8. REDES DE COMUNICACIÓN INDUSTRIALES_003

Redes de comunicación industriales/MASB

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REDES DE COMUNICACIÓN INDUSTRIALES

• En las plantas automatizadas, todos los equipos digitales, tales como controladores, computadoras de proceso, de gestión, etc., deben estar integrados en red para aprovechar al máximo los recursos y la información disponibles.


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1. Ventajas de las comunicaciones

• Las ventajas de enlazar los equipos “inteligentes” de una planta automatizada son:– Intercambio de información entre los controladores de

todas las etapas de la planta.– Comunicación hombre-máquina en forma interactiva a

través del teclado y pantalla.– Procesamiento de los datos adquiridos por los sensores.– Facilidad de cambios para la obtención de productos con

nuevas características.– Utilización de lenguajes de alto nivel desde la fase de

diseño (CAD) hasta la fase de explotación y gestión (CAM).

• Para obtener estas ventajas es necesario tener una comunicación potente y flexible.


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2. Algunas definiciones

• Información digital: Información (datos, imágenes, voz, etc.) codificada por medio de palabras formadas por unos y ceros.

• Código: Regla que permite interpretar una información digital.

• Datos y control: Los datos son la información útil que se intercambia entre los sistemas digitales. El control contiene información adicional para facilitar la comunicación.

• Terminal de datos (DTE): Equipo para transmitir y/o recibir información digital. Llamado terminal.

• Terminal de comunicaciones (DCE): Equipo que transmite y recibe información digital a distancia (vía telefónica o vía radio). Generalmente se le denomina MODEM.


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DTE DTEDCE DCE

Línea de Transmisión

Sistema de comunicación de datos

DTE : TerminalDCE : Modem


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• Modulación y demodulación: Son técnicas para transmitir señales analógicas o digitales a distancia, ya sea vía radio o a través de cables o fibra óptica. Mediante estas técnicas se puede transmitir por un mismo medio varias señales

• Línea de comunicación: Es el medio físico de enlace entre dos terminales.

• Bus: Conjunto de conductores compartidos por dos o más terminales.

• Comunicación paralelo: La comunicación paralelo utiliza varias líneas de datos (una por bit), otras líneas de control (al menos dos: strobe (STB) y acknowledge (ACK), y una línea de cero o común, para el enlace entre dos o más sistemas digitales.


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• Comunicación serie: Utiliza dos o tres hilos. La información se transmite bit a bit, uno tras otro hasta completar un carácter. La separación de caracteres está dada por bits especiales o por un reloj de sincronismo.

• Conexión punto a punto y multipunto: En la primera intervienen sólo dos terminales, uno a cada extremo de la línea. En la segunda se conectan mas de dos terminales a través de una misma línea o bus.

• Enlace simple: Comunicación entre dos terminales con flujo de datos en un solo sentido.

• Enlace half dúplex: Comunicación entre dos terminales, que permite flujo de datos en ambos sentidos, pero no simultáneamente, utilizando el mismo medio físico de enlace.


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1 2

COMUNICACIÓN PUNTO A PUNTOCOMUNICACIÓN PUNTO A PUNTO

1 2

n 3

NODOS

LINEACOMPARTIDA

COMUNICACION MULTIPUNTOCOMUNICACION MULTIPUNTO


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2. Algunas definiciones• Enlace full dúplex: Comunicación entre dos terminales, con

posibilidad de flujo simultáneo de datos en ambos sentidos. Requiere líneas independientes para transmisión y recepción.

• Protocolo: Es un conjunto de reglas que dirige la transmisión-recepción de información en un línea o bus. Generalmente el protocolo está formado por una serie de señales de hardware y una serie de caracteres de control incorporados en el mensaje junto con reglas de interpretación.

• Red: Conjunto de terminales que pueden intercambiar información. Requiere de medios físicos de enlace (hardware) y un software para gestionar la red. Tenemos redes LAN (a corta distancia) y redes WAN ( de área amplia).

• Nodo o estación: Terminal de enlace de una red o punto de enlace de una red de rango inferior a una de rango superior.


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Transmisor Receptor

Enlace simple


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Transmisor Receptor

TransmisorReceptor

Enlace half dúplex


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Transmisor Receptor

TransmisorReceptor

Enlace full dúplex


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3. Redes locales industriales

• Las comunicaciones en el entorno industrial suelen basarse en redes reducidas tipo LAN (Local Area Network) y,aún manteniendo la compatibilidad con el modelo OSI (Open Systems Interconnection), se pueden soslayar o agrupar niveles para simplificar el sistema.

