología en anillo. Interbus no está respaldado por los grandes fabricantes de autómatas. Sin embargo, alrededor de 700 desarrolladores de dispositivos de campo lo soportan. Un sistema basado en Interbus está compuesto por una tarjeta de control, instalada en un PC industrial o en un autómata programable que comunica con un conjunto de dispositivos de entrada/salida. Es un sistema con estándar europeo EN50254 de 1997.

EIB (European Installation Bus). Es un sistema orientado hacia la domótica y el control de dispositivos eléctricos para la automatización de edificios (Control de iluminación, Control de persianas, Control de calefacción, Administración de c argas y energía, Servicio y observación). El estándar que lo regula es el EN 50090 y ANSI/EIA 776. Existen pasarelas para interconexión con otros buses como Profibus DP para poder enlazar elementos típicos de automatización automatización con los dispositivos habitualmente controlados por EIB.

4.1.- PROFIBUS. La base para el desarrollo de este protocolo fue un proyecto de investigación de varias empresas y cinco institutos de investigación alemanes. Actualmente, Profibus en sus 3 versiones FMS, DP y PA son estándar europeo EN50170 desde 1996, aunque sus actividades comenzaron alrededor de 1987. Existen más de dos millones de dispositivos Profibus instalados, con aproximadamente 250 fabricantes de productos Profibus en todo el mundo. Son dos las asociaciones principales que organizan las actividades encaminadas a la mejora de este bus: PI (Profibus Internacional) y PNO (Organización de usuarios de Profibus). La familia Profibus consiste en varias versiones compatibles:

PROFIBUS-DP (Distributed Peripherals). Optimizado para alta velocidad y coste reducido. Esta versión de Profibus está diseñada especialmente para comunicación entre sistemas automáticos de control y E/S distribuidos a nivel de campo (periferia descentralizada). Puede ser empleado para remplazar transmisiones paralelas de señales con 24V o 4..20 mA. El intercambio de datos es cíclico. El tiempo de ciclo del bus ha de de ser menor que el tiempo de ciclo del programa del controlador central.

PROFIBUS-PA (Process Automation) . Está especialmente diseñado para automatización de procesos. Permite que sensores y actuadores puedan ser conectados a un bus común en áreas de especial seguridad calificadas como Ex. Permite comunicación de datos y transporte de energía sobre el mismo bus empleando tecnología de dos cables, acorde con el estándar internacional IEC 1158-2. Básicamente, Básicamente, es la ampliación de ProfibusProfibusDP compatible en comunicación con una tecnología que permite aplicaciones para la automatización de procesos en recintos expuestos al peligro de explosiones (áreas clasificadas Ex). También existen diversos perfiles orientados a aplicaciones concretas donde se definen elementos específicos como perfiles de automatización de edificios, aplicaciones seguras ante fallos (PROFISafe), control numérico y robots, encoders, drivers de motores de velocidad variable o interfaces Hombre- máquina.

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PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification) . Es la solución de propósito general para tareas de comunicación a nivel de control. Los potentes servicios FMS abren un amplio rango de aplicaciones y proveen gran flexibilidad. También puede ser empleado para tareas de comunicaciones extensas y complejas. En Profibus-FMS la funcionalidad es más importante que conseguir un sistema con tiempo de reacción pequeño. En la mayor parte de aplicaciones, el intercambio de datos es fundamentalmente acíclico en base a la demanda del proceso del usuario.

PROFIBUS sobre TCP/IP. A través de una pasarela, y empleando la especificación MMS (Manufacturing Message Specification) puesto que FMS constituye un subconjunto de la misma, es posible enviar mensajes sobre una red TCP/IP con destino a nodos de una red Profibus. Profibus especifica las características técnicas y funcionales de un sistema basado en un bus de campo serie en el que controladores digitales descentralizados pueden ser conectados entre sí desde el nivel de campo al nivel de control. Se distinguen dos tipos de dispositivos: Dispositivos maestros , que determinan la comunicación de datos sobre el bus. Un maestro puede enviar mensajes sin una petición externa cuando posee el control de acceso al bus (el testigo). Los maestros también también se denominan estaciones activas en el protocolo Profibus. Dispositivos esclavos , que son dispositivos periféricos. Los esclavos son normalmente dispositivos de E/S, válvulas, actuadores y transmisores de señal que no ti enen enen el control contr ol de acceso al bus y sólo pueden recibir o enviar mensajes al maestro cuando son autorizados para ello. Los esclavos también son denominados estaciones pasivas, por lo que sólo necesitan una parte del protocolo del bus. Así pues, sobre sobre un mismo mismo medio físico de bus, existen dos tipos de comunicaciones, la existente entre maestros para el paso de testigo, y la existente entre los nodos maestros y sus esclavos.

4.2.- DEVICENet. DeviceNet está orientado a los niveles de automatización medio-bajo, es decir, dentro de la pirámide de automatización se encuadra en el nivel de planta, y en algunos casos en el nivel de célula. Originariamente fue desarrollado por el fabricante de autómatas y elementos de automatización norteamericano Allen-Bradley en 1994, aunque actualmente es un sistema abierto en el que numerosos fabricantes basan sus elementos de red; la “Asociación de fabricantes de Devicenet” (ODVA, Open DeviceNet Vendor Association) Association) es la encargada actualmente de gestionar y organizar la certificación de dispositivos dispositivos DeviceNet DeviceNet e impulsar el empleo de esta tecnología tecnología dentro de la industria. industria. DeviceNet es un protocolo versátil en el área de buses de campo, ha sido diseñado para satisfacer al menos el 80% de las necesidades de comunicación a nivel de célula. Las características principales de DeviceNet son: • • • •

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Número máximo de nodos: 64 Distancia máxima: entre 100 m. y 500 m. Velocidad de transferencia de datos: 125, 125, 250 y 500 kbit/s Estructura de comunicaciones en bus con una línea principal y posibilidad de bifurcación bifurc ación de la línea hacia los nodos (mayor número de bifurcaciones implica menor velocidad y distancia distanc ia admisible). admisible) . Requiere Requiere terminación de línea con impedancia impedancia de 120 Ohmios aproximadamente. Emplea dos pares trenzados (un par para alimentación alimentación hasta 8A y otro par para datos de3A) Tamaño máximo del mensaje: 8 bytes bytes para cada nodo nodo (igual (igual que CAN). 17


El sistema sistema de transmisión transmisión está basado basado en un modelo productor/consumidor, productor/consumidor, por ello, admite modelo maestro/esclavo, multimaestro, de igual a igual, etc., que se traduce en la transmisión de mensajes mensajes mediante mediante diferentes métodos tales como sondeo, envío cíclico, etc.

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Las aplicaciones en las que habitualmente se emplea DeviceNet son todas las aplicaciones habituales de los buses de campo, como por ejemplo ensamblado de piezas, máquinas de soldadura, captación de sensores distribuidos, sensores inteligentes, válvulas neumáticas, lectores de código de barras, interfaces de operador, etc. Como ventajas principales se puede resaltar su bajo coste, alta fiabilidad, empleo eficiente del ancho de banda y la posibilidad de incorporar la tensión de alimentación (24 VDC) en el mismo cable de bus. Las funciones que incorpora la capa de aplicación DeviceNet son: •

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Asignación de identificación identificación CAN, estableciendo niveles de prioridad y permitiendo permitiendo que cada nodo conozca qué mensajes van destinados a él. La configuración se puede realizar mediante mediante software o microinterruptores. Control del tipo de mensajes a transmitir transmitir (mensajes (mensajes explícitos, fragmentación, fragmentación, etc.). Detección de direcciones duplicadas. Antes de estar activos en la red debe chequearse chequearse la no duplicidad. Consistencia de datos en el dispositivo: datos de identidad (tipo de nodo, fabricante, número de serie, etc.), datos del enlace de comunicaciones (dirección del nodo, velocidad de transferencia, etc.) y datos de configuración del nodo (dependiendo del tipo de dispositivo, se deben configurar valores límite, velocidades, consumos, inicialización de contadores, etc.).