• La estructura de comunicaciones se suele distribuir por funciones en cuatro grupos:– Grupo 1: Interfaz con el proceso.– Grupo 2: Mando y regulación.– Grupo 3: Supervisión y mando centralizados– Grupo 4: Gestión y documentación.


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Modelo de red OSI


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4. Gestión y documentación

3. Supervisión y mandocentralizados

2. Mando y regulación

1. Interfaz con el proceso

Estructura distribuida de un sistema de controlindustrial


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• Grupo 1: Interfaz con el proceso. Constituido por unidades de captación de señales y entrada/salida de datos del proceso o de un operador local. Permite la comunicación con sensores, actuadores y el control manual. El enlace entre unidades de este grupo se realiza mediante redes simples o buses de campo, cuya estructura suele ser del tipo maestro-esclavo o maestro flotante.

• Grupo 2: Mando y regulación. Constituido por unidades de control automático de partes del proceso, tales como PLC, controles numéricos, etc. Permite el enlace con los niveles superiores, enlace que suele requerir redes con protocolos mas elaborados que el bus de campo.


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• Grupo 3: Supervisión y mando centralizados. Constituido por unidades que controlan globalmente el proceso, tales como computadoras de proceso, terminales de enlace con oficina técnica, terminales de diálogo, etc. De estas unidades se tiene acceso a las variables del proceso, para supervisarlas, cambiar valores de consignas (set-points), modificar programas y obtener datos con vista a su posterior procesamiento.

• Grupo 4: Gestión y documentación. Constituido por unidades de gestión que se encargan de procesar los datos obtenidos por el grupo 3 para efectos estadísticos, control de producción, control de calidad, inventarios y dirección general. En algunos casos cuenta con unidades para conectarse a redes mas amplias tipo WAN


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4. Topología de las LAN

• Se entiende por topología de una red la disposición física de los terminales que la componen y la forma en que se encuentran enlazados por el medio físico.

• En redes LAN las topologías básicas son tres:– estrella,– anillo, y– bus

• Existen, también algunas estructuras híbridas, generalmente en forma de árbol, cuyas ramificaciones parten de los nodos principales de una red con una de las estructuras básicas.


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Topología de estrella / Star


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Topología de estrella / Star

En una topología estrella todos y cada uno de los nodos de la red se conectan aun concentrador o hub.Los datos en estas redes fluyen del emisor hasta el concentrador. Este controlarealiza todas las funciones de red además de actuar como amplificador de losdatos. Esta configuración se suele utilizar con cables de par trenzado aunquetambién es posible llevarla a cabo con cable coaxial o fibra óptica.Tanto Ethernet como LocalTalk utilizan este tipo de tipología.


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Ventajas de la topología de estrella

Gran facilidad de instalación.

Posibilidad de desconectar elementos de red sin causar problemas.

Facilidad para la detección de fallo y su reparación.

Inconvenientes de la topología de estrella

Requiere más cable que la topología de bus.

Un fallo en el concentrador provoca el aislamiento de todos los nodos aél conectados.

Se han de comprar hubs o concentradores.


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Topología de bus


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Topología de Bus / Linear Bus

Consiste en un cable con un terminador en cada extremo del que se "cuelgan" todos loselementos de una red. Todos los Nodos de la Red están unidos a este cable. Este cablerecibe el nombre de "Backbone Cable". Tanto Ethernet como LocalTalk pueden utilizaresta topologíaVentajas de la topología de Bus

Es fácil conectar nuevos nodos a la red.

Requiere menos cable que una topología estrella.

Desventajas de la topología de Bus

Toda la red se caería si hubiera una ruptura en el cable principal.

Se requieren terminadores.

Es difícil detectar el origen de un problema cuando toda la red "cae".

No se debe utilizar como única solución en un gran edificio.


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Topología de estrella cableada


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Topología de árbol


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Topología de Estrella cableada / Star-Wired Ring

Físicamente parece una topología estrella pero el tipo de concentrador utilizado,la MAU se encarga de interconectar internamente la red en forma de anillo.Esta tipología es la que se utiliza en redes Token-Ring.