Una de las características particulares de DeviceNet es la existencia de múltiples forma tos de mensajes, lo que permite permi te al bus operar de un modo u otro dependiendo del tipo de mensajes enviados, y pudiendo mezclar diversos tipos de mensajes. Los tipos de mensajes que se definen son: Sondeo. El maestro interroga uno por uno cada nodo para recibir o enviar una actualización del estado del nodo. Este método requiere un mensaje saliente y otro mensaje entrante para cada nodo de la red. Es un método preciso y riguroso, pero poco eficiente a la hora de solicitar información a los dispositivos. Strobing. Strobing. Un nodo solicita mediante difusión difusión (broadcast) simultánea la actualización a todos los nodos. Cada nodo responde a este mensaje mediante un orden predeterminado por una lista priorizada para permitir que los nodos más críticos sean los primeros en responder. Envío cíclico: Los dispositivos son configurados para enviar mensajes de formar regular según el tiempo programado. Este tipo de envío de mensajes se suele emplear juntamente con el modo de “cambio de estado”. Cambio de estado. Los nodos únicamente envían mensajes cuando su estado cambia, lo que implica una utilización mínima del bus. El principal problema radica en que el tiempo de recepción no es fijo ya que dependerá del tráfico del bus en el instante en que se desea acceder a él. Mensajes explícitos. explícitos. Este método indica indica cómo un nodo debe interpretar interpretar los mensajes. Este método es habitualmente empleado en nodos con funcionalidad compleja para así poder enviar mensajes con numerosos parámetros de configuración que es necesario necesar io modificar regularmente, pero no tan a menudo como la lectura lectur a de datos del proceso que ese nodo realiza. Mensajes fragmentados. Es empleado para el caso donde es necesario enviar más de 8 bytes de datos en un solo envío. En este caso, se envían varios mensajes de hasta 8 bytes donde viajan los datos fragmentados para posteriormente ser unidos de nuevo. Gestión de mensajes no conectados (UCMM, UnConnected Message Manager).

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La capacidad UCMM en DeviceNet permite comunicación de igual a igual (peer to peer), es decir, que no es necesaria la gestión de un maestro en la red sino que dos nodos cualquiera pueden comunicarse entre ellos de forma directa sin pasar por el nodo maestro. Para ello, los nodos UCMM deben poder aceptar todos los mensajes CAN y realizar un filtrado de mensajes para conocer y aceptar únicamente aquellos mensajes que van dirigidos a él. Este filtrado se realiza en la capa de software y requiere mayores recursos (RAM, ROM y capacidad de proceso) que un nodo que sólo admite mensajes provenientes de un maestro.

Análogamente a como se hace en Profibus, existe una modalidad de configuración de dispositivos electrónica consistente en un fichero “modelo” para cada tipo de dispositivo de modo que cada parámetro queda situado en una ubicación u bicación concreta. De este est e modo m odo es posible intercambiar intercambiar dispositivos de diferentes fabricantes con igual funcionalida d, aunque aunque es necesario ser cuidadoso y analizar si esta equivalencia es completa para asegurar la inexistencia de problemas.

4.3.-COMPOBUS. Omron es el principal impulsor de este bus. Compobus D es el nombre que Omron emplea para su particularización de DeviceNet, donde existe fácil integrabilidad con cualquier dispositivo Omron, y además, es posible emplear otros otr os elementos DeviceNet. Compobus S está orientado múltiples,

a la sustitución del cableado tradicional tradicional y los terminales

para pequeños sistemas o incluso para cableado de máquinas, Omron ha ideado Compobus S, una solución que tiene a la flexibilidad y la sencillez como principales argumentos de uso. Compobus S permite distribuir un número limitado de E/S (256) utilizando un sistema de comunicación a dos hilos. Las especificaciones técnicas del sistema se han visto mejoradas recientemente de tal forma que es posible conectar módulos de E/S analógica y trabajar con distancias de bus de hasta 500 m. Puede elegirse el método de conexión (cable plano o par trenzado) así como seleccionar la velocidad de comunicación comunicación en función del tamaño del bus. Compobus S no necesita de configuración alguna. Simplemente, se monta la unidad maestra, se seleccionan los números de nodos de los terminales esclavos y se cablean (puede utilizarse el mismo cable para llevar el par de comunicación y el de alimentación de los terminales). El sistema comienza a funcionar al recibir tensión y las E/S se mapean en la memoria del PLC como si estuvieran conectadas de forma local y con un tiempo de refresco que puede llegar a los 0,5 ms.