Topología de Arbol / Tree

La topología de árbol combina características de la topología de estrella con lade bus. Consiste en un conjunto de subredes estrella conectadas a un bus. Estatopología facilita el crecimiento de la red.


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Ventajas de la topología de árbol

Cableado punto a punto para segmentos individuales.

Soportado por multitud de vendedores de software y de hardware.

Inconvenientes de la topología de árbol

La medida de cada segmento viene determinada por el tipo de cable utilizado

Si se viene abajo el segmento principal todo el segmento se viene abajo.

Es más difícil la configuración


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5. Medios físicos de la red

• Es el conjunto de elementos de hardware destinados a transmitir las señales entre los diversos nodos de una red.

• Está formado por dos grupos:– Los medios físicos de unión: cables eléctricos, fibra óptica,

enlaces vía radio.– Las interfaces : amplificadores de señal, adaptadores de niveles

de tensión, adaptadores de código.

• Desde el punto de vista del número de canales que se puede transmitir, hay dos tipos : En banda base y en banda ancha.– En banda base se transmite solo una señal por el medio físico.– En banda ancha se puede transmitir por un único cable varias

líneas de datos simultáneamente (cada una está modulada con una portadora de distinta frecuencia).


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• 5.1 Cables Pueden ser de dos tipos: pares de conductores trenzados y cables coaxiales. En altas frecuencias deben ser considerados como líneas de transmisión con una inductancia y una capacidad distribuidas. En los puntos de discontinuidad (conexiones, finales de línea) pueden aparecer ondas reflejadas y ondas radiadas, que distorsionan la señal. Hay que evitarlo colocando impedancias determinadas.


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• 5.2 Enlaces por fibra óptica Permiten evitar en forma eficiente las interferencias por ruido eléctrico. Las fibras ópticas se excitan mediante diodos láser, con luz en el espectro del infrarrojo (longitudes del orden de 1 um). Al final de línea se coloca otro diodo receptor que recompone las señales eléctricas.


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Conversor RS 232/RS 485


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6. Enlaces estándar (conexión física)

• Atendiendo al número de líneas del medio físico, se clasifican en:– Enlaces que contienen líneas de datos y líneas de control y

eventualmente una línea de cero de señal. Ejm. RS 232.– Enlaces XON-XOFF, donde solo existen línea de datos y a lo

sumo una línea de cero de señal. Ejm. RS 422, RS 485.

• Otro aspecto que permite clasificarlos es el hecho de que las señales sean unipolares como es el caso del RS 232, o diferenciales como es el caso del RS 422 y RS 485.


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6.1 RS 232C

• Recibe su nombre de la norma americana EIA equivalente al estándar europeo V.24 de CCITT.

• Aplicada a comunicaciones entre DTE <--> DCE, a comunicaciones punto a punto DTE <--> DTE.

• Utiliza 25 líneas (datos + control) con conectores tipo DB-25. DTE : conector tipo macho. DCE : conector tipo hembra.

• Longitud máxima : 15 m.• Velocidad de transmisión: hasta 19200 bps.• Existen dispositivos (computadoras, controladores,

aparatos de medida), que disponen de un canal de comunicación serie que suele designarse RS 232 pero solo utiliza 9 líneas tipo DB-9.


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6.1 RS 232CNiveles eléctricos


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6.1 RS 232C

Señal N° de pin Función

TXD 2 Datos DTE (transmite) -> DCE (recibe)

RXD 3 Datos DTE (recibe) -> DCE (transmite)

DTR 20 Terminal de Datos Listo DTE -> DCE

DSR 6 Modem Listo DTE <- DCE

RTS 4 DTE (solicitud de envío) -> DCE

CTS 5 DTE (Libre para Envío) <- DCE

DCD 8 Detección de Port. modem DTE<- DCE

SG 7 Cero de señal, tierra

Principales señales en comunicaciones industriales


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6.1 RS 232C

Conexión estándar entre dos DTE


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6.1 RS 232C

Conexión estándar entre 2 DTE sin acoplamientos(anulando las señales de control)


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6.2 Lazo de corriente, TTY

• Permite comunicaciones punto a punto o multipunto hasta unos 1200 m. con velocidades hasta 9600 baudios, empleando dos pares trenzados para un enlace dúolex de tipo XON - XOFF.

• Las señales se transmiten por impulsos de corriente a través de pares de cables. Generalmente, se emplean señales de 20 mA para representar el nivel lógico 1, la ausencia de corriente representa el nivel 0.

• Se dirá que un terminal es activo si dispone de las fuentes de corriente de 20 mA para transmisión y recepción, y pasivo si no dispone de ellas. Un terminal también puede ser activo en transmisión y pasivo en recepción o viceversa.


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SEÑAL FUNCIÓN FG Pantalla cable. Cero de protección T+ Colector abierto del transmisor T- Emisor del transmisor R+ Ánodo del receptor R- Cátodo del receptor +20 mA Fuente de corriente. Salida: 20 mA. Puede haber una para T y una para R SG Cero de señal, tierra


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• Sólo utiliza línea de datos. Las señales de control necesarias para sincronización de mensajes o para otras necesidades se transmiten por las propias líneas de datos, de forma que el control de enlace se realiza por software.

• Este enlace es muy usado porque presenta excelentes prestaciones en ambientes altamente perturbados.

• Es el mas antiguo entre los enlaces seriales, pero no ha sido objeto de normalización.

• La mayoría de aplicaciones de esta conexión se encuentran en enlaces punto a punto, pero también se puede aplicar a enlaces en red, ya sea en forma de bus, o formando anillo físico.


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6.3 RS 422

• Es un enlace físico previsto para la conexión punto a punto entre dos terminales, empleando para cada línea un par de señales diferenciales transmitidas a través de un par de cables trenzados. El objetivo es tener una buena inmunidad al ruido electromagnético.

• Los niveles de tensión son entre +/- 5 y +/- 6 V (a circuito abierto) para el nivel lógico 1 y 0 V par el nivel lógico 0.

• Para las distancias y frecuencias utilizadas en el bus (1200 a 1500 m y 2400 a 19200 baudios) las líneas RS 422 deben cargarse a la salida con resistencias de terminación de línea entre 100 y 250 ohms. dependiendo del tipo de cable utilizado.


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6.3 RS 422

Señales típicas en enlace por bus RS 422

Señal Función

FG Pantalla. Masa de protección.TxDA o T- Salida invertida del transmisor.TxDB o T+ Salida no invertida del transmisor.RxDA o R- Entrada inversora del receptor.RxDB o R+ Entrada no inversora del receptor.


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6.3 RS 422

Conexión con acoplamiento entre 2 equipos RS 422A


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6.3 RS 422

Conexión sin acoplamiento entre 2 equipos RS 422A


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6.3 RS 422

• Lo mas utilizado en comunicaciones industriales son dos pares trenzados, uno para la línea de transmisión (TxD) y otro para la línea de recepción (RxD). Las señales de control que se deseen transmitir serán enviadas por las propias líneas de datos y será el software el que las procesará.

• Además del enlace punto a punto, el bus RS 422 permite también el enlace dúplex en una red de forma de anillo físico.

• La conexión RS 422 (dúplex) en una red con topología de bus no es posible, puesto que cada transmisor debería conectarse a todos los posibles receptores y requeriría un par trenzado para cada uno. La solución es utilizar un solo par para transmisión y recepción, siendo el enlace semidúplex. Esta opción es conocida como bus RS 485.


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6.3 RS 422

Rx

Tx

Tx

Rx

A A'

AA'

B'

B'B

B

Enlace punto a punto RS 422


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6.4 RS 485

• Es una simplificación del enlace RS 422 empleando un único par trenzado para un enlace XON-XOFF, semidúplex. Permite utilizar una sola línea para transmitir y recibir datos, con un software de control de enlace que haga conmutar la línea según que el terminal deba transmitir o recibir datos.

• Las características del enlace en cuanto niveles lógicos, distancias y velocidades de transmisión en enlaces punto a punto son análogas al de RS 422.

• Permite emplearse en una topología en bus.• En la conexión en red, el número máximo de terminales

conectados es 32, pero puede admitirse un número mayor o mayores distancias de enlace utilizando repetidores o amplificadores de bus.


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6.4 RS 485Señales típicas en un enlace por bus RS 485

FG : Pantalla. Masa de protección. DB o D+ : Ent./Sal. no invertida del transmisor-receptor.DA o D- : Ent./Sal. invertida del transmisor-receptor.