5.- ETHERNET INDUSTRIAL Ethernet es un estándar de transmisión de datos que ya tiene tras de sí una larga historia y que constituye la base de la gran mayoría de las redes instaladas en las oficinas de todo el mundo. Aunque a lo largo de los años se ha afirmado muchas veces que quedaría obsoleta, aún en el día de hoy sigue evolucionando y ofreciendo las funciones que necesitan los usuarios, por lo que sin duda se seguirá utilizando durante muchos años. Además, recientemente ha ido ganando aceptación en el sector industrial. En 1972, Robert Metcalfe y su equipo en Xerox desarrollaron el primer sistema Ethernet experimental para interconectar las estaciones de trabajo personales con interfaz de usuario gráfica Xerox Alto. Esta red Ethernet experimental se utilizó para conectar las distintas estaciones 19


Alto entre sí, así como a los servidores e impresoras láser. En la interfaz Ethernet experimental, el reloj de la señal se derivó del reloj del sistema Alto, lo que permitió obtener una velocidad de transmisión de datos de 2,94 Mbits/s. La primera red experimental desarrollada por Robert Metcalfe se bautizó con el nombre de Alto Aloha Network. En 1973, Metcalfe le cambió el nombre a «Ethernet» para dejar claro que el sistema podía conectar cualquier tipo de ordenadores, y no solamente los Xerox Alto. Para demostrar que sus nuevos mecanismos de conexión en red habían evolucionado hasta superar el sistema básico, basó el nuevo nombre en la voz inglesa «ether» (éter), que describía una característica básica del sistema. El medio físico (es decir, un cable) lleva los datos a todas las estaciones, de una manera muy similar a como se pensaba que hacía el éter con las ondas electromagnéticas. Había nacido la Ethernet.

5.1.- QUE ES UNA RED ETHERNET El principio básico de las comunicaciones Ethernet es el Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection Protocol (CSMA/CD, protocolo proto colo de acceso múltiple c on detección de portadora y detección de colisiones). La idea básica es muy simple: si un dispositivo desea comunicarse, comprueba el canal para ver si está libre. Si es así, transmite los datos; de lo contrario, espera a que se libere. La importancia de la detección de colisiones reside en que es posible que dos o más dispositivos transmitan simultáneamente y los datos colisionen. Al detectar las colisiones y retransmitir más tarde, no se pierde ningún dato. El primer estándar Ethernet verdaderamente digno de tal nombre se bautizó como 10Base5. La red se basó en un cable coaxial grueso de 500 m de longitud total máxima con transceptores conectados al cable en puntos concretos de toda su longitud. La velocidad de transmisión se fijó en 10 Mbits/s. Si se requería una red más grande, se podían instalar repetidores. El siguiente estándar de importancia fue el 10Base2, que ofrecía la misma velocidad de transmisión (10Mbits/s) pero con un cable coaxial fino de menor coste conectado a tarjetas de interfaz de red mediante conectores en T. Esta solución resultaba mucho más barata y se hizo muy popular para las redes pequeñas. El siguiente gran paso en la red Ethernet fue la introducción del cableado estructurado. Se desarrolló el estándar 10BaseT, que se basaba en la utilización de hubs y mantenía la distancia del cable por debajo de los 100 m. Otro paso adelante fue la evolución hacia redes más rápidas y la utilización de cables de fibra óptica para la transmisión de datos a larga distancia. Una vez más, surgieron nuevos estándares, entre los que cabe mencionar el 100BaseT o el 100BaseFX, entre otros. La convivencia de distintos estándares, el aumento en el número de dispositivos conectados y la aparición de dos nuevas velocidades de transmisión que tener en cuenta, complicó la conexión entre redes, lo que dio lugar al desarrollo del switch Ethernet.

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En el sector industrial, las transmisiones de datos se han basado tradicionalmente en la tecnología de bus de campo. Existen muchos tipos y estándares diferentes, por lo que la interoperabilidad resulta complicada y cara; esta es la razón principal por la que se empezó a considerar la posibilidad de utilizar la tecnología Ethernet en las aplicaciones industriales. Sin embargo, este estándar presenta otras ventajas adicionales: Fiabilidad: Ethernet es un estándar abierto bien definido, lo que significa que la interoperabilidad es más sencilla y los componentes se pueden obtener de múltiples fuentes. Las redes Ethernet son abiertas y transparentes. En la misma red se pueden utilizar muchos protocolos diferentes simultáneamente. Velocidad: A las velocidades de transmisión de 10 Mbits/s y 100 Mbits/s se han sumado en los últimos tiempos soluciones Gigabit. En cambio, los protocolos de bus de campo más rápidos trabajan a 12 Mbits/s, y la mayoría lo hacen a menos de 2 Mbits/s. Determinismo: Ya existen protocolos que organizan los datos según su prioridad, lo que hace de Ethernet una tecnología casi determinista, el objetivo definitivo del usuario industrial.

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El determinismo es un concepto clave en muchas redes industriales, por la sencilla razón de que con una red determinista se puede afirmar sin lugar a dudas que un evento determinado se ha producido en una ventana de tiempo concreta. La tecnología CSMA/CD utilizada en los sistemas Ethernet originales hacía imposible el determinismo, pero con la aparición del switch Ethernet las cosas han cambiado. Las colisiones en la infraestructura de cables han desaparecido por completo. Las conexiones con par trenzado o fibra óptica son punto a punto y pueden ser full dúplex. Cada paquete que se envía a un switch se almacena y se retransmite al puerto de destino correcto. Si ese puerto está ocupado, el switch espera, por lo que no se producen colisiones ni retransmisiones. El único problema es la espera en cola que puede producirse. Sin embargo, los switches modernos incorporan funciones que garantizan que la cola no se convierta nunca en un problema. Los paquetes Ethernet se pueden configurar de manera que incluyan una etiqueta de prioridad. Si el switch soporta la función de priorización, el paquete pasa a ocupar el primer puesto de la cola. Otra función útil en el control del flujo de datos es la prevención del bloqueo HOL (Head of Line), que constituye un problema en algunos switches que utilizan el sistema de memoria intermedia FIFO (primero en entrar, primero en salir), lo que significa que si un paquete se retiene en la cabeza de la cola, toda la cola se bloquea. Algunos switches incluyen un método para evitar este problema. Cuando se diseñan equipos para entornos industriales, algunas características y funciones son más importantes que otras. Entre los aspectos más importantes de los equipos de transmisión de datos industriales destacan los siguientes: •

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La unidad debe fabricarse de tal modo que se supriman las perturbaciones en la comunicación y los periodos de parada. Amplio rango de temperatura de operación. El método de instalación siempre es importante, pues puede puede ser necesario montar las unidades en maquinaria que se mueve o vibra. Aislamiento galvánico. Eliminación de transitorios Fuente de alimentación fiable

5.2.- ADAPTADORES ETHERNET SERIE Un adaptador Ethernet serie puede tener muchas formas diferentes y realizar cualquiera de las funciones que se indican a continuación. Además de permitir la conexión remota de dispositivos serie, ofrece al usuario la posibilidad de: • • •

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Prolongar la vida útil de los equipos serie existentes. Simplificar los diagnósticos y el mantenimiento de los equipos. Reducir los costes por utilización de líneas y rutas en las comunicaciones de larga distancia. Integrar periféricos en una infraestructura preexistente. El acceso a cada dispositivo conectado es directo y puede realizarse por la red local, a través de un router, una WAN o Internet Utilizar los mismos mecanismos mecanismos de solución de errores que millones de PC en todo el mundo. Compartir datos con cualquier cualquier número número de de ordenadores y otros recursos de su red. Sustituir conexiones serie de distancia limitada. Utilizar un número elevado de puertos COM virtuales de larga distancia sin necesidad del engorroso cableado. 22


5.3.- PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN User Datagram Protocol (UDP): El protocolo de datagramas de usuario UDP es un servicio de transporte de datagramas no orientado a conexión, lo que significa que la llegada de datagramas o paquetes de datos no está controlada y la fiabilidad de la transmisión es responsabilidad de la plicación. En este sentido, el protocolo UDP es un método de comunicación más sencillo que TCP. Dado que los datos se envían y reciben sin pasar por la fase de establecimiento de la conexión, la transferencia de datos es más eficiente y, a menudo, también más rápida. Como resultado, UDP se utiliza en aplicaciones que requieren un uso eficiente del ancho de banda y que además disponen de protocolos de alto nivel para gestionar los datos perdidos.