Rx

Tx

Tx

Rx

Enlace punto a punto RS 485


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6.4 RS 485Enlace en red mediante bus RS 485

R R

D+ D- D+ D- D+ D-


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6.4 RS 485Conexión entre equipos 4D RS-485


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6.4 RS 485Conexión entre equipos 2D RS-485


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6.4 RS 485

Conexión entre una PC y un dispositivo RS 485 pormedio del conversor


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6.5 ETHERNET• Es a la vez el nombre de una técnica de comunicación y de

una red comercial, con las siguientes características estándar:– Medio físico : Cable coaxial de 50 ohms.– Topología : En bus o en árbol.– Modo de transmisión: Semidúplex, banda base.– Velocidad : 10 Mbits/s.– Método de acceso : CSMA/CD.– N° máximo de nodos: 1024. -- Distancia máx. entre nodos: 500m.

• En el aspecto físico hay dos variantes:– ETHERNET de cable delgado: Para transmisiones a distancias

cortas (unos doscientos metros), con menor número de nodos y con cable tipo RG58 y conectores más económicos.

– ETHERNET de banda ancha : Utiliza como enlace a la red un modem denominado DECOM y se emplea para grandes distancias o incluso para conexión a redes WAN.


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6.5 ETHERNET

http://www.ciudadfutura.com/mundopc/redes/redext1.htm


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7. Estructura lógica de las LAN

• Se refiere a las tareas asignadas al nivel de enlace del modelo OSI. También se les conoce como protocolo.

• Estas tareas se pueden dividir en dos grupos:– Media Access Control (MAC): Control de acceso al medio.– Logic Link Control (LLC) : Control de enlace lógico entre

terminales.

• Existen recomendaciones de IEEE que indican las técnicas mas comunes para MAC (IEEE-803 a la 806) y para LLC (IEEE-802).


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7.1 Control de acceso al medio (MAC)• Permite que no haya conflictos entre las estaciones

conectadas por intentos de ocupación simultánea del medio.• Hay dos estrategias para la asignación del medio físico:

– a) Control centralizado (maestro fijo): Una estación maestra controla el bus (ordena las transferencias). Cualquier fallo en el maestro significa la parada del bus. Sus protocolos de comunicación son simples.

– b) Control descentralizado (maestro flotante): Ninguna estación es imprescindible para el control del bus, sino que cada uno dispone de un turno de ocupación. Existen técnicas de control de acceso para evitar que varias estaciones puedan intentar tomar el control del bus simultáneamente: - Token passing (paso de testigo). - Carrier Sense Multiple Access Collision Detection (CSMA/CD)


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7.1 Control de acceso al medio (MAC)

– Token passing: Apta para cualquier topología. Consiste en crear un tipo especial de mensaje, llamado testigo (token) que habilita a la estación que lo recibe para transmitir por el bus. Las otras estaciones solo pueden estar en recepción. Para la asignación del testigo se utilizan criterios como: - Limitación del número de bytes transmitir en cada turno. - Reparto equitativo de tiempos. - Reparto del tiempo con ciertas prioridades. Esta técnica permite introducir o modificar las prioridades de acceso (incluso cambiar la secuencia), por lo que es muy útil en el control de procesos.


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Est.1

Est.3

Est.2

Est.i Est.4

Est.n

Acceso por token passing en una topología en anillo

Token

Medio físico


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Est.1

Est.nEst.9

Est.7 Est.3

Acceso por token passing en una topología en bus


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Est.1 Est.2

Est.n Est.i

Maestro Est.3

Acceso por token passing en una topología en estrella


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– CSMA/CD: Es apta básicamente para topologías en bus. La red ETHERNET la utiliza. Cuando una estación desea transmitir verifica el estado del medio físico. Si está libre la estación toma el control y lo mantiene hasta terminar la transmisión. Si detecta ocupación (detección de portadora o de datos en banda base), espera y va haciendo intentos hasta que el medio esté libre. Si dos o mas estaciones desean ocupar el medio simultáneamente, se detecta una colisión que obliga a cada estación esperar un tiempo aleatorio antes de volver a reintentar el acceso. Esta técnica permite que una estación se retirada o colocada sin exigir el paro de la red pero, en cambio no garantiza la transmisión del mensaje en un tiempo determinado, ya que éste dependerá del nivel de ocupación de la red.