Transmission Control Protocol (TCP): El protocolo de control de transmisiones TCP es un servicio de transporte orientado a conexión, lo que significa que es preciso establecer la conexión para que los equipos puedan intercambiar datos. Un acuse de recibo permite verificar que el otro equipo ha recibido los datos. Por cada paquete de datos enviado, el equipo receptor debe devolver un acuse de recibo (ACK). Si no se recibe el ACK correspondiente, los datos se vuelven a transmitir.TCP dispone de un mecanismo de control del flujo de datos entre equipos. Cuando el volumen de los datos obliga a dividirlos en paquetes,TCP dispone de un método fiable para restaurarlos en el orden correcto. Debido a la necesidad de establecer la conexión y al sistema de acuses de recibo, TCP tarda más que UDP en transmitir los datos y utiliza más ancho de banda.

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Point to Point Protoco l (PPP) (PPP):: Originalmente, el protocolo punto a punto PPP surgió como un protocolo de encapsulación para transportar tráfico IP en líneas punto a punto, generalmente entre módems por líneas de la red pública telefónica conmutada. Con PPP se estableció un estándar de asignación y gestión de direcciones IP, encapsulamiento asíncrono y síncrono orientado a bits, multiplexión del protocolo de red, configuración de enlaces, determinación de la calidad del enlace, detección de errores y negociación opcional para nuevas capacidades de conexión en red. PPP proporciona un método de transmisión de paquetes por enlaces serie punto a punto, que incluye los siguientes tres componentes: PPP utiliza el protocolo High-Level Data Link Control (HDLC, protocolo de control de enlace de datos de alto nivel) para encapsular los paquetes que se transmiten por los enlaces punto a punto. Un completo Link Control Protocol (LCP, protocolo de control de enlace) para establecer, configurar y comprobar la conexión. Un grupo de Network Control Protocols (NCP, protocolos de control de red) para establecer y configurar los diferentes protocolos de nivel de red. PPP puede operar a través de cualquier interfaz DTE/DCE y no impone más restricción velocidad de transmisión que la que imponga la interfaz DTE/DCE utilizada.

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Software redirector de pu ertos COM El software redirector de puertos COM se utiliza para crear un puerto COM virtual en un PC de manera que los dispositivos puedan utilizar de forma inmediata los puertos serie del servidor serie como si fueran puertos serie locales. El software redirige los datos enviados originalmente al puerto COM local sobre TCP/IP al servidor remoto. De este modo, no es necesario cambiar el software de aplicaciones del ordenador.

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5.4.- ROUTERS Y ENCAMINADORES En una red, un router es un dispositivo (en algunos casos también puede ser un programa de software instalado en un ordenador) que determina el siguiente punto de la red al que debe enviarse el paquete para llegar a su destino final. El router está conectado al menos a dos redes y decide por qué ruta debe enviarse cada paquete de datos basándose en un análisis del estado actual de las redes a las que está conectado. Los routers IP proporcionan una conexión entre subredes. Cuando un equipo desea enviar datos a un equipo de otra subred IP, el primero envía los datos a su puerta de enlace o dirección router, que de este modo sabe cómo enviar el paquete de datos en cuestión a la red correcta.

5.5.- SWITCHES ETHERNET Un switch es un dispositivo que se utiliza para construir redes Ethernet y controlar el flujo de datos y el ancho de banda de dichas redes. El switch almacena los paquetes entrantes y a continuación determina si el paquete contiene errores comprobando el checksum, en cuyo caso descarta el paquete. Hecho esto, decide a qué puerto o puertos debe enviarse el paquete, basándose en las tablas de direcciones de control de acceso al medio (MAC).Todas las tablas MAC se crean y se mantienen actualizadas automáticamente a partir de los paquetes recibidos. Cuando el switch recibe un paquete en un puerto, almacena la dirección MAC de origen en la tabla MAC que corresponde a dicho puerto. Si un nodo permanece en silencio durante mucho tiempo, la dirección MAC se considera «caducada» y se elimina de la tabla. El switch puede funcionar además en modo full dúplex, lo que garantiza que no se producirán colisiones en ningún controlador Ethernet gestionado en dicho modo. El switch puede ser de tipo gestionado o no gestionado. En este último caso, su configuración no se podrá modificar utilizando herramientas software externas.

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Los switches pueden ser de tipo gestionado o no gestionado. En el caso del switch gestionado, se puede acceder a todas sus funciones para modificar la configuración o con fines de supervisión. Esta gestión del switch se puede hacer en banda, utilizando los protocolos de la red, o fuera de banda, a través de un puerto de gestión local o contactos de fallo. Por lo general, los switches gestionados utilizan el protocolo Simple Network Management Protocol (SNMP, protocolo de administración de red simple) para la gestión en banda. SNMP es el protocolo estándar de Internet desarrollado para gestionar los nodos (servidores, estaciones de trabajo, routers, switches y hubs, etc.) de una red IP. SNMP permite a los administradores de redes gestionar el rendimiento de la red, localizar y resolver problemas de red y planificar el crecimiento de la red.

5.- CONFIGURACIÓN DE UNA RED INDUSTRIAL ETHERNET Las interfaces Ethernet de los módulos tienen una dirección IP predeterminada que puede modificarse.

5.1.- DIRECCIÓN IP Los parámetros IP son visibles si el módulo apto para la comunicación soporta el protocolo TCP/IP. Esto suele suceder en todos los módulos Ethernet. La dirección IP consiste en 4 números decimales comprendidos en un rango entre 0 y 255. Los decimales están separados entre sí por un punto. Ejemplo: 140.80.0.2 La dirección IP se compone de la dirección de la (sub)red la dirección del nodo (también se denomina host o nodo de red) • •

5.2.- MÁSCARA DE SUBRED La máscara de subred separa las dos direcciones. Determina qué parte de la dirección IP direcciona la red y qué parte direcciona el nodo. Los bits activados de la máscara de subred determinan la parte de la dirección IP correspondiente a la red. Ejemplo: Máscara de subred: 255.255.0.0 = 11111111.11111111.00000000.00000000 26


En el ejemplo superior de dirección IP, la máscara de subred tiene el significado siguiente: Los 2 primeros bytes de la dirección IP determinan la subred, es decir, 140.80. Los 2 últimos bytes direccionan el nodo, es decir, 0.2. Por lo general rige lo siguiente: La dirección de la red resulta de la combinación lógica Y de la dirección IP y la máscara de subred. La dirección del nodo resulta de la combinación lógica Y-NO de la dirección IP y la máscara de subred. •

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5.3.- RELACIÓN ENTRE LA DIRECCIÓN IP Y LA MÁSCARA DE SUBRED PREDETERMINADA Existe un acuerdo respecto de la asignación entre áreas de direcciones IP y "máscaras de subred predeterminadas". El primer decimal de la dirección IP (desde la izquierda) determina la estructura de la máscara de subred predeterminada en cuanto al número de valores "1" (binarios), del siguiente modo:

5.4.- ENMASCARAR OTRAS SUBREDES La máscara de subred permite seguir esctructurando una subred asignada a las clases de dirección A, B o C y crear subredes "privadas" poniendo a "1" otras posiciones de orden inferior de la máscara de subred. Por cada bit puesto a "1" se duplica el número de redes "privadas" y se divide en dos el número de nodos que contiene. Hacia fuera, la red sigue pareciendo una red individual. Ejemplo: En una subred de la clase de dirección B (p. ej. dirección IP 129.80.xxx.xxx), la máscara de subred predeterminada se modifica del siguiente modo:

Resultado: Todos los nodos con direcciones comprendidas entre 129.80.001.xxx y 129.80.127.xxx están en una subred y todos los nodos con direcciones comprendidas entre 129.80.128.xxx y 129.80.255.xxx están en otra subred.

5.5.- TRANSICIÓN DE RED (ROUTER) Las transiciones de red (router) sirven para conectar las subredes. Si un datagrama IP debe enviarse a otra red, primero hay que transmitirlo a un router. Para que esto sea posible, en este caso hay que introducir la dirección del router en cada nodo de la subred. La dirección IP de un nodo de la subred y la dirección de la transición de red (router) sólo pueden ser diferentes en las cifras que son "0" en la máscara de subred. 27

Manual Redes y Comunicaciones Industriales

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