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7.2 Control lógico de enlace (LLC)

• En el caso de una red local, se controla el enlace desde el punto de vista lógico, es decir, establece el protocolo para que la estación transmisora pueda identificarse, establece el formato del mensaje para que la estación o estaciones destinatarias puedan reconocer que el mensaje va dirigido a ellas, permite identificar el inicio y final del mensaje y añade caracteres para el control de errores.

• La norma marco que define el subnivel LLC es la IEEE-802.2.


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8. Redes de comunicación industriales

• Las redes de comunicación industriales permiten integrar todas las partes automatizadas de un proceso.

• La integración se hace dividiendo las tareas entre grupos de procesadores jerárquicamente conectados, bajo una estructura con tres niveles:– Nivel de bus de campo: Nivel más próximo al proceso.

Integran los equipos como PLC compactos, controladores PID, equipos de medición, multiplexores de E/S, en las llamadas “células de fabricación”.

– Nivel de LAN: Enlaza las “células de fabricación” en grupos mas grandes. Aquí se encuentran las computadoras de proceso.

– Nivel LAN/WAN: Es el mas próximo al área de gestión. Cuenta con miniordenadores que permiten centralizar los servicios de compras, control de stocks, ventas, control de costos, etc.


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8.1 Buses de campo

• 8.1.1 Características generales mas comunes:– Bus semidúplex, comunicación en banda base, tipo RS-

485. También RS-422 y conexiones en lazo de corriente.– Protocolo de acceso: MAC y LLC.– Comunicación: serie asíncrona con velocidades

relativamente lentas.– Estructura lógica: maestro-esclavo y maestro flotante.– Velocidades: Distancias cortas: 1 Mbit/s. Distancias largas:

250 Kbits/s a 64 Kbits/s.– Longitudes: 40 m. para la máxima velocidad, 350 m. para

velocidades mas bajas.– Número de periféricos: máximo de 30 nodos con posibles

ramificaciones hasta un máximo de 60.


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8.1 Buses de campo

• 8.1.1 Características generales mas comunes:– Tipo de cables: par de cables trenzados y pantalla.– Conectores: bornes de tipo industrial o conectores D9 o

D25.– Conexión/desconexión: “on line”.– Topología: bus físico con posibles derivaciones.– Longitud de ramificaciones: Máximo 10 m.– Alimentación: opción de alimentación de los equipos través

del bus.– Nota:

• Note que las especificaciones son en el nivel físico pero dejan abierto los niveles de enlace y aplicación. Esto hace que muchas veces los equipos no puedan intercambiar información. Hay varios intentos de crear un estándar para este nivel.


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8.1 Buses de campo

• 8.1.2 MODBUS MODICON: Marca registrada de GOULD INC. Define básicamente un protocolo de comunicación pensado para una topología maestro-esclavo. Su implantación ha sido bastante amplia durante la época de los ochenta y son varias las marcas que ofrecen productos compatibles o pasarelas para enlazar la red propia con este estándar. Su principal inconveniente reside en la falta de reconocimiento explícito por parte de alguna norma internacional. Puede implementarse con diversos tipos de conexión física y cada fabricante suele suministrar un software de aplicación propio, que permite parametrizar sus productos.


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8.1 Buses de campo

Maestro Esclavo 1 Esclavo n

Esclavo nEsclavo 1Maestro

TxD RxD

TxD

RxDRxDTxD TxD

TxD RxDRxDTxDRxD

MODBUS a) Comunicación half dúplex

b) Comunicación full dúplex

Bus

Bus


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8.1 Buses de campo• 8.1.3 BITBUS:

Corresponde a una marca registrada por Intel. Se trata de un bus síncrono, cuyo protocolo se gestiona mediante el microcontrolador 8044, un ASIC basado en la arquitectura de la familia 8051 dotado de una USART y con las funciones de protocolo integradas en ROM. Permite transmitir a velocidades y distancias altas. Dispone de una serie de software de aplicación para su integración en otros buses y computadores de uso muy común. La interconexión de nodos se realiza mediante uno o dos pares diferenciales trenzados con una pantalla común. Uno de los pares se utiliza para la línea de datos semidúplex (RS-485) y, eventualmente, se utiliza el segundo par para la transmisión del reloj (modo síncrono) o para conmutación de la línea en nodos repetidores (modo autorreloj).


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8.1 Buses de campo

BITBUS: Estructura de buses independientes anidados

Maestro

Esclavo

EsclavoEsclavo

Maestro

Esclavo

Maestro

Esclavo

Maestro

EsclavoEsclavo

BITBUS (primer nivel)

BITBUS (segundo nivel)

BITBUS (tercer nivel)


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8.1 Buses de campo

BITBUS : Conexiones en modo síncrono

MAESTRODATOS RELOJ

ESCLAVODATOS RELOJ

ESCLAVODATOS RELOJ

ESCLAVO

Par D+, D-

Par CLK+, CLK-


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8.1 Buses de campoBITBUS: Estructura en árbol

MAESTRO

MAESTROREPETIDOR

REPETIDOR

ESCLAVO

ESCLAVO

ESCLAVOE/S

E/S

E/S

D+D-

RTS+RTS-

BUS MAESTRO

Expansióndel bus


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8.1 Buses de campo

• 8.1.4 PROFIBUS: Impulsado por fabricantes alemanes. Este protocolo es un subjuego del MINIMAP, utilizado en redes de mas altas prestaciones y está previsto para su integración en dichas redes de una forma simple. Es un sistema muy abierto que desarrolla bastante el nivel de aplicación, por lo que es muy utilizado en diversas marcas importantes, en el marco de la norma DIN 19.245. El medio de interconexión de las estaciones se hace mediante un par diferencial, previsto para comunicación semidúplex, tipo RS-485, aunque también puede implementarse con enlaces de fibra óptica y enlaces con estaciones remotas vía MODEM o vía radio.


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8.1 Buses de campo

Anillo lógico

Maestros

Esclavos

Bus

PROFIBUS : Estructura lógica


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8.1 Buses de campo• 8.1.5 FOUNDATION FIELDBUS

Es un estandard abierto para entradas, salidas y dispositivos de control de procesos en red que cuando se configuran pueden correr independientemente de una PC. Esto porque dispositivos llamados Link Masters tienen capacidades de procesamiento y son capaces de controlar el bus. También existen dispositivos básicos que no pueden controlar el bus, pero proveen entradas, salidas y funcionalidad adicional como PID o ejecución de bloques de funciones. Los dispositivos de 4 - 20 mA se pueden integrar a este sistema. Solamente dos líneas conectan los dispositivos al bus. Estas líneas también pueden ser alimentadas con un offset DC para que los dispositivos puedan tomar alimentación y obtener información de control sobre las mismas líneas. National Instruments provee software y hardware para Foundation Fieldbus.


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8.1 Buses de campoFieldbus


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8.2 Nivel de LAN

• 8.2.1 ETHERNET Es un red diseñada por Xerox Corporation para ofrecer servicios de ofimática, que luego se adoptó para redes de uso industrial.– Características básicas:

• Niveles implementados: Niveles OSI 1, 2 y 3.• Medio físico: Cable coaxial de 50 ohms (cable ETHERNET).

Longitud máxima : 500 m. También hay variantes: con cable delgado (thin wire) hasta 180 m., con cable y fibra óptica en banda ancha.

• Topología: Bus o árbol.• Codificación: Código Manchester. Modulación de frecuencia en

banda base (variante).• Velocidad: 10 Mbits/s.• Protocolo acceso: CSMA/CD según IEEE 802.3• Número máximo de estaciones: 1024.• Separación máxima entre nodos: 2.5 km.


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8.2 Nivel de LAN

NodoA1

NodoC2

NodoC1

NodoB2

NodoB1

NodoAi

NodoA2

R R

Bus A

RepetidoresBus B

Bus C

...

... ...

ETHERNET: Topología en árbol


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8.2 Nivel de LAN

• 8.2.2 MAP El protocolo MAP (Manufacturing Automation Protocol) es un producto diseñado para el entorno industrial, impulsado por General Motors y la IEEE.– Características básicas:

• Niveles implementados: Modelo OSI completo.• Enlace físico: Cable coaxial.• Topología : Bus. Número máximo de nodos: 10000 con una

distancia entre ellos hasta unos 10 Km.• Codificación: Modulación banda ancha FDM (división de

canales por frecuencias) : 5.75 a 450 MHz.• Ancho de banda por canal: 6 MHz.• Velocidad: 10 Mbits/s.• Protocolo acceso: Paso de testigo en anillo IEEE 802.4


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8.2 Nivel de LAN• 8.2.2 MAP

El MAP contempla los tres niveles jerárquicos de las redes de comunicación industriales.– Nivel bus de campo: MAP no lo cubre propiamente, sino que

lo considera un nivel inferior que se integra a la red mediante terminales, que disponen de una pasarela entre el bus de campo y la red MAP.

– Nivel de red local: MAP está pensado para redes tipo WAN, por lo que resulta complejo y caro para aplicaciones de pequeña y mediana envergadura. Por lo que se creó un protocolo simplificado compatible denominado MINIMAP.

– Nivel LAN/WAN: MAP cubre los siete niveles del modelo OSI. Permite interconectar los sistemas de control de planta con las aplicaciones de gestión, oficina, CAD, computadores de proceso, canales de datos, voz, imágenes, con emplazamientos locales o remotos (para interconexión a redes WAN de uso público).


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8.2 Nivel de LAN

• 8.2.3 MINIMAP Está formado por un subconjunto de la red MAP, cuyas características básicas son:– Niveles implementados: Niveles OSI (1,2,3,7).– Medio físico: Cable coaxial de 75 ohms.– Codificación: Modulación de frecuencia en banda base.– Topología: Bus, con un máximo de 64 nodos.– Velocidad: 5 Mbits/s.– Protocolo acceso: Paso de testigo en anillo IEEE 802.4.


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8.3 Ejemplo de red industrial

Clasificación de frutos


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• Está compuesta por:– Red AS-i– Red MODBUS– Red ETHERNET

• La red AS-i está controlada por un PLC, y está compuesta por 4 esclavos que reciben señales desde un panel de sensores digitales de proximidad de tipo capacitivo, óptico y por ultrasonido, además captura señales de activación de los puertos de descarga de un clasificador de frutos por visión. Este clasificador permite la selección automática por tamaños de frutos en movimiento, mediante una cámara, una placa digitalizadora, una PC, un software propietario y una placa externa de activación de 8 descargadores.


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• A la red MODBUS están conectadas plantas pilotos y una RTU.– Planta piloto 1: Control de nivel de una columna de agua

mediante un controlador PID en una estructura en cascada sobre otro controlador del caudal de ingreso a la columna principal. Comunicación digital RS-422.

– Planta piloto 2: Control de caudal en línea de proceso. Se dispone de un depósito del cual mediante una bomba, se hace circular el fluido en la línea. El control se realiza mediante un algoritmo PI disponible en el mismo elemento de acción final, consistente en un variador de frecuencia con capacidad de controlar la bomba.

– Planta piloto 3: Planta electroneumática basada en PLC. Se controla dos cilindros neumáticos de doble efecto, con sensor de posición, electroválvula neumática de 5 vías/2 posiciones. Control de velocidad por modulación de ancho de pulso (PWM) empleando un sensor fotoeléctrico.


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– Planta piloto 4: Es un equipo pedagógico de propósito general. Permite el control de cilindros neumáticos con diversos tipos de válvulas, con sensores de posición y con PLC.

– Unidad terminal remota: Permite el control de nivel de un tanque con histéresis mediante un programa en la RTU vinculada por radio - módem.

• Supervisión: Se realiza con dos SCADA. Mediante estos programas se controla el estado de las redes AS-i, MODBUS y un panel de sensores y actuadores. Este programa también actúa como servidor de datos hacia otros puntos de la red ETHERNET encargados de soportar tareas de gestión.


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8.3 Ejemplo de red industrial• Administración de los procesos y mantenimiento:

Para el clasificador de frutos se ha diseñado en una hoja de cálculo una planilla y un gráfico dinámico que se actualizan de acuerdo a los acumulados que se registran en cada uno de los 8 descargadores. Estos datos están orientados a la administración del proceso. Para la planta piloto 3 y la RTU se ha diseñado una planilla y un gráfico dinámico que se actualizan en función de: rpm, número de operaciones del relé fin de carrera, arranque /parada de motores, tiempos de duración de las operaciones. Estos datos están orientados al mantenimiento del proceso. Mediante una base de datos se generan históricos, órdenes de trabajo, predicción de fallas, alarmas, control de costos, etc.

• Gerencia: Permite obtener: niveles de stock, análisis de costos, históricos de producción.

8. REDES DE COMUNICACIÓN INDUSTRIALES_003

